Come si comporta il cuscinetto ceramico rispetto alla coppia di rotolamento? Un aspetto che spesso non viene considerato nella scelta dei cuscinetti da inserire all’interno di una macchina o di una attrezzatura è la coppia di rotolamento ossia la coppia necessaria a mantenere in rotazione a velocità costante un anello del cuscinetto rispetto all’altro.Sono gli attriti interni al cuscinetto che generano la coppia di rotolamento. Maggiori sono gli attriti e maggiore sarà la coppia di rotolamento.
In quanto misura degli attriti interni di un cuscinetto, la coppia di rotolamento può essere importante perché causa una dissipazione di potenza che, da un lato, abbassa il rendimento della trasmissione meccanica e dall’altro si manifesta con la generazione di calore ed un potenziale aumento di temperatura del cuscinetto stesso e degli organi meccanici a contatto.
Vediamo quali sono le fonti di attrito in un cuscinetto:
- Movimento (rotante/strisciante) dei corpi volventi rispetto agli anelli del cuscinetto
- Interazione dei corpi volventi con la gabbia
- Interazione della gabbia con gli anelli del cuscinetto
- Interazione di corpi volventi, gabbia, anelli ed eventuali guarnizioni con il lubrificante
- Interazione delle guarnizioni con gli anelli del cuscinetto
- Gioco o precarico del cuscinetto
- Numero di corpi volventi che sopportano il carico e, quindi, tipologia del carico
- Materiale con cui sono realizzati anelli e corpi volventi
- Durezza del materiale con cui sono realizzati anelli e corpi volventi
- Rugosità di anelli e corpi volventi
- Grado di precisione del cuscinetto
- Temperatura del cuscinetto
Analizziamole una per una.
1.Movimento (rotante/strisciante) dei corpi volventi rispetto agli anelli del cuscinetto
All’interno di un cuscinetto, il contatto tra i corpi volventi e le piste viene normalmente schematizzato come un punto nel caso in cui i corpi volventi siano sfere od una linea nel caso in cui i corpi volventi siano cilindri. Nella realtà il contatto non avviene tramite un punto od una linea ma attraverso una superficie che assume generalmente la forma di un’ellisse. In questa superficie di contatto, solo una piccola porzione è caratterizzata da un puro moto rotatorio con attrito volvente. Nella parte restante il moto del corpo volvente è di tipo strisciante rispetto alla pista e quindi caratterizzato da un attrito di tipo radente. È chiaro, quindi, che tanto più grande sarà la superficie di contatto e maggiore sarà l’attrito tra corpo volvente e pista. Perciò tutto ciò che può portare ad una riduzione della superficie di contatto porterà ad una riduzione della coppia di rotolamento.
2. Interazione dei corpi volventi con la gabbia
I corpi volventi di un cuscinetto, a meno di casi particolari, vengono guidati nel loro moto mediante l’utilizzo di una gabbia che può essere realizzata in materiali diversi a seconda delle applicazioni. La gabbia non è dotata di moto proprio, ma viene messa in moto dai corpi volventi. Ciò significa che tra corpi volventi e gabbia si verificheranno, principalmente, strisciamenti. Maggiori sono questi strisciamenti o maggiore è l’attrito tra corpi volventi e gabbia e maggiore sarà la coppia di rotolamento. La scelta adeguata del materiale e della forma della gabbia può portare ad una riduzione della coppia di rotolamento.
3. Interazione della gabbia con gli anelli del cuscinetto
Nel movimento di rotazione del cuscinetto può accadere che la gabbia strisci sugli anelli del cuscinetto. Ciò comporta un aumento della coppia di rotolamento.
4.interazione di corpi volventi, gabbia, anelli ed eventuali guarnizioni con il lubrificante
Normalmente all’interno di un cuscinetto viene inserito un lubrificante il cui scopo è non solo ridurre al massimo la possibilità di contatto diretto tra corpi volventi e piste ma anche di migliorare la dissipazione del calore. Il lubrificante, inoltre, distribuendosi all’interno del cuscinetto viene a contatto con la gabbia, gli anelli e le eventuali guarnizioni. Se esiste un movimento relativo tra il lubrificante e gli elementi del cuscinetto, si creerà un attrito che aumenterà la coppia di rotolamento. Analogamente, si può creare un movimento relativo tra i vari strati di lubrificante con generazione di attrito ed aumento della coppia di rotolamento. La quantità di lubrificante, perciò, deve essere determinata con attenzione perché, se presente in quantità troppo elevata, può portare ad aumentare in modo considerevole gli attriti interni con incremento della coppia di rotolamento.
5. Interazione delle guarnizioni con gli anelli del cuscinetto
In alcune applicazioni è necessario adottare cuscinetti stagni (le cosiddette versioni RS). Le guarnizioni dei cuscinetti stagni sono realizzate con materiale gommoso e, per esplicare il loro effetto, vengono fatte strisciare su uno dei due anelli. Questo, naturalmente, provoca attrito con aumento della coppia di rotolamento.
6. Gioco o precarico del cuscinetto
La superficie di contatto tra corpo volvente e pista è importante per la coppia di rotolamento, sia in termini di estensione (maggiore è la superficie, maggiore sarà l’attrito) che in termini di numero di superfici di contatto. In un cuscinetto con gioco, maggiore è il valore del gioco e minore è il numero di corpi volventi effettivamente in contatto con le piste. In un cuscinetto a gioco zero, tutti i corpi volventi sono a contatto con le piste. In un cuscinetto con precarico, tutti i corpi volventi non solo sono a contatto con le piste ma sono anche “schiacciati” sulle piste determinando quindi una superficie di contatto più elevata sia rispetto al cuscinetto con gioco zero che a quello con gioco positivo. Ciò significa che passando da gioco a precarico la coppia di rotolamento aumenta. Per ridurre la coppia è bene scegliere cuscinetti con il gioco più elevato possibile, compatibilmente con l’applicazione.
7. Numero di corpi volventi che sopportano il carico e, quindi, tipologia del carico
Poiché la coppia di rotolamento dipende dall’ampiezza della superficie di contatto tra corpi volventi e piste nonché dal numero di corpi volventi effettivamente a contatto con le piste, la tipologia ed il valore del carico a cui il cuscinetto è sottoposto influenzano considerevolmente il valore della coppia di rotolamento. Tipicamente, l’aumento del carico comporta l’aumento della coppia di rotolamento. È per tale motivo che non esiste un valore assoluto della coppia di rotolamento di un cuscinetto, ma va sempre associato ad una condizione di carico ben definita (normalmente, il valore della coppia di rotolamento viene valutato a cuscinetto scarico).
8. Materiale con cui sono realizzati anelli e corpi volventi
Il materiale con cui vengono prodotti gli anelli ed i corpi volventi influenza direttamente la dimensione della superficie di contatto. Materiali più elastici avranno una superficie più ampia con aumento, quindi, a parità di altre condizioni, della coppia di rotolamento.
9. Durezza del materiale con cui sono realizzati anelli e corpi volventi
Anche la durezza del materiale influenza la coppia di rotolamento in quanto maggiore è la durezza, minore sarà la superficie di contatto tra corpi volventi e piste e minore, quindi, sarà anche la coppia di rotolamento.
10. Rugosità di anelli e corpi volventi
La rugosità delle superfici a contatto influenza direttamente il coefficiente di attrito e quindi la coppia di rotolamento. Maggiore è la rugosità, maggiore sarà la coppia di rotolamento.
11. Grado di precisione del cuscinetto
Il grado di precisione di un cuscinetto può influenzare la coppia di rotolamento perché coinvolge l’ovalizzazione delle piste. In teoria, le piste di un cuscinetto dovrebbero essere perfettamente circolari. Nella realtà, a causa delle tolleranze di lavorazione, sarà sempre presente una certa ovalizzazione. L’ovalizzazione comporta che la superficie di contatto tra piste e corpi volventi non sia costante ma possa variare con la rotazione degli anelli. Ciò potrebbe comportare un aumento della coppia di rotolamento. Il grado di precisione può diventare importante per la coppia di rotolamento con cuscinetti con gioco ridotto o precarico.
12. Temperatura del cuscinetto
La temperatura del cuscinetto potrebbe avere un effetto sulla coppia di rotolamento perché può influenzare sia in modo positivo che negativo alcune cause di attrito. Per esempio, un aumento di temperatura diminuisce la viscosità del lubrificante con effetti benefici sulla coppia di rotolamento. Al contempo, però, un aumento di temperatura potrebbe causare dilatazioni termiche di valore diverso tra gli anelli del cuscinetto influenzando la superficie di contatto tra corpi volventi e piste; con un aumento della superficie si potrebbe verificare un aumento della coppia di rotolamento neutralizzando, quindi, l’effetto benefico della riduzione della viscosità del lubrificante.
Da quanto riportato sopra, si deduce che la richiesta di fornitura di un cuscinetto con una coppia di rotolamento che non superi un valore definito, deve essere accompagnato dalle condizioni in cui la coppia deve essere verificata: condizioni di carico (valore e tipologia del carico), numero di giri, posizione del cuscinetto (asse di rotazione orizzontale, verticale o ad un angolo prefissato), temperatura. Andrebbero specificate anche le condizioni di lubrificazione, ossia quantità e tipologia di lubrificante però bisogna considerare che la tolleranza sulla quantità di lubrificante inserita in un cuscinetto può essere ampia, causando variazioni altrettanto ampie sul valore della coppia di rotolamento. Per questo è preferibile definire la coppia di rotolamento in assenza di lubrificante.
Ma, a questo punto, cosa può essere fatto nel caso in cui ci sia la necessità di avere un cuscinetto con bassa coppia di rotolamento? Vediamo quali soluzioni possono essere adottate.
Con i normali cuscinetti in acciaio le possibili soluzioni, compatibilmente con le condizioni di utilizzo o con i limiti di costo, sono le seguenti:
- Aumentare al massimo il gioco del cuscinetto
- Diminuire il numero di corpi volventi
- Utilizzare quantità ridotte di lubrificante
- Utilizzare un lubrificante con bassa viscosità o basso attrito (per esempio utilizzare olio al posto del grasso)
- Utilizzare cuscinetti con superfinitura delle piste per ridurre la rugosità
- Utilizzare cuscinetti con elevato grado di precisione
- In caso di cuscinetti stagni, adottare guarnizioni a basso attrito; questo può essere ottenuto sia utilizzando materiali adeguati sia versioni speciali dei cuscinetti con rettifica della sede di scorrimento delle guarnizioni. Si possono anche adottare guarnizioni che, pur essendo “stagne”, in realtà non sono a contatto con l’anello del cuscinetto ma inserite in un labirinto
- Utilizzare materiali a basso coefficiente di attrito per le gabbie (per esempio PA6 o PTFE al posto di gabbie in acciaio)
Una soluzione diversa, alternativa ai cuscinetti in acciaio, che permette di ridurre al minimo il valore della coppia di rotolamento è rappresentata dai cuscinetti totalmente ceramici. In questi cuscinetti, anelli e corpi volventi sono realizzati in materiale ceramico mentre gabbie ed eventuali tenute sono realizzate in materiale plastico.
Vediamo le peculiarità dei cuscinetti ceramici in relazione alle 12 fonti di attrito sopra esposte:
1. Movimento (rotante/strisciante) dei corpi volventi rispetto agli anelli del cuscinetto
La superficie di contatto tra corpi volventi e piste in un cuscinetto ceramico è più piccola, a parità di dimensioni e condizioni di carico, del corrispettivo cuscinetto in acciaio. Ciò significa che l’area soggetta a strisciamento è minore e, quindi, minore è anche l’attrito che si verifica. In aggiunta a ciò, il coefficiente di attrito radente e volvente di una coppia ceramica/ceramica è inferiore al coefficiente di attrito della coppia acciaio/acciaio. Tutto questo porta ad una riduzione della coppia di rotolamento.
2. Interazione dei corpi volventi con la gabbia
Nei cuscinetti totalmente ceramici la gabbia è realizzata in materiale plastico (normalmente PEEK o PTFE). Il coefficiente di attrito tra corpi volventi in materiale ceramico e la gabbia è più basso di quello che si verifica nei cuscinetti in acciaio. Per tale motivo il contributo alla coppia di rotolamento dell’attrito tra corpi volventi e gabbia nei cuscinetti totalmente ceramici è inferiore a quello che si ha nei cuscinetti in acciaio.
3. Interazione della gabbia con gli anelli del cuscinetto
Anche in questo caso, il coefficiente di attrito tra gabbia ed anelli è più basso di quello che si verifica nei cuscinetti in acciaio e, di conseguenza, il contributo alla coppia di rotolamento è inferiore.
4. Interazione di corpi volventi, gabbia, anelli ed eventuali guarnizioni con il lubrificante
Una delle caratteristiche peculiari dei cuscinetti totalmente ceramici è la necessità di una lubrificazione sensibilmente inferiore ai cuscinetti in acciaio arrivando addirittura alla possibilità, in talune occasioni, di eliminarla totalmente. Ciò comporta che questa componente della coppia di rotolamento può essere drasticamente ridotta.
5. Interazione delle guarnizioni con gli anelli del cuscinetto
Proprio perché i cuscinetti totalmente ceramici sono caratterizzati da una bassissima coppia di rotolamento, le eventuali guarnizioni sono sempre di tipo non strisciante, eliminando, pertanto, questa componente.
6. Gioco o precarico del cuscinetto
Anche nel caso dei cuscinetti totalmente ceramici l’aumento del gioco porta ad una riduzione della coppia di rotolamento. Perciò la determinazione del corretto grado di gioco/precarico può avere una influenza notevole sul valore finale della coppia di rotolamento.
7. Numero di corpi volventi che sopportano il carico e, quindi, tipologia del carico
Per questo punto valgono le stesse considerazioni riportate sopra per i cuscinetti in acciaio.
8. Materiale con cui sono realizzati anelli e corpi volventi
Il materiale con cui vengono prodotti gli anelli ed i corpi volventi dei cuscinetti totalmente ceramici presenta un’elasticità inferiore rispetto all’acciaio ed è per questo motivo che la superficie di contatto, a parità di altre condizioni, è inferiore avendo un effetto benefico sul valore della coppia di rotolamento.
9. Durezza del materiale con cui sono realizzati anelli e corpi volventi
I materiali ceramici con cui vengono realizzati i cuscinetti totalmente ceramici hanno durezza molto elevata, superiore alle durezze ottenibili dagli acciai per cuscinetti temprati. Anche questo comporta che l’area di contatto si riduca con riduzione della coppia di rotolamento.
10. Rugosità di anelli e corpi volventi
Grazie alle caratteristiche dei materiali ceramici, la rugosità che si ottiene nei cuscinetti è inferiore a quella dei cuscinetti in acciaio, riducendo ulteriormente il coefficiente di attrito e, di conseguenza, la coppia di rotolamento.
11. Grado di precisione del cuscinetto
Valgono le stesse considerazioni fatte per i cuscinetti in acciaio. All’aumentare della precisione del cuscinetto, a parità delle altre condizioni, la coppia di rotolamento si riduce.
12. Temperatura del cuscinetto
Anche per i cuscinetti totalmente ceramici la temperatura del cuscinetto potrebbe avere un’influenza sul valore della coppia di rotolamento. Tuttavia, poiché il coefficiente di espansione termica dei materiali ceramici è inferiore a quello degli acciai, l’influenza della dilatazione termica sulla coppia di rotolamento potrebbe essere minore.
Da quanto sopra riportato si può concludere che in situazioni nelle quali sia richiesto di ridurre il più possibile la coppia di rotolamento dei cuscinetti, la scelta dei cuscinetti totalmente ceramici può essere vincente.
In ogni caso, la sostituzione di un cuscinetto in acciaio con un cuscinetto totalmente ceramico porta ad una riduzione della coppia di rotolamento con incremento del rendimento della trasmissione meccanica e riduzione della potenza dissipata. Scopri di più nella guida tecnica alla scelta, clicca qui sotto per ricevere la tua copia in pdf da leggere quando vuoi.
