Il cuscinetto è un meccanismo utilizzato per ridurre l'attrito tra due oggetti in movimento rotatorio o lineare tra loro.
Storia
Già Leonardo da Vinci (1452-1519) durante i suoi studi riguardanti l'attrito intuì la possibilità di creare una sorta di primitivo cuscinetto, ma il primo brevetto di cuscinetto a sfera fu proposto da Philip Vaughan di Carmarthen (Galles) nel 1794. Un altro brevetto fu ottenuto da Jules Suriray il 2 agosto 1869, un meccanico di biciclette parigino, i cui cuscinetti furono utilizzati sulla bicicletta di James Moore, vincitore della prima corsa ciclistica su strada Parigi-Rouen nel novembre 1869.
Nel 1883 Friedrich Fischer sviluppò una macchina per la rettifica delle sfere d'acciaio, rendendo possibile la produzione industriale di cuscinetti a sfere. Henry Timken contribuì allo sviluppo dei cuscinetti a rulli conici, brevettando una loro migliorata costruzione nel 1898 e fondando nel 1899 la Timken Roller Bearing Axle Company, per quanto riguarda i cuscinetti a rulli, che fondò la Timken Company nel 1899 e a Sven Gustaf Wingqvist uno dei fondatori della SKF nel 1907 oltre che alla RIV di Villar Perosa (Roberto Incerti & c Villar Perosa) che nel 1906, insieme a Giovanni Agnelli e ad altri soci, avviò la produzione di cuscinetti a sfere; nel settembre 1906 iniziò l'attività dello stabilimento di Villar Perosa. In seguito la RIV fu incorporata dalla SKF.
Tipi I cuscinetti a seconda delle applicazioni possono essere di diversi tipi. Una prima suddivisione li distingue in base al tipo di funzionamento in cuscinetti radenti e in cuscinetti volventi.
Cuscinetti radenti
I cuscinetti radenti, detti anche "cuscinetti a strisciamento" o "bronzine". Devono il loro funzionamento al film di lubrificante che si frappone tra il supporto fisso e il perno rotante, sostenendolo.
Cuscinetti volventi Nei cuscinetti volventi (o cuscinetti a rotolamento) il movimento è facilitato dall'interposizione tra parte fissa e perno di elementi volventi (sfere o rulli). I cuscinetti volventi possono essere a loro volta:
A ingranaggi: configurazione particolare dove il mantenimento della posizione tra gli elementi volventi è caratterizzata dall'ingranamento tra essi e gli anelli.
A sfere Radiali: la forza di carico da supportare è perpendicolare all'asse di rotazione. Con una corona di sfere: nei tipi più comuni, generalmente da sette a dieci sfere, sono adatti alla maggior parte delle applicazioni e possono sopportare sia carichi radiali che assiali. Con due corone di sfere: come i precedenti ma costituiti da due anelli con gole affiancate che alloggiano le relative corone di sfere. Sono adatti a sopportare elevati carichi radiali. Orientabili a due corone di sfere: adatti ovunque vi sia la possibilità di un'inclinazione dell'asse di rotazione. In questo tipo l'anello interno ha due gole affiancate mentre l'anello esterno ha un'unica gola semisferica, sistema che consente il funzionamento quando gli assi dei due anelli sono inclinati tra di loro. Non sono idonei a sopportare forti spinte assiali. Obliqui ad una o due corone di sfere: caratterizzati dalla posizione obliqua della retta di carico passante per i punti di contatto tra le sfere e gli anelli rispetto all'asse di rotazione, in modo del tutto analogo ai cuscinetti a rulli conici. Rispetto ai cuscinetti radiali hanno il vantaggio di contenere un maggior numero di sfere e di poter sopportare carichi radiali e spinte assiali più elevati. Quelli ad una corona di sfere vanno sempre utilizzati in coppia.
A rulli: come per quelli a sfere possono essere ad una o due corone di rulli ed essere rigidi od orientabili. I rulli sono impiegati nei casi in cui occorra la massima precisione di lavoro e possono avere forma: cilindrica Ad aghi o rullini: variante dei cuscinetti a rulli cilindrici, composti da due anelli sfilabili e rulli più piccoli di diametro. Utilizzati quando lo spazio è limitato e idonei a reggere solo carichi radiali. conica: impiegati quando sull'albero su cui è montato grava una forte spinta assiale. In questa variante i cuscinetti sono generalmente utilizzati in coppia con la conicità contrapposta. A botte (o orientabilie a rulli): il rullino ha la forma di una botte e permette l'inclinazione dell'asse di rotazione.
Un cuscinetto volvente è costituito da due anelli di diverso diametro: uno esterno, uno interno; entro i quali sono posizionati gli elementi principali ai quali è affidata la funzione di supportare l'elemento ruotante, ridurre l'attrito di rotazione, preservare la sede di rotazione e ridurre il pericolo d'intrusione di polvere e detriti nelle aree di lavoro delle sfere. L'anello esterno è l'elemento circolare più grande ed esterno. L'anello interno è l'elemento circolare più piccolo ed interno. Il componente (o i componenti) di rotolamento nel caso di cuscinetti meccanici sono i vari tipi di rulli e relative gabbie.
Cuscinetti magnetici
I cuscinetti magnetici funzionano a induzione magnetica: sono privi d'attrito volvente e pertanto efficienti anche in condizioni estreme di temperatura (sempre entro la temperatura di Curie del sistema magnetico) e non necessitano di lubrificazione. I cuscinetti magnetici migliorano le prestazioni, l'affidabilità e la compatibilità ambientale delle macchine rotanti aumentando la loro efficienza.
Il componente (o i componenti) di rotolamento nel caso di cuscinetti magnetici è il campo magnetico generato dagli anelli.
Costruzione I cuscinetti possono essere costruiti in modo da essere: monoelemento: il cuscinetto non si può alterare nella sua struttura senza che questa venga danneggiata, in quanto non è creato per essere diviso nelle sue diverse parti; smontabili: classico esempio dei cuscinetti dei mozzi delle biciclette e dei motocicli, dove l'anello esterno viene tenuto chiuso dalla forcella e dal dado (elemento esterno); scomponibili: questi cuscinetti si dividono in due mezzelune, in modo da potere essere usati sui punti più stretti di alcuni alberi motore che non permettono un inserimento normale.
Gabbia
Le sfere e i rulli qualora non siano disposti su tutto il volume (quindi oltre a ruotare tra i due supporti del cuscinetto si toccano anche tra di loro), sono mantenuti equidistanti tra di loro mediante una struttura chiamata "gabbia", la quale può essere semplice o massiccia e realizzata in acciaio, bronzo, ottone, ceramica o materiale plastico. Nel caso di cuscinetti magnetici tale struttura non è presente.Gabbie
In alcuni casi la gabbia è l'unico elemento che regge i rullini del cuscinetto, in quanto mancano i due anelli, in questo caso prende il nome di "gabbietta a rullini", le quali ruotano direttamente sulle sedi interne ed esterne del cuscinetto, tale sedi hanno un trattamento per rendere le superficie dure e lisce in modo paragonabile a quelle degli anelli normalmente previsti per cuscinetti. Tale soluzione viene impiegata dove è necessario ridurre il più possibile le masse, in quanto soggette a forze e accelerazioni molto grandi.
Schermatura La schermatura del cuscinetto può variare a seconda della necessità, dell'applicazione e lubrificazione del cuscinetto.
Sono commercializzati nella versione: Chiusa: le parti volventi del cuscinetto sono protette dagli agenti esterni. Possono essere di due tipi: Schermata: in questi cuscinetti le sfere o i rulli sono protetti all'interno dei due anelli da una coppia di sottili flange metalliche. Questo tipo di protezione è efficace contro la polvere. Stagna: in questi cuscinetti le sfere o i rulli sono protetti all'interno dei due anelli da una coppia di sottili flange di gomma, a tenuta stagna. In questo caso il necessario lubrificante, sufficiente per l'intera vita del cuscinetto, è inserito dal costruttore in fase di assemblaggio. Questo tipo di protezione è efficace sia contro la polvere, sia contro i fluidi. Aperta: le parti volventi sono esposte all'ambiente esterno, e perciò non è consigliabile usarli in ambienti gravosi (presenza di polvere o fluidi corrosivi).
Lubrificazione
La lubrificazione di un cuscinetto a sfere o rulli è fondamentale, in quanto è provato che in assenza di lubrificante viene danneggiato irrimediabilmente in breve tempo.
La lubrificazione assolve determinate funzioni, ovvero:
Agevola lo scorrimento delle sfere, o dei rulli, riducendo sensibilmente gli attriti e il consumo delle parti in movimento. Protegge il cuscinetto dalla corrosione degli agenti esterni e dalle impurità. Dissipa il calore che inevitabilmente si crea a causa dello scorrimento e degli attriti.
La lubrificazione può essere sia a grasso che a olio. Solitamente viene utilizzata la lubrificazione a grasso, ma in condizioni particolari è preferibile quella a olio, in particolare all'interno di meccanismi lubrificati ad olio dove è difficile, se non impossibile, separare la lubrificazione dei cuscinetti da quella delle altre parti.
Lubrificazione a grasso La lubrificazione a grasso è preferibile rispetto a quella ad olio ogni qualvolta sia possibile, perché presenta diversi vantaggi: il grasso è facilmente trattenuto dalla sede; sono sufficienti dispositivi di lubrificazione semplici ed economici; il grasso protegge meglio il cuscinetto dalle impurità e dalla corrosione.
Per contro il grasso è utilizzabile solo a velocità non elevate, non raggiunge supporti difficilmente accessibili e a causa della sua viscosità non si presta alla lubrificazione di piccoli cuscinetti, specialmente a rullini.
L'alloggiamento va riempito di grasso solo per il 30-50%, mentre viene completamente riempito quando la protezione dalla corrosione è predominante e si hanno velocità di rotazione molto basse.
Nei piccoli cuscinetti spesso la lubrificazione a grasso viene eseguita una volta per tutte in fase di montaggio, mentre in quelli di medie e grandi dimensioni va eseguita regolarmente.
Se la ri-lubrificazione va eseguita a intervalli di tempo regolari bisogna semplicemente prevedere un coperchio rimovibile tramite il quale si estrae il vecchio grasso per inserire quello nuovo. Invece se deve essere eseguita più frequentemente bisogna prevedere un ingrassatore che fa sfociare il grasso direttamente sui corpi volventi, e una camera per quello vecchio.
Un'applicazione diffusissima di cuscinetti lubrificati a grasso è nei mozzi delle ruote dei veicoli.
Lubrificazione a olio
Questo tipo di lubrificazione va invece preferito quando le condizioni d'impiego sconsigliano l'uso del grasso, ovvero quando: la velocità di rotazione del cuscinetto è molto elevata e sconsiglia l'uso di grasso; bisogna asportare efficacemente il calore generato dal cuscinetto o proveniente dall'esterno; i supporti sono difficilmente accessibili e bisogna controllare frequentemente la presenza di lubrificante; i corpi volventi sono piccoli e difficilmente accessibili dai grassi, come i cuscinetti a rullini.
La lubrificazione ad olio presenta diversi svantaggi, infatti
Fondamentale è la perfetta tenuta ermetica dei supporti e la possibilità di controllare la presenza di lubrificante.
I tipi più comuni di lubrificazione sono: lubrificazione a bagno d'olio; lubrificazione a circolazione; lubrificazione a iniezione sotto pressione; lubrificazione a nebbia.
Lubrificazione a bagno d'olio
È una soluzione semplice ed economica particolarmente indicata quando la velocità di rotazione è bassa. Durante la rotazione i corpi volventi pescano l'olio e lo distribuiscono in tutto il cuscinetto.
I corpi volventi sono immersi nell'olio contenuto all'interno dell'alloggiamento. Il livello dell'olio, a cuscinetto fermo, è leggermente inferiore al centro del corpo volvente posto più in basso. Tale livello può essere ulteriormente ridotto quando la velocità di rotazione è particolarmente elevata, al fine di limitare lo sbattimento, e quindi l'invecchiamento, dell'olio. Proprio a causa di questo sbattimento l'olio in questo sistema deve essere sostituito con una certa frequenza.
Lubrificazione a circolazione