Cuscinetti ceramici per ridurre l'attrito: 6 cose da sapere

In  questo articolo parleremo di cuscinetti ceramici per ridurre l’attrito le 6 cose da sapere: cuscinetti ceramici alta velocità, cuscinetti ceramici alta temperatura in tutti i casi è possibile applicarli per massimizzare i risultati dei tuoi macchinari.

In alcune applicazioni è importante cercare di massimizzare il rendimento delle trasmissioni meccaniche. Una fonte importante di dispersione di energia è rappresentata dai cuscinetti a causa dell’attrito al loro interno. Cercare, quindi, di ridurre l’attrito al minimo possibile è una delle priorità in questi contesti.

In questo articolo analizzeremo le 6 cause di attrito all’interno di un cuscinetto, cosa fare per ridurle e presenteremo una soluzione innovativa che permette di superare molto efficacemente i limiti dei cuscinetti in acciaio e di ottenere un livello minimo di dispersione di energia impensabile per i cuscinetti standard: i cuscinetti totalmente ceramici.

I cuscinetti volventi sono componenti meccanici che hanno lo scopo di guidare e supportare un movimento rotatorio. Nell’esplicare questa funzione, però, una parte dell’energia necessaria per mantenere il moto rotatorio, per quanto piccola, viene dissipata a causa dell’attrito che si crea nel cuscinetto. In un’ottica di aumento del rendimento della trasmissione è necessario ridurre il più possibile l’attrito interno del cuscinetto.

Cause principali di attrito

Cerchiamo, innanzitutto, di capire quali sono le cause di questo attrito ossia dove sia possibile agire per ridurre l’energia dissipata dal cuscinetto.

Le principali cause di attrito in un cuscinetto, in ordine di importanza e di influenza, sono:

• Caratteristiche della lubrificazione: tipo e quantità di lubrificante
• Attrito causato dalle guarnizioni
• Gioco del cuscinetto
• Classe di precisione del cuscinetto
• Rugosità delle piste di rotolamento e dei corpi volventi
• Durezza delle piste di rotolamento e dei corpi volventi

Analizziamole in dettaglio:

1. Lubrificazione

Lo scopo della lubrificazione è creare un film tra corpo volvente e pista di rotolamento che ne eviti il contatto diretto e che permetta di dissipare il calore che si crea nella superficie di contatto (qui è possibile trovare un approfondimento sull’argomento). Perché queste azioni si possano esplicare è necessario che il lubrificante abbia un’adeguata viscosità in modo da sopportare il carico agente sul cuscinetto e che questa si mantenga nel campo di temperatura di utilizzo del cuscinetto. Una viscosità troppo elevata, però, se da un lato può essere una sicurezza in termini di resistenza al carico, dall’altro può rappresentare un ostacolo al movimento del corpo volvente aumentando l’attrito del cuscinetto e, quindi, l’energia dissipata.

Analogamente, la quantità di lubrificante inserita nel cuscinetto può giocare un ruolo importante. Infatti, anche se la viscosità del lubrificante è adeguata alle condizioni di carico del cuscinetto, una quantità troppo bassa non permette di creare il giusto spessore di film. Allo stesso tempo, però, se la quantità di lubrificante è troppo elevata, si crea un ostacolo al rotolamento con aumento dell’attrito e dell’energia dissipata.

Pertanto, allo scopo di minimizzare l’attrito, è necessario:

• scegliere accuratamente il grado di viscosità del lubrificante che dipende dal carico agente sul cuscinetto, dalla velocità di rotazione e dalla temperatura di lavoro: se la viscosità è troppo bassa non si forma un adeguato film lubrificante tra corpo volvente e pista, se è troppo alta aumenta considerevolmente l’attrito
• scegliere la quantità di lubrificante da inserire nel cuscinetto; anche qui, troppo poco non permette di formare un adeguato film lubrificante e troppo aumenterà l’attrito.

Va considerato che l’utilizzo di lubrificanti speciali o la variazione della quantità di lubrificante normalmente inserita all’interno dei cuscinetti fa sì che il cuscinetto diventi “speciale” con conseguente possibile aggravio di costi e difficoltà di approvvigionamento.

2. Guarnizioni

Le guarnizioni che vengono utilizzate nei cuscinetti hanno due scopi fondamentali: mantenere all’interno del cuscinetto il lubrificante e proteggere il cuscinetto dall’ingresso di materiali estranei che potrebbero inficiare la funzionalità non solo del cuscinetto ma anche del lubrificante. Dal punto di vista dell’attrito, le guarnizioni che contribuiscono ad aumentarlo sono il tipo strisciante ossia le RS, in quanto hanno un labbro di tenuta che striscia sull’anello del cuscinetto.

Allo scopo di ridurre al minimo l’attrito va valutato attentamente se sia necessario utilizzare guarnizioni di tipo RS o se possano essere utilizzate le non striscianti (Z). È possibile, poi, curare particolarmente la superficie di contatto tra anello del cuscinetto e guarnizione in modo da ridurre l’attrito. Questa soluzione, però, potrebbe non essere lo standard di fornitura dei cuscinetti e, quindi, rappresentare un aggravio di costi ed un aumento della difficoltà di approvvigionamento.

3. Gioco del cuscinetto

La riduzione del gioco del cuscinetto aumenta il numero di elementi volventi a contatto con la pista di rotolamento incrementando l’attrito e la dissipazione di energia.

Allo scopo di ridurre l’attrito, quindi, va scelto il gioco più ampio possibile, compatibilmente con le condizioni di utilizzo del cuscinetto.

4. Classe di precisione del cuscinetto

Nella realizzazione degli anelli dei cuscinetti si introducono degli errori di forma che discostano le superfici delle piste di rotolamento dal teorico. Questi scostamenti producono dei contatti irregolari con gli elementi volventi causando un aumento dell’attrito nel rotolamento del cuscinetto.

Per ridurre l’attrito sarebbe necessario scegliere cuscinetti con la più alta precisione possibile. Questi cuscinetti, però, possono avere costi elevati e difficoltà di approvvigionamento. Poiché il peso della precisione sul computo totale dell’attrito è basso, può non essere necessario utilizzare classi di precisione non standard.

5. Rugosità delle piste di rotolamento e dei corpi volventi

Poiché nel rotolamento dei corpi volventi del cuscinetto sulle piste esiste anche una componente di strisciamento, la rugosità delle due superfici gioca un ruolo importante. Infatti, maggiore è la rugosità e maggiore sarà l’attrito.

Su questo parametro è difficile intervenire, nel senso che non è possibile chiedere ai costruttori di cuscinetti di adottare un valore di rugosità diverso dallo standard a meno di non accettare che il cuscinetto diventi uno “speciale”. È possibile utilizzare cuscinetti super-precisi che, però, ad una rugosità delle piste più bassa dei normali cuscinetti aggiungono una classe di precisione elevata. Sono cuscinetti dal costo elevato e non si trovano in tutte le forme costruttive.

6. Durezza delle piste di rotolamento e dei corpi volventi

La componente di strisciamento di cui si è detto nel punto precedente dipende dall’estensione della superficie di contatto tra corpo volvente e pista. Maggiore è la superficie e maggiore sarà lo strisciamento. La dimensione della superficie di contatto dipende dalla durezza del materiale con cui sono realizzati anelli e corpi volventi dei cuscinetti. Quanto più duro è il materiale e tanto più piccola è la superficie e minore sarà l’attrito.

Anche in questo caso, questo parametro non è “regolabile”. Il grado di durezza delle piste e degli elementi volventi dipende dal processo di tempra a cui vengono sottoposti gli acciai.

La scelta delle caratteristiche di un cuscinetto per ridurre al minimo la dissipazione di energia richiede di valutare i punti sopra citati e non è sempre facile né possibile trovare la soluzione.

Oggi, però, esiste una soluzione innovativa che fornire una risposta alla ricerca del minor attrito: i cuscinetti totalmente ceramici.

Le caratteristiche ottimali dei cuscinetti ceramici

Vediamo quali sono le caratteristiche di questi cuscinetti in relazione ai punti sopra indicati ed i motivi per cui possono essere la soluzione ottimale:

1. Lubrificazione

I materiali ceramici che adottati per la realizzazione di questi cuscinetti (Ossido di Zirconio ZrO₂ e Nitruro di silicio Si₃N₄) non necessitano di una attenta lubrificazione (sia in termini di tipo di lubrificante che di quantità) come, invece, accade per i cuscinetti in acciaio. I cuscinetti totalmente ceramici, infatti, possono anche operare in assenza di lubrificazione. Con questo tipo di cuscinetti, quindi, è possibile utilizzare, se necessario, una minima quantità di lubrificante tenendo l’attrito a valori molto bassi.

2. Guarnizioni

Poiché i cuscinetti totalmente ceramici possono operare anche senza lubrificazione, non è necessario che siano protetti con guarnizioni di tipo strisciante. Questo permette di ridurre notevolmente l’attrito.

3. Gioco del cuscinetto

Nel caso del gioco del cuscinetto, valgono le stesse considerazioni riportate al punto 3 precedente.

4. Classe di precisione del cuscinetto

Anche per quanto concerne la classe di precisione del cuscinetto, per i totalmente ceramici valgono le stesse considerazioni dei cuscinetti in acciaio.

5. Rugosità delle piste di rotolamento e dei corpi volventi

Grazie alle caratteristiche dei materiali ceramici, la rugosità ottenibile su piste e corpi volventi è generalmente più bassa di quella presente nei cuscinetti in acciaio. Ciò comporta che ci sia una riduzione di attrito.

6. Durezza delle piste di rotolamento e dei corpi volventi

I materiali ceramici sono molto più duri dell’acciaio temprato per cuscinetti. Ne consegue che la superficie di contatto tra corpo volvente e pista di rotolamento sia più piccola e, quindi, anche lo strisciamento e infine l’attrito.

In conclusione, i cuscinetti totalmente ceramici, grazie alle loro caratteristiche, possono essere la soluzione ottimale per tutte quelle condizioni in cui sia assolutamente necessario ridurre al minimo la dissipazione di energia e quindi aumentare il rendimento della trasmissione meccanica.

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