Progettino dinamica dei rotori

I cuscinetti a contatto diretto

I cuscinetti radenti, o di strisciamento, generalmente

noti anche come bronzine, sono costituiti da

un unico componente che viene montato con

interferenza sul mozzo.

La superficie interna del cuscinetto,

direttamente a contatto con l’albero viene

realizzata mediante materiali a basso

coefficiente di attrito (originariamente veniva

utilizzato il bronzo da cui ne derivò il nome di

bronzine).

Generalmente il contatto tra albero e

superficie interna del cuscinetto può avvenire Figura 3 – Cuscinetti radenti

in maniera diretta o tramite l’interposizione di un velo

di lubrificante.

A livello costruttivi i cuscinetti radenti sono estremamente minimali, sono infatti costituiti

unicamente da una boccola, la quale può essere flangiata o meno, che viene bloccata nella sede

dell’albero per interferenza.

Tra cuscinetto ed albero esiste un certo gioco al fine di garantire la presenza di un film di

lubrificante il quale ha il compito di sopportare parte del carico, evitare il contatto diretto e perciò

ridurre l’usura ed infine asportare calore. [5.]

Per velocità nulle perno e foro sono fisicamente in contatto e non vi è nessun film lubrificante a

dividere le due superfici, questo giustifica il fatto che all’avviamento sia richiesta una certa coppia

al fine di vincere l’attrito di primo distacco che può raggiungere valori pari anche a 0,14.

Quando le velocità aumentano il perno diventa in

grado di trascinare con sé il film di lubrificante e in

questo modo il coefficiente di attrito tende a

ridursi all’incrementare delle velocità.

Ad un ulteriore incremento di velocità si ha un

incremento del coefficiente di attrito quasi lineare

legato alla legge di Newton ma al raggiungimento

di velocità elevate e perciò di conseguenza anche

temperature elevate si ha una variazione della

viscosità del fluido lubrificante che porta ad una

definitiva riduzione. [6.] Figura 4 – Andamento qualitativo del

coefficiente di attrito in funzione della

velocità per un cuscinetto radente

1.3. Principali differenze tra le due classi di cuscinetti

Le due classi di cuscinetti si differenziano su molti aspetti che vanno dall’impiego, agli ingombri,

fino ai carichi sopportati e molte altre caratteristiche.

I cuscinetti volventi sono infatti in grado di garantire un coefficiente di attrito molto piu basso

rispetto a quello dei cuscinetti di strisciamento, con valori che possono differire fino a 15 volte.

I cuscinetti volventi sono inoltre caratterizzati da avere una bassa influenza della velocità di

rotazione sul coefficiente di attrito ed un’altra caratteristica importante che differisce dai

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I cuscinetti a contatto diretto

cuscinetti di strisciamento è legata all’uguaglianza tra resistenza all’avviamento e resistenza

cinetica.

Il minore ingombro assiale è un altro vantaggio dei cuscinetti volventi ma allo stesso tempo i

cuscinetti di strisciamento garantiscono un minore ingombro radiale ed una facilità di montaggio

superiore.

A loro volta i cuscinetti di strisciamento garantiscono altri vantaggi come una maggiore silenziosità

una maggiore capacità di assorbimento di urti e vibrazioni e sicuramente una maggiore

economicità. I cuscinetti volventi soffrono infatti le elevate velocità di rotazione a causa dei carichi

centrifughi elevati e della minore resistenza a fatica che li caratterizza. [5.]

Altre differenze tra le due classi di cuscinetti sono elencate nella tabella seguente:

Cuscinetti volventi Cuscinetti di strisciamento

Coefficiente di attrito molto minore Resistenza a regime maggiore

Resistenza all’avviamento minore Durata ad alta velocità maggiore

Maggiore resistenza a carico statico

Migliore assorbimento spinte assiali (i corpi volventi tendono a deformarsi per

carichi troppo elevati)

Finitura dei perni richiesta più bassa Maggiore resistenza a carico dinamico

Minori costi lavorazione dei supporti Maggiore versatilità e facilità di montaggio

Minori ingombri assiali Minore ingombro radiale

Richiedono minore manutenzione Rumorosità minore

Richiedono una minore lubrificazione Costi più contenuti

Sviluppo di calore più contenuto Minore sensibilità alle particelle estranee

Maggiori carichi centrifughi, perciò criticità alle Non necessitano di rodaggio

elevate velocità

Scarsa influenza della velocità sul coefficiente Maggiore capacità di smaltimento del calore

di attrito

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I cuscinetti a contatto diretto

2. Materiali e soluzioni innovative per cuscinetti a contatto diretto

Le prestazioni e l’affidabilità dei cuscinetti volventi e radenti è strettamente legata ai materiali con

i quali vengono realizzati i singoli componenti che costituiscono il cuscinetto.

Le due classi di cuscinetti si differenziano anche per i materiali standard impiegati nella loro

costruzione ed è perciò necessario farne una breve distinzione ed introduzione prima di introdurre

le soluzioni innovative ed i materiali alternativi.

2.1. I materiali convenzionali

Per quanto riguarda i cuscinetti a rotolamento, gli acciai che vengono utilizzati per la realizzazione

degli anelli e dei corpi volventi devono poter essere temprati al fine di garantire loro un’elevata

resistenza all’usura ed alla fatica legate al rotolamento dei corpi volventi sulle piste. Proprio per

questo motivo generalmente si tendono ad impiegare acciai a tutta tempra ed acciai da

cementazione. [5.]

Per quanto riguarda gli acciai a tutta tempra, solitamente si tendono ad utilizzare acciai al Cromo

contenenti circa l’1% di Carbonio e l’1,5% di Cromo. Per componenti dalle dimensioni più grandi si

tende invece ad impiegare acciai legati al Manganese ed al Molibdeno che si prestano

maggiormente a trattamenti termici di tempra.

Nel campo degli acciai da cementazioni invece quelli che trovano maggiore impiego sono

sicuramente gli acciai legati al Cromo-Nichel ed al Manganese-Cromo, con un tenore di Carbonio di

circa lo 0,5%. [7.]

I cuscinetti sono soliti operare a temperature che raggiungono anche i +120°C. Se le temperature

di lavoro sono superiori a queste è solitamente conveniente ricorrere a dei trattamenti di

stabilizzazione, che sono specifici per ogni temperatura di funzionamento.

Lo scopo dei trattamenti termici di stabilizzazione degli acciai è quello di evitare che si verifichino

delle variazioni dimensionali inammissibili dovuti alle elevate temperature di lavoro. Per

temperature ancora più elevate è conveniente ricorrere ad acciai speciali. [5.]

Per quanto riguarda i materiali per le gabbie, che hanno il compito di mantenere equi-distanziati i

corpi volventi, quelli convenzionali sono rappresentati dagli Acciai o dall’ Ottone.

Le gabbie in acciaio vengono ottenute mediante operazioni di stampaggio e sono caratterizzate da

avere una resistenza relativamente elevata con un peso contenuto. Al fine di ridurre l’attrito

possono essere sottoposte a trattamenti termici di tempra o trattamenti superficiali alternativi.

Le cosiddette gabbie massicce in acciaio

vengono utilizzate nei cuscinetti di grandi

dimensioni quando le condizioni applicative sono

tali da favorire la formazione di cricche di

tensione. Al fine di evitare questo problema

alcune gabbie massicce vengono sottoposte a

trattamenti di carbo-nitrurazione. Le gabbie in

acciaio sono in grado di resistere fino a Figura 5 – Trattamento termico di tempra ad

temperature molto elevate che sfiorano i 300°C. [7.] induzione per un anello di un cuscinetto volvente

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I cuscinetti a contatto diretto

Per quanto riguarda invece i cuscinetti di strisciamento questi solitamente sono caratterizzati da

essere costruiti sfruttando materiali a basso coefficiente di attrito, elevata resistenza a

compressione ed a fatica, buona durezza superficiale, costanza delle caratteristiche meccaniche al

variare della temperatura ed un’ottima resistenza alla corrosione. Per questo motivo solitamente i

materiali più comuni e standard nei cuscinetti radenti sono rappresentati da:

➢ Bronzo;

➢ Metalli antifrizione;

➢ Ghisa perlitica; [5.]

2.2. Introduzione ai cuscinetti non metallici

Un’importante alternativa ai materiali tradizionali

quali gli acciai è rappresentata dai cosiddetti

materiali non metallici. I cuscinetti non metallici

vengono realizzati in materiali innovativi che ne

consentono l’applicazione in ambiti tradizionali ma

permettono anche di aprire il mondo dei cuscinetti

ad alcune applicazioni innovative, che sfruttando

cuscinetti tradizionali non sarebbero possibili.

I materiali con cui vengono realizzati i cuscinetti,

tipicamente acciai, si sono evoluti nel tempo e sono

passati da materiali molto resistenti fino

all’introduzione di cuscinetti realizzati totalmente in

materiali plastico, molto economici ma destinati ad

applicazioni minori.

Negli ultimissimi anni in questo senso lo sviluppo ha

fatto passi in avanti notevoli portando alla nascita Figura 6 – Cuscinetti a contatto diretto non metallici

ed allo sviluppo di cuscinetti realizzati in svariati

materiali, ciascuno con i suoi pregi ed i suoi difetti.

Tra questi si ricordano i cuscinetti ibridi, ovvero dotati di corpi volventi realizzati in materiale

ceramico, cuscinetti con rivestimenti ceramici, cuscinetti polimerici rinforzati e non, cuscinetti in

carbonio ed in grafite, e tanti altri.

Lo sviluppo e l’introduzione, ma soprattutto il successo di questi nuovi materiali è legato in parte

al continuo incremento del prezzo di mercato dell’acciaio.

I cuscinetti ceramici per esempio trovano applicazione nel campo aerospaziale, quelli dotati di

alcuni componenti non metallici, come le gabbie in materiale polimerico trovano invece campo nel

settore ferroviario, in quello del trasporto leggero e nella realizzazione di macchine utensili.

I cuscinetti ceramici ibridi sono invece impiegati già da molti anni nei mandrini che lavorano ad

elevate velocità di svariate macchine utensili. Altri settori in cui i materiali polimerici stanno

prendendo il sopravvento sono quelli dell’automotive, medico, alimentare, farmaceutico, solare,

nel settore marino ed aerospaziale e in molti altri campi dell’ingegneria meccanica.

Una classe di materiali che maggiormente si sono integrati nel settore dei cuscinetti volventi è

quella dei materiali polimerici autolubrificanti capaci di andare a costruite cuscinetti che

garantiscono prestazioni equivalenti ed addirittura superiori a quelle dei cuscinetti metallici.

Guardando il mercato dei cuscinetti non metallici, dal punto di vista quantitativo il settore più

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I cuscinetti a contatto diretto

fiorente sembra essere quello delle