Da un piccolo carrello da supermercato a enormi centrali elettriche, un gran numero di attrezzature leggere e industriali non potrebbero funzionare senza l’uso di cuscinetti in qualche forma.

I cuscinetti sono un componente tribologico cruciale di molti tipi di macchinari ed esistono in una varietà di forme e modalità. Possono essere definiti come un componente che supporta/permette solo un tipo specifico di movimento (restrizione dei gradi di libertà) in un sistema che può essere sotto carico statico o dinamico.

Un esempio è una porta scorrevole. La porta non può essere sollevata o rimossa dal suo posto. Permette solo lo scorrimento per aprirla. Il movimento possibile è limitato al movimento di scorrimento dai cuscinetti.

Qual è lo scopo dei cuscinetti?

Lo scopo principale dei cuscinetti è di prevenire il contatto diretto metallo-metallo tra due elementi che sono in movimento relativo. Questo previene l’attrito, la generazione di calore e, in definitiva, l’usura delle parti. Riduce anche il consumo di energia in quanto il movimento di scorrimento è sostituito da un rotolamento a basso attrito.

Trasmettono anche il carico dell’elemento rotante all’alloggiamento. Questo carico può essere radiale, assiale o una combinazione di entrambi. Un cuscinetto limita anche la libertà di movimento delle parti mobili in direzioni predefinite, come discusso sopra.

Cuscinetti a elementi rotanti

I cuscinetti a elementi rotanti contengono elementi rotanti a forma di sfere o cilindri. Sappiamo che è più facile far rotolare una ruota che farla scorrere sul terreno, perché l’entità dell’attrito di rotolamento è inferiore all’attrito di scorrimento. Lo stesso principio è in funzione qui. I cuscinetti a rotolamento sono usati per facilitare il libero movimento di parti in movimento rotatorio.

Anche quando abbiamo bisogno di movimento lineare nelle applicazioni, è facile convertire il movimento rotatorio in movimento di scorrimento. Consideriamo una scala mobile o un trasportatore. Anche se il movimento è lineare, è alimentato da rulli che sono azionati da motori.

Un altro esempio è una pompa alternata che può convertire l’energia rotazionale da un motore in movimento traslazionale con l’aiuto di leveraggi. In ognuna di queste applicazioni, i cuscinetti a sfera sono usati per sostenere gli alberi del motore così come gli alberi di altri rulli nell’assemblaggio.

Gli elementi di rotolamento portano il carico senza molto attrito poiché l’attrito di scorrimento è sostituito dall’attrito di rotolamento. I cuscinetti a rotolamento possono essere suddivisi in due tipi principali: cuscinetti a sfera e cuscinetti a rulli.

Cuscinetti a sfera

I cuscinetti a sfera sono uno dei tipi più comuni di classi di cuscinetti utilizzati. Consiste in una fila di sfere come elementi volventi. Sono intrappolate tra due pezzi di metallo a forma di anulus. Questi pezzi di metallo sono conosciuti come razze. La razza interna è libera di ruotare mentre la razza esterna è ferma.

I cuscinetti a sfera forniscono un attrito molto basso durante il rotolamento ma hanno una capacità di carico limitata. Questo è dovuto alla piccola area di contatto tra le sfere e le razze. Possono sopportare carichi assiali in due direzioni oltre ai carichi radiali.

I cuscinetti a sfera sono usati per controllare il movimento oscillatorio e rotatorio. Per esempio, nei motori elettrici dove l’albero è libero di ruotare ma l’alloggiamento del motore non lo è, i cuscinetti a sfera sono usati per collegare l’albero all’alloggiamento del motore.

A seconda dell’applicazione, sono disponibili diversi tipi di cuscinetti a sfera tra cui scegliere.

Svantaggi dei cuscinetti a sfera:

• Buona resistenza all’usura
• Non hanno bisogno di molta lubrificazione
• Forniscono un basso attrito, quindi poca perdita di energia
• Lunga vita di servizio
• Facile da sostituire
• Piccole dimensioni generali
• Comparativamente economico
• Può gestire carichi di spinta

Svantaggi dei cuscinetti a sfera:

• Può rompersi a causa degli urti
• Può essere abbastanza rumoroso
• Non può gestire grandi pesi

Cuscinetti a sfera a gola profonda

Questo è il tipo di cuscinetto a sfera più usato. Intrappolato tra le due razze c’è un anello di sfere che trasmette il carico e permette il movimento di rotazione tra le due razze. Le sfere sono tenute in posizione da un fermo.

Hanno un attrito volvente molto basso e sono ottimizzati per un basso rumore e basse vibrazioni. Questo li rende ideali per applicazioni ad alta velocità.

Sono relativamente facili da installare e richiedono una manutenzione minima. Bisogna fare attenzione durante l’installazione per evitare di ammaccare le razze perché devono essere inserite a pressione sugli alberi.

Cuscinetti a sfera a contatto obliquo

In questo tipo di cuscinetto a sfera, le piste interne ed esterne sono spostate l’una rispetto all’altra lungo l’asse del cuscinetto. Questo tipo è progettato per gestire maggiori quantità di carichi assiali in entrambe le direzioni oltre ai carichi radiali.

A causa dello spostamento delle piste interne ed esterne, il carico assiale può essere trasferito attraverso il cuscinetto all’alloggiamento. Questo cuscinetto è adatto per applicazioni in cui è richiesta una guida assiale rigida.

I cuscinetti a contatto angolare sono ampiamente utilizzati in attrezzature agricole, automobili, cambi, pompe e altre applicazioni ad alta velocità.

Cuscinetti a sfera autoallineanti

Questo tipo di cuscinetto a sfera è immune al disallineamento tra l’albero e l’alloggiamento che può avvenire a causa della deflessione dell’albero o di errori di montaggio.

L’anello interno ha scanalature profonde simili ai cuscinetti a sfera a gola profonda, seguito da due file di sfere e l’anello esterno. L’anello esterno ha una forma concava e questo garantisce all’anello interno una certa libertà di riorganizzarsi a seconda del disallineamento.

Cuscinetti a sfere di spinta

I cuscinetti a sfere di spinta sono un tipo speciale di cuscinetti a sfere progettati specificamente per carichi assiali. Non possono sostenere carichi radiali.

I cuscinetti assiali a sfere hanno un basso rumore, un funzionamento regolare e sono capaci di applicazioni ad alta velocità.

Sono disponibili come cuscinetti monodirezionali o bidirezionali e la scelta dipende dal fatto che il carico sia unidirezionale o bidirezionale.

Quando usare i cuscinetti a sfera?

Sottolineiamo alcune delle condizioni di lavoro che possono richiedere un cuscinetto a sfera.

1. Sono presenti carichi di trazione. Il design dei cuscinetti a sfera li rende capaci di sopportare carichi assiali.
2. Non ci sono carichi pesanti. Avendo dei corpi volventi a forma di sfera, i cuscinetti concentrano tutta la forza su alcuni punti di contatto. Questo può portare ad un fallimento precoce con carichi elevati.
3. Alte velocità. Il piccolo punto di contatto del cuscinetto a sfere significa anche meno attrito. Quindi c’è meno resistenza da superare e quindi è più facile raggiungere alte velocità con questi tipi di cuscinetti.

Cuscinetti a rulli

I cuscinetti a rulli contengono elementi volventi cilindrici invece di sfere come elementi portanti tra le piste. Un elemento è considerato un rullo se la sua lunghezza è superiore al suo diametro (anche se di poco). Dato che sono in contatto lineare con le piste interne ed esterne (invece di un contatto puntuale come nel caso dei cuscinetti a sfera), possono sopportare un carico maggiore.

I cuscinetti a rulli sono anche disponibili in vari tipi. Il tipo appropriato può essere selezionato dopo aver considerato il tipo e l’entità del carico, le condizioni di servizio e la possibilità di disallineamento tra gli altri fattori.

Svantaggi dei cuscinetti a rulli:

• Facile manutenzione
• Basso attrito
• Può sopportare alti carichi radiali
• I cuscinetti a rulli conici possono sopportare alti carichi assiali
• Grande precisione
• Usato per regolare lo spostamento assiale
• Basse vibrazioni

Svantaggi dei cuscinetti a rulli:

• Rumorosi
• Quasi costosi

Cuscinetti a rulli cilindrici

Sono i più semplici della famiglia dei cuscinetti a rulli. Questi cuscinetti possono affrontare le sfide del carico radiale pesante e dell’alta velocità. Offrono anche un’eccellente rigidità, una trasmissione del carico assiale, un basso attrito e una lunga durata di servizio.

La capacità di carico può essere ulteriormente aumentata evitando l’uso di gabbie o fermi che sono di solito presenti per trattenere i rulli cilindrici. Questo permette il montaggio di più rulli per sostenere il carico.

Sono disponibili nei tipi a una fila, a due file e a quattro file. Sono anche disponibili in varianti divise e sigillate.

Le varianti divise sono usate per aree di difficile accesso come gli alberi motore. Nelle varianti sigillate, la contaminazione del cuscinetto viene impedita e il lubrificante viene mantenuto, rendendolo un’opzione che non richiede manutenzione.

Cuscinetti a rulli sferici

Carichi radiali e assiali pesanti possono essere una sfida maggiore quando l’albero è soggetto a disallineamento.

Questa situazione può essere gestita molto bene dai cuscinetti a rulli sferici. Hanno elevate capacità di carico e possono gestire il disallineamento tra l’albero e l’alloggiamento. Questo riduce i costi di manutenzione e migliora la durata di vita.

Le piste dei cuscinetti a rulli sferici sono inclinate di un angolo rispetto all’asse del cuscinetto. Invece di lati diritti, i rulli hanno lati sferici che si adattano alle piste sferiche e si adattano a piccoli disallineamenti.

I cuscinetti a rulli sferici hanno una vasta gamma di casi d’uso. Sono usati in applicazioni dove si verificano carichi pesanti, velocità da moderate ad alte e possibili disallineamenti. Alcuni esempi di utilizzo sono veicoli fuoristrada, pompe, ventilatori meccanici, propulsione marina, turbine eoliche e cambi.

Cuscinetti a rulli conici

Il cuscinetto a rulli conici contiene sezioni di un cono come elemento portante. Questi rulli si inseriscono tra le due razze che sono anche sezioni di un cono cavo. Se le razze e gli assi dei rulli fossero estesi, si incontrerebbero tutti in un punto comune.

I cuscinetti a rulli conici sono progettati per gestire carichi assiali più elevati oltre ai carichi radiali. Più grande è il semiangolo di questo cono comune, più carico assiale può sostenere. Così funzionano come cuscinetti di spinta e come cuscinetti a carico radiale.

Cuscinetti a rulli conici

I cuscinetti a rulli conici sono un tipo speciale di cuscinetti a rulli che hanno rulli cilindrici che assomigliano ad aghi a causa del loro piccolo diametro.

Normalmente, la lunghezza dei rulli nei cuscinetti a rulli è solo leggermente superiore al suo diametro. Quando si tratta di cuscinetti ad aghi, la lunghezza dei rulli supera il loro diametro di almeno quattro volte.

Quanto i cuscinetti ad aghi hanno un diametro più piccolo, più rulli possono essere inseriti nello stesso spazio che aumenta la superficie di contatto con le gare. Così, sono in grado di gestire carichi elevati. Le piccole dimensioni possono anche rivelarsi utili nelle applicazioni in cui lo spazio è limitato, poiché richiedono minori spazi tra l’asse e l’alloggiamento.

I cuscinetti a rullini sono utilizzati in componenti automobilistici come i perni della trasmissione e del bilanciere. Sono anche usati in compressori e pompe.

Quando usare i cuscinetti a rulli?

I cuscinetti a rulli sono l’alternativa più comune ai cuscinetti a sfera. Determiniamo quindi quali condizioni di lavoro sono più adatte a questo tipo di cuscinetto.

1. Carichi pesanti. I cuscinetti a rulli forniscono un’area di contatto considerevolmente più grande, distribuendo il carico in modo più uniforme. Pertanto, sono meno soggetti a guasti e possono sopportare forze elevate.
2. Bassa velocità. Questo, di nuovo, si riduce all’area di contatto. C’è più attrito che può risultare in una generazione di temperatura più alta e un’usura più rapida.

Cuscinetti lisci

Un cuscinetto liscio è il tipo più semplice di cuscinetto. Di solito consiste solo in una superficie di appoggio. Non ci sono elementi volventi.

Il cuscinetto è fondamentalmente un manicotto montato sull’albero e inserito nel foro. I cuscinetti a strisciamento sono poco costosi, compatti e leggeri. Hanno un’alta capacità di carico.

I cuscinetti a strisciamento sono utilizzati per il movimento rotatorio, scorrevole, alternativo o oscillatorio. Il cuscinetto rimane fisso mentre il perno scorre sulla superficie interna del cuscinetto. Per facilitare il movimento fluido, vengono selezionate coppie di materiali con bassi coefficienti di attrito. Diversi tipi di leghe di rame, per esempio, sono piuttosto comuni.

Questo cuscinetto può accogliere alcuni disallineamenti, movimenti multidirezionali, ed è adatto a carichi statici e dinamici. È ampiamente utilizzato in applicazioni nei settori agricolo, automobilistico, marittimo e delle costruzioni.

Lo spinotto che collega il pistone alla biella nei motori diesel è collegato tramite un cuscinetto a strisciamento.

Anche il cuscinetto sferico è un cuscinetto a strisciamento, sebbene sia composto da 2 parti – l’anello interno e l’anello esterno. Anche se sembra simile ai cuscinetti a sfera e a rulli dall’inizio, non hanno elementi volventi tra i due anelli.

Cuscinetti fluidi

Il cuscinetto fluido è un tipo speciale di cuscinetto che si basa su gas o liquido pressurizzato per portare il carico ed eliminare l’attrito. Questi cuscinetti sono utilizzati per sostituire i cuscinetti metallici in applicazioni in cui avrebbero una vita breve, oltre a livelli elevati di rumore e vibrazioni.

Sono anche sempre più utilizzati per ridurre i costi. I cuscinetti a fluido sono utilizzati in macchine che lavorano a velocità e carichi elevati. Anche se i costi iniziali sono più elevati, la durata di vita più lunga in condizioni difficili lo compensa nel lungo periodo.

Quando la macchina è in funzione, non c’è contatto tra i due elementi (tranne durante l’avvio e l’arresto) e quindi è possibile ottenere un’usura quasi nulla con i cuscinetti fluidi.

I cuscinetti a fluido sono classificati in due tipi: cuscinetti idrostatici e idrodinamici.

Cuscinetti idrostatici

In questo tipo, un fluido pressurizzato esternamente è forzato tra due elementi che sono in movimento relativo. Il fluido pressurizzato forma un cuneo tra le parti in movimento e le tiene separate. Lo strato di fluido può essere molto sottile, ma finché non c’è contatto diretto, non ci sarà usura.

Il fluido viene fatto circolare per mezzo di una pompa. Il diametro dell’orifizio di uscita può essere regolabile per assicurare che il fluido sia sempre sotto pressione a tutte le velocità e carichi dell’albero. Così, è possibile un controllo preciso del gap.

Cuscinetti idrodinamici

Questo tipo di cuscinetto utilizza il movimento del perno per forzare il fluido tra l’albero e l’alloggiamento. Il movimento del perno risucchia il fluido lubrificante tra le parti in movimento creando un cuneo costante.

Questo, tuttavia, significa che durante lo start-stop così come a bassi carichi e velocità, la formazione del cuneo può non essere abbastanza buona per prevenire l’usura. Solo alle velocità progettate il sistema funzionerà esattamente come necessario.

Cuscinetti magnetici

I cuscinetti magnetici usano il concetto di levitazione magnetica per tenere l’albero a mezz’aria. Poiché non c’è contatto fisico, i cuscinetti magnetici sono cuscinetti a usura zero. Non c’è nemmeno una limitazione sulla quantità massima di velocità relativa che può gestire.

I cuscinetti magnetici possono anche adattarsi ad alcune irregolarità nel design dell’albero, poiché la posizione dell’albero è regolata automaticamente in base al suo centro di massa. Così, può essere spostato da un lato ma funzionerà ancora in modo soddisfacente.

Sono classificati in due tipi: Cuscinetti magnetici attivi e passivi.

Cuscinetti magnetici attivi

I cuscinetti magnetici attivi usano elettromagneti intorno all’albero per mantenere la sua posizione. Se un cambiamento nella posizione viene rilevato dai sensori, il sistema regola la quantità di corrente che viene alimentata al sistema e riporta il rotore alla sua posizione originale.

Cuscinetto magnetico passivo

I cuscinetti magnetici passivi usano magneti permanenti per mantenere un campo magnetico attorno all’albero. Questo significa che non c’è bisogno di alimentazione. Il sistema è, tuttavia, difficile da progettare a causa delle limitazioni poiché questa tecnologia è ancora nelle sue fasi iniziali.

In molti casi, i due tipi di cuscinetti magnetici possono essere usati in tandem dove i magneti permanenti gestiscono il carico statico mentre gli elettromagneti sono usati per mantenere la posizione con un alto grado di precisione.