Il cuscinetto è un elemento di macchina avente la funzione di supportare un organo rotante, tipicamente un albero. In particolare, i cuscinetti realizzano un vincolo in grado di fissare nello spazio la posizione dell’asse di un albero, consentendone però la libera rotazione o, quantomeno, riducendo al minimo la resistenza che l’attrito oppone alla stessa.
Si possono distinguere due categorie di cuscinetti: quelli lisci, o a strisciamento, e quelli a rotolamento. Nei primi, indicati anche con il nome di bronzine, si ha il contatto tra la superficie dell’albero e del cuscinetto e la riduzione della resistenza alla rotazione si ottiene riducendo il coefficiente d’attrito grazie alla presenza di un velo di lubrificante o, nei casi più semplici, grazie all’utilizzo di materiali aventi proprietà autolubrificanti. Nei secondi, la presenza di corpi volventi interposti, sfere o rulli, elimina lo strisciamento tra le superfici, limitando così le dissipazioni, che vengono quantificate introducendo il cosiddetto coefficiente di attrito volvente.
In relazione al vincolo esercitato, o se si preferisce alla direzione della reazione vincolare, radiale o assiale, i cuscinetti si possono anche classificare come portanti, nel primo caso, o spingenti, nel secondo, o infine portanti-spingenti nel caso misto.
Nelle bronzine, che vengono qui solo accennate, la presenza di un gioco opportuno tra il diametro dell’albero e del foro consente la formazione di un velo di lubrificante in pressione in grado di supportare il carico e di prevenire il contatto diretto tra le superfici, che determinerebbe la rapida usura delle stesse.
I cuscinetti a rotolamento, sono costituiti da un anello interno, che viene montato sull’albero, e da un anello esterno, che viene alloggiato in un foro: gli anelli presentano piste sulle quali rotolano i corpi volventi, opportunamente distanziati tra di loro grazie ad una gabbia, come visibile nella figura 1, che descrive in modo completo un cuscinetto a sfere indicando la denominazione delle sue parti.
Classificazione dei cuscinetti volventi
I cuscinetti volventi possono essere classificati secondo svariate caratteristiche.
In base alla geometria dei corpi volventi, si possono distinguere i cuscinetti a sfere, a rulli cilindrici, conici, a botte, simmetrici o asimmetrici, e a rullini (figura 2).
Si possono avere cuscinetti a una o due corone di corpi volventi. In relazione alla direzione della congiungente i punti di contatto tra i corpi volventi e le piste, si hanno i cuscinetti radiali, a contatto obliquo e assiali. I cuscinetti obliqui sono per loro natura scomponibili e necessitano pertanto di essere montati in coppia, con direzione opposta delle reazioni assiali che possono esercitare, secondo gli schemi di montaggio a “O” e ad “X”.
I cuscinetti possono essere anche essere distinti in rigidi ed orientabili, in relazione alla capacità di consentire un angolo tra l’asse dell’anello interno e dell’anello esterno e conseguentemente di compensare disassamenti tra i fori o rotazioni dovute alla flessione dell’albero.
I cuscinetti sono più frequentemente realizzati in acciaio da bonifica legato al cromo ad alto tenore di carbonio (100Cr6), ma anche in acciaio da cementazione, in particolare per quelli di grosse dimensioni.
I cuscinetti sono designati mediante sigle standardizzate, dalle quali si identificano il tipo (radiale/assiale e forma dei corpi volventi) e le dimensioni (larghezze e diametri) e sono prodotti in diverse categorie di gioco e classi di precisione.
Tolleranze di montaggio e tolleranze geometriche
È di fondamentale importanza la scelta delle tolleranze di montaggio rispettivamente dell’anello interno sull’albero e di quello esterno nel foro, la cui definizione deve essere basata sull’analisi preliminare della direzione del carico il quale, relativamente a ciascun anello, può essere puntiforme o circonferenziale. Si ha la condizione di carico puntiforme quando lo stesso è fisso rispetto all’anello e circonferenziale quando è rotante.
In genere si deve prescrivere un accoppiamento forzato per l’anello soggetto a carico circonferenziale mentre è possibile un accoppiamento libero per l’anello con carico puntiforme. Anche le tolleranze geometriche devono essere prescritte rispettando le indicazioni fornite dai costruttori (figura 3).
Lubrificazione dei cuscinetti
I cuscinetti devono essere lubrificati, a grasso o ad olio. Nel primo caso, vi è la possibilità che siano lubrificati per l’intera vita, e in tal caso sono dotati di schermi di protezione atti a prevenire la fuoriuscita del lubrificante, o che si preveda l’ingrassaggio periodico. La lubrificazione ad olio può essere ottenuta in diverse modalità, quali lo sbattimento, la circolazione, lo spruzzo mediante getti o la nebbia. In ogni caso si devono prevedere opportuni elementi di tenuta, in grado di impedire la fuoriuscita del lubrificante o l’ingresso di materiale in grado di danneggiare il cuscinetto.
Al progettista spetta anche il compito di calcolare la vita attesa del cuscinetto, mediante la cosiddetta formula della durata secondo la norma ISO 281:
L10 = (C/P)p
nella quale:
- L10 durata in milioni di cicli
- C il coefficiente di carico dinamico (caratteristica del cuscinetto in oggetto)
- P il carico equivalente agente sul cuscinetto (una opportuna combinazione di carico radiale ed assiale, con coefficienti X ed Y dipendenti dal tipo di cuscinetto):
P = X × Fr * Y × Fa
- p esponente (pari a 3 per sfere e 10/3 per rulli)
Il coefficiente di carico dinamico C è pari al valore del carico applicato al quale corrisponde una durata di un milione di cicli per il 90% dei cuscinetti sottoposti a prova: il calcolo della durata ha infatti natura probabilistica ed anche la durata L10 si riferisce ad una probabilità di sopravvivenza del 90%.
Qualora si richieda una maggiore affidabilità, sarà necessario correggere la durata mediante un opportuno coefficiente (a1): ad esempio, tale coefficiente assume il valore 0,21 se si richiede una sopravvivenza pari al 99%: in altri termini, se si desidera un’affidabilità pari al 99%, si ha una vita circa 5 volte più corta. La durata viene inoltre corretta mediante un coefficiente che tiene conto delle specifiche condizioni di esercizio ed in particolare della lubrificazione e dell’eventuale contaminazione.
La formula della durata è da considerarsi molto indicativa e i costruttori, e le stesse norme ISO, prevedono approcci assai più completi, in grado di studiare con modelli di calcolo l’effettiva ripartizione del carico tra i corpi volventi e gli sforzi locali nel contatto.
Per approfondimenti sui cuscinetti volventi si rimanda ai siti web dei principali costruttori e al testo [1].
Per una trattazione organica dell’argomento, si veda il “Manuale degli Organi della Macchine”
