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l funzionamento delle macchine mo-derne, per quanto complesse e so- fisticate, è ancora basato su undiscendente diretto del più semplice eantico tipo di cuscinetto: il cuscinet-to a strisciamento. Si tratta di un di-spositivo composto essenzialmente didue parti: una interna, il perno, e unaesterna, il manicotto. Il perno fa par-te di un albero o di un asse girevole:esso trasferisce il carico al manicotto,montato in una struttura di supporto.Nel cuscinetto a strisciamento la par-te mobile è, di solito, il perno (casodell'albero di un motore); talvolta in-vece il manicotto (come nella ruota diun carro del tipo Conestoga) e talaltraentrambe le parti sono in movimento(per esempio nella biella che in unmotore di automobile unisce il pistoneall'albero a gomiti). I cuscinetti a stri-sciamento (qualche volta chiamati bron-zine, cuscinetti a manicotto, cuscinettia velo lubrificante o boccole), essendomontati in molti motori, macchine ealtri meccanismi, sono dispositivi cheraggiungono produzioni dell'ordine deimiliardi di unità all'anno.

Le più antiche testimonianze di unqualsiasi tipo di cuscinetto risalgono acirca 5000 anni fa. I cuscinetti, che e-rano realizzati con la pietra, il legno,i gusci e le ossa, venivano impiegatisolo in alcune applicazioni fondamen-tali. Ne è un esempio il cardine infe-riore della porta primitiva: questa eramontata su un palo verticale, tenutoin alto da un cappio di pelle e infilatoin basso in una cavità di pietra o dilegno. In epoca successiva i cardini diquesto tipo venivano rivestiti con ra-me o bronzo. Anche se fu fatto qual-che tentativo di ridurre l'attrito o ilrumore mediante un lubrificante, nemancano le prove.

Le origini del cuscinetto a striscia-mento vennero scoperte, verso il 1830,dall'inglese W. Bridges Adams che sta-

va facendo ricerche sulle origini delleruote e degli assi. Egli concluse che laruota era derivata dai tronchi d'alberousati anticamente come rulli per spo-stare gli oggetti pesanti. A un certomomento era stato riconosciuto, soste-neva Adams, che per questo scopo duerulli corti collegati da una trave sareb-bero stati più adatti di un solo troncolungo. La trave, con funzioni di asse,e i rulli corti, che si sarebbero poi tra-sformati in ruote, erano rigidamente col-legati e tenuti in posizione per mezzodi incavi nell'intelaiatura che sostenevail carico o con pezzi di legno fissatialla medesima intelaiatura (carretti diquesto tipo .erano ancora in uso inPortogallo nel XIX secolo).

Se le due ruote non avevano all'in-circa lo stesso diametro era difficile farprocedere il carretto in linea retta.Adams ritenne perciò che non dovevaessere trascorso molto tempo prima cheil costruttore del carro trovasse il mo-do di far girare indipendentemente ogniruota intorno al proprio asse su uncuscinetto di supporto. Questa dispo-sizione di asse, ruota e cuscinetto eradiventata consueta al tempo degli an-tichi greci e romani.

Meno chiara è l'origine della lubri-ficazione dei cuscinetti. L'esempio piùantico di manicotto lubrificato si trovain un carro trionfale, risalente a circa3400 anni fa, trovato in una tomba egi-zia. Il lubrificante rimasto sull'asse,analizzato al Museo del Cairo, venneritenuto sego di bue o di montone inbase al punto di fusione a 49,5 °C. Cir-ca 1000 anni dopo l'epoca del carroegizio. Erodoto citava la raffinazionedel petrolio e dopo altri 500 anni Pli-nio il Vecchio compilava un elencodi oli vegetali. Questi due fatti indica-no che gli antichi riconoscevano lanecessità di lubrificanti di vari tipi(animali, vegetali e minerali) per i di-versi scopi.

Il funzionamento dei cuscinetti

Differenti tipi di carico richiedonodifferenti tipi di cuscinetto. Un caricoparallelo all'asse di un albero, per e-sempio il carico trasferito fra l'elicae il motore di una nave, viene soste-nuto da un supporto di spinta; un ca-rico in direzione perpendicolare o ra-diale all'asse di un albero, come peresempio una ruota che gira intorno alproprio asse, è supportato da un cu-scinetto portante. Nel caso di una com-binazione dei due tipi di carico si im-piega un cuscinetto particolare (un cu-scinetto obliquo, un cuscinetto conicoo un supporto di base).

Una forma speciale di cuscinetto è'il cuscinetto a rotolamento nel qualeil carico viene trasferito per mezzo disfere o di rulli. I cuscinetti a rotola-mento sono impiegati anche con cari-chi assiali od obliqui. Poiché incorpo-rano sfere o rulli e sono usati peressere sottoposti a sollecitazioni com-plesse, vengono trattati separatamentedal cuscinetto a strisciamento. Questoultimo è per molti scopi superiore alcuscinetto a rotolamento perché puòsostenere carichi maggiori, funzionarea velocità più elevate ed è anche menocostoso; esso richiede però una lubri-ficazione continua, mentre l'altro tipofunziona di solito anche se privo dilubrificante, vantaggio che spesso neimpone l'impiego. Comunque quest'ar-ticolo riguarda solo il cuscinetto a stri-sciamento impiegato per sopportarecarichi radiali sia rotanti sia oscillanti.

Lo studio della lubrificazione, dell'at-trito e dell'usura è essenziale per il pro-getto e il funzionamento dei cuscinetti.(Questo campo di indagine è conosciu-to con il nome, più comune nei paesieuropei che negli Stati Uniti, di tri-bologia, un termine derivato dal greco,indicante la scienza che studia le su-perfici interagenti in moto relativo.) 11

primo studio documentato sull'attrito el'usura fu fatto da Leonardo da Vincinel XV secolo (si veda l'articolo Leo-nardo ingegnere di Ladislao Reti in« Le Scienze », n. 33, maggio 1971), male classiche leggi dell'attrito statico edinarnico furono enunciate dai fisicifrancesi Guillaume Amontons, CharlesAugustin de Coulomb e A.J. Morindurante i secoli XVII, XVIII e XIX.

Una dissertazione di Robert H. Thur-ston sull'attrito nei cuscinetti a striscia-mento fu pubblicata su « Scientific A-merican » nel 1873. Thurston spiegavache, con carichi elevati, l'attrito è pro-porzionale al carico e indipendente dal-la superficie di contatto fra elementoda supportare e cuscinetto, mentre concarichi bassi è funzione della viscositàdel lubrificante e quasi proporzionaleall'area di contatto.

I primi lubrificanti usati (sostanzenaturali come lardo, sego o oli vege-tali) si ossidavano facilmente, forman-do nella decomposizione acidi grassiche aderivano alle superfici metalliche.In tal modo i cuscinetti a strisciamentoricevevano una lubrificazione limite a-datta ai carichi e alle velocità dell'epo-ca. Gli oli minerali attualmente im-piegati hanno una composizione appo-sitamente studiata e i cuscinetti vengo-no progettati con cura; come risultatoi cuscinetti possono funzionare sottocarichi pesanti e a velocità elevate. Inalcune recenti applicazioni il lubrifi-cante è acqua o aria.

Durante il XIX secolo le ferroviedettero impulso a notevoli progressinella lubrificazione dei cuscinetti a stri-sciamento e a miglioramenti di altreloro caratteristiche tecnologiche. L'in-teresse delle ferrovie derivava dal fat-to che a quel tempo il carico di ciascu-na ruota dei vagoni era supportato daun cuscinetto a strisciamento, che disolito abbracciava la sola parte supe-riore del perno per un arco di circa120 gradi.

Inizialmente il cuscinetto veniva lu-brificato attraverso appositi fori, situa-ti in alto. Il lubrificante era un grassoche si ammorbidiva con il riscaldamen-

In questa fotografia viene mostrata unacoppia di cuscinetti a strisciamento mon-tati in una biella di un motore diesel.La biella collega un pistone del motorecon l'albero a gomiti. Lo spinotto delpistone è il perno del cuscinetto in alto,che è simile al cuscinetto raffigurato sullacopertina di questo fascicolo. Il cuscinet-to è scanalato obliquamente per miglio-rare la lubrificazione. Un segmento del-l'albero a gomiti è il perno del cusci-netto in basso, che non richiede scanala-ture perché la pressione esercitata sullubrificante nel corso del funzionamentogarantisce una lubrificazione sufficiente.

Il cuscinetto a strisciamento

Il cuscinetto più antico e tuttora più comune è costituito da un pernoche ruota in un manicotto. Si può ottenere per questo dispositivo scarsoattrito, vita lunga e basso costo solo con un progetto molto sofisticato

di John C. Bierlein

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Il carro di tipo Conestoga fornisce un esempio di manicottorotante intorno a un perno fisso. La disposizione più comune ècostituita da un perno che gira in un manicotto fisso. L'asseera in legno, ma i manicotti in ferro battuto, montati nel moz-zo della ruota, giravano su guarnizioni in ferro battuto cheformavano la zona da supportare ed erano fissate all'asse median-te nastri metallici. La ruota del carro era incavata per assicu-

rade rigidità e resistenza alle spinte laterali causate dalle in-clinazioni del carro nei passaggi su superfici irregolari. Icuscinetti erano conici per supportare i carichi assiali. La ge-neratrice inferiore dell'asse conico era orizzontale affinché laruota potesse portare il peso del carro e rotare centrata sull'as-se. Di conseguenza l'asse della ruota era inclinato verso il bas-so e il raggio della ruota, diretto verso il basso, verticale.

GUARNIZIONE DI TENUTA

Il cuscinetto a strisciamento per sala ferroviaria, brevettatonel 1847 da W. Itri•Iges Adams, rappresenta un progresso note-vole nella tecnologia dei cuscinetti. Il disegno a sinistra è unavista laterale, come si vedrebbe guardando parallelamente allafiancata del vagone, e quello a destra una vista frontale dal-l'estremità dell'assale. Il fusello è l'elemento da supportare

ed è situato sotto il cuscinetto perché il carico è costituitodal peso del vagone. Questo cuscinetto sostituibile, costruitoin ottone, è stata un'innovazione introdotta da Adarns. 11 fusel-lo rotava in un bagno d'olio (in colore). Se il livello dell'oliosi abbassava, due rulli di trasferimento in legno immersi nel-l'olio servivano a mantenere la lubrificazione del perno.

CUSCINETTO

FUSELLO

RULLO-DI LEGNO

BAGNO DI LUBRIFICANTE

SALA

INTELAIATURA

RUOTA

to e dai fori fluiva nel gioco fra ilperno e il cuscinetto. Il sistema presen-tava l'inconveniente che nei fori entra-va anche la sporcizia, la quale passavapoi nel gioco, e veniva così ad accre-scere i problemi di attrito e di usuraconnessi con il movimento del pernonel manicotto.

Un importante progresso nella lubri-ficazione è stato conseguito facendogirare la parte inferiore del fusello (lazona supportata dell'albero) in un ba-gno di lubrificante. Quando il livellodel lubrificante si abbassava, due rullidi trasferimento provvedevano a distri-buirlo sulla parte inferiore del fusel-lo (si veda l'illustrazione in questapagina).

Con la lubrificazione nella parte in-feriore, la sporcizia si depositava sulfondo del bagno d'olio senza ostacola-re il funzionamento del cuscinetto. Ilbagno d'olio aggiungeva però un ele-mento di complicazione poiché richie-deva la presenza di un dispositivo ditenuta fra la sala e la boccola per evi-tare che avvenissero perdite d'olio.

Un altro progresso importante nellatecnologia del cuscinetto a striscia-mento è stato la boccola sostituibilein ottone, che venne brevettata da A-dams nel 1847. Sei anni dopo egli no-tava che alcune compagnie ferroviarie

che avevano adottato i cuscinetti inottone, li realizzavano con un diametrointerno leggermente maggiore del dia-metro esterno del fusello. Il successodi questi cuscinetti è stato una delleprime indicazioni del fenomeno dellalubrificazione idrodinamica, espressioneche significa movimento del lubrifican-te, determinato dalla rotazione dell'al-bero e di conseguenza lubrificazionecontinua del cuscinetto e dell'albero.Tuttavia l'importanza di questo feno-meno è stata riconosciuta soltanto dopoche, alcuni anni più tardi, venne com-piuta un'esauriente e profonda analisidel meccanismo della lubrificazione neicuscinetti.

L'analisi dei cuscinetti

La prima approfondita analisi di la-boratorio sui cuscinetti a strisciamentoe sulla lubrificazione è stata eseguitain Inghilterra nel 1883 da BeauchampTower, che era stato assunto per que-sto incarico dall'Institution of Mecha-nical Engineers. Parte del lavoro diTower implicava esperimenti con uncuscinetto a strisciamento che venivalubrificato dal basso. Egli osservò chementre l'albero girava l'olio risaliva ilforo superiore, dal quale poi sgorga-va. Chiuse allora il foro, dapprima con

un tappo di sughero e quindi con unpezzo di legno. Però quando l'alberoera in movimento il tappo veniva pocoper volta spinto fuori dall'olio.

Subito dopo Tower applicò al foroun manometro e constatò che esso se-gnava una pressione doppia di quellamedia della zona supportata (funzio-ne del carico sull'albero e dell'area delmanicotto). Tower controllò successi-vamente la pressione in vari punti econcluse che il cuscinetto poggiava suun sottile velo d'olio.

Poco tempo dopo Osborne Reynolds,uno dei pionieri dell'idrodinamica, a-nalizzava i risultati sperimentali di To-wer ed enunciava la prima teoria com-pleta della lubrificazione. Nel 1886Reynolds presentò all'Institution of Me-chanical Engineers la teoria della lubri-ficazione idrodinamica, secondo la qua-le la pressione del lubrificante, misura-ta con l'albero in rotazione, viene ori-ginata dal movimento perché il lubri-ficante viscoso è costretto a scorrereattraverso un restringimento, cioè ilmeato cuneiforme fra le superfici delmanicotto e del perno. Di conseguenzatali superfici vengono separate da unvelo di lubrificante quando l'albero gi-ra a una velocità sufficiente per pres-surizzare il meato con il lubrificantestesso.

Il lavoro di Reynolds stabilì anchealtri importanti principi. Uno è la rela-zione fra la viscosità del lubrificantee lo spazio esistente fra il perno e ilmanicotto; un altro è che il lubrifican-te aderisce sia alla superficie in movi-mento, sia a quella fissa.

Da questo studio è stato possibilericavare un quadro delle condizioni dilubrificazione in un cuscinetto a stri-sciamento. Quando l'albero è fermovi è una certa lubrificazione a causadella tendenza del lubrificante ad ade-rire alle due superfici. Questa condi-zione, chiamata lubrificazione limite,persiste anche quando l'albero incomin-cia a girare. Alla fine il perno rag-giunge la velocità periferica necessariaper produrre la lubrificazione idrodi-namica. Fra le condizioni di lubrifica-zione limite e idrodinamica vi è unacondizione denominata lubrificazionemista perché ha le caratteristiche delledue condizioni precedenti. Gli ingegne-ri moderni impiegano la cosiddetta cur-va ZNIP per descrivere le variazionidel coefficiente d'attrito che si verifica-no durante l'aumento di velocità di unalbero; Z è la viscosità del lubrifican-te, N il numero di giri al secondo del-l'albero e P la pressione specifica, ov-

vero il carico per unità di superficiedel cuscinetto (si veda l'illustrazione apagina 56 in basso). La viscosità è ma-nifestata dalla resistenza allo scorri-mento di un fluido (la fluidità è l'in-verso della viscosità) ed è uno dei fat-tori più importanti nella lubrificazionedei cuscinetti. Quando il fluido è inmovimento diventa importante anchela sua massa; di conseguenza si adottala viscosità cinematica che è la viscosi-tà divisa per la densità del fluido.

L'evoluzione dei materiali

Fino al 1800 circa i cuscinetti veni-vano fatti con materiali facilmente di-sponibili: pietra, osso, legno, rame, fer-ro e cuoio. L'idea di creare un mate-riale adatto alle esigenze specifiche deicuscinetti è relativamente recente, ed èderivata in parte dal riconoscimento,basato sull'esperienza, che perno e ma-nicotto non devono di regola essere fat-ti dello stesso materiale; quando ciòsi verifica le prestazioni sono in gene-re scadenti e l'usura è forte. Un altrofattore che ha contribuito all'evoluzio-ne dei nuovi materiali è stato la crea-zione di le ghe per combinare le miglio-ri qualità dei vari materiali.

Il primo brevetto americano per unmateriale speciale da cuscinetti è statorilasciato nel 1839 a Isaac Babbitt delMassachusetts, la cui idea era di rive-stire con un metallo tenero (per esem-pio una lega con la seguente compo-sizione nominale: stagno 89 per cento,antimonio 9 per cento, rame 2 percento) un guscio più duro e più resi-stente. Oggigiorno tale tecnica è notacome rivestimento in metallo antifri-zione. L'attuale metallo antifrizione èdi solito una lega a base di piombo.spesso chiamata metallo bianco.

Il concetto di indurire il piombo me-diante l'aggiunta di antimonio fu mes-so in pratica negli Stati Uniti circa30 anni dopo l'invenzione di Babbitt.Un tipico rivestimento interno di piom-bo indurito con antimonio venne appli-cato a un guscio di bronzo duro. Nel1870 l'inglese Alexander Dick creòuna lega di rame e piombo (composi-zione nominale: rame 80 per cento,piombo 10 per cento, stagno IO percento) che per anni fu impiegata comemateriale standard per i cuscinetti astrisciamento dei veicoli ferroviari. Ver-so la fine del XIX secolo C.B. Dudleydella Pennsylvania Railroad miglioròquesta lega aumentando al 15 per cen-

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CARICO TRANSITORIO

Un velo di lubrificante separa il perno dal manicotto. Esso puòessere formato in vari modi. Un velo di compressione viene ge-nerato dalla pressione diretta di una superficie contro l'altra(a): la resistenza del fluido a scorrere sviluppa la pressionenecessaria per supportare il carico transitorio. Si produce unvelo idi odinamieo (b) quando il lubrificante viene trascinatotra le due superfici dal movimento di una di queste rispettoall'altra: il velo generato con continuità supporta il carico

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CARICO TRANSITORIO

CARICO FISSO

CARICO FISSO

statico. In un cuscinetto a strisciamento (e) il velo di compres-sione supporta il carico ; se questo viene invertito il velo sisviluppa dall'altra parte, fenomeno che si ripete a ogni inver-sione del carico. Con la rotazione del perno (d) si forma unvelo idrodinamico. Il movimento del perno pressurizza gradata-mente (e-g) il cuneo di lubrificante, il quale, proseguendo larotazione, sposta il centro del perno e quindi anche la zona oveè minimo lo spessore di lubrificante intorno al cuscinetto.

to il tenore di piombo. Non fu unacosa facile in quanto piombo e ramesono reciprocamente insolubili. Per lastessa ragione sono difficili da realizza-re leghe di piombo e bronzo e solodopo il 1900 si sono potute produrreleghe con un contenuto di piombo del20 per cento. Il piombo migliora leproprietà antifrizione di un cuscinetto,ma è troppo tenero per essere impiega-to da solo; perciò l'artificio consistenell'ottenere un elevato tenore di piom-bo senza pregiudicare la resistenza com-plessiva del cuscinetto.

All'inizio del XX secolo vennero svi-luppati numerosi materiali per cuscinet-ti, molti dei quali contenevano bronzo.Furono realizzate anche leghe di allu-minio, zinco, magnesio e cadmio. L'e-lenco dei materiali oggi disponibili siestende dalla gomma elastica alle cera-miche dure.

Proprietà richieste

ovvio che in un cuscinetto l'attri-to fra le parti in movimento dovreb-be essere ridotto al minimo: in realtàottenere ciò è un obiettivo secondosolo alla funzione di consentire a unaparte di muoversi rispetto a un'altraparte, trasferendo nel contempo un ca-rico. Un indice della bontà dei cusci-netti moderni dal punto di vista del-l'attrito è fornito dal motore per auto-mobili. Generalmente meno del 25 percento della potenza di un motore deltipo V-8 a 3000 giri al minuto è as-sorbita dall'attrito fra le varie parti inmovimento: di questa frazione il 60per cento circa è perduto nello scorri-mento dei pistoni nei cilindri, mentrenei cuscinetti a strisciamento delle biel-le che collegano i pistoni e l'albero agomiti se ne perde solo il 12 per cento.In altre parole i cuscinetti assorbonoil 3 per cento circa della potenza to-tale del motore.

Ai cuscinetti sono richieste parecchiealtre proprietà. Una è di natura eco-nomica: non devono essere eccessiva-mente costosi poiché una macchina puòincorporarne in gran numero. Le altresono di natura meccanica: sei di que-ste in particolare sono di competenzadell'ingegnere e del progettista.

In primo luogo un cuscinetto deveessere resistente alla rigatura che inparte deriva dall'adesione. Per quantoaccuratamente un perno e un mani-cotto siano lavorati alla macchina elubrificati, le due superfici vengono oc-casionalmente in contatto: in tale e-vento subiscono un'usura che può pro-durre indesiderabili variazioni geome-triche delle superfici.

Il meccanismo dell'usura può verifi-carsi in quattro modi: per adesione,

Nella biella di un motore rotano sia il perno sia il manicotto. Qui si tratta di unabiella di un motore diesel. Lo spinotto del pistone costituisce il perno del cu-scinetto in alto. Il perno del cuscinetto in basso è un segmento dell'albero a gomiti.

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Le fotografie mostrano alcuni materiali per cuscinetti con uningrandimento di 200 diametri. Il metallo antifrizione o metal-lo bianco (al è una lega a base di piombo con buone proprietànei riguardi dell'attrito, ma che deve essere in genere usatacon un supporto di materiale più resistente; il materiale piùscuro è metallo bianco e quello in basso più chiaro è il suppor-to in acciaio. La fusione di lega in rame e piombo (b) è sepa-rata dal supporto in acciaio, in basso, da un sottile strato dimetallo bianco. La lega di bronzo allo stagno con piombo (C)

è una boccola che non richiede né supporto in acciaio né rive-

stimento in metallo bianco. La lega di alluminio e silicio (d)è applicata su un supporto in acciaio: in questo cuscinetto nonè usato un rivestimento di metallo antifrizione. La lega di allu-minio e stagno (e) è applicata su un supporto in acciaio, da cuiè separata da un sottile strato di alluminio puro che contribui-sce a legare il materiale del cuscinetto all'acciaio. Nel cuscinet-to di rame e nichel sinterizzati (f) il materiale di base è acciaio ;la parte superiore è costituita da uno strato realizzato conuna polvere di rame e nichel sinterizzata sopra l'acciaio. Ipori del materiale sono stati riempiti con metallo antifrizione.

CARICO SUL MANICOTTO

CARICO SUL PERNO

LUBRIFICA:

LUBRIFICAZIONE MISTA

LUBRIFICAZIONE IDRODINAMICA

In questa illustrazione viene mostrato, per mezzo di un grafico tridimensionale, comeè distribuita la pressione del lubrificante in un cuscinetto a strisciamento durante larotazione. Nella zona di pressione più elevata il velo di lubrificante è più sottile esupporta la maggior parte del carico, come fu osservato nel 1883 da Beauchamp Towere analizzato più recentemente da Donald F. Hays, K.P. Oh, S.M. Rhode e K.H. Hue-bner della Generai Motors Corporation e da John F. Booker della Cornell University.

ZNIP

Le condizioni di lubrificazione in un cuscinetto a strisciamento sono rappresentate infunzione dell'attrito che si manifesta con l'aumento della velocità del perno. L'attritoè elevato quando il numero di giri al secondo è basso: in questa condizione si ha lalubrificazione limite, è cioè presente un'esigua quantità di lubrificante mentre gli stra-ti di lubrificante aderenti alle superfici del perno e del manicotto scorrono uno sul-l'altro. La lubrificazione idrodinamica si ha quando un velo continuo di lubrificantesepara il perno dal manicotto. Nella lubrificazione mista sono presenti le caratteristi-che della lubrificazione limite e di quella idrodinamica. La relazione fra l'attrito ela lubrificazione è espressa dalla formula ZN/P, in cui Z è la viscosità del lu-brificante, N è il numero di giri al secondo dell'albero e P è la pressione.

per abrasione, per cori osione e per fa-tica. L'usura per adesione è il risultatodi una scarsa resistenza alla rigatura:nei punti di contatto piccole asperitàappartenenti alle due superfici tendonoad aderire fra loro e minuscoli fram-menti di metallo vengono strappatiquando l'albero gira. L'usura per abra-sione si presenta quando la superficiedell'albero non ha il giusto grado difinitura in modo che essa abrade lasuperficie del manicotto come la cartaabrasiva abrade il legno. Particelle du-re possono anche produrre abrasionisulle due superfici. L'usura per corro-sione è fondamentalmente un processochimico; tuttavia il lavoro meccanicodel cuscinetto, esponendo continuamen-te superfici fresche, contribuisce allaazione chimica. L'usura per fatica èl'asportazione del materiale da una su-perficie deformata per fatica.

Sono stati sviluppati vari metodimeccanici per verificare e valutare laresistenza alla rigatura dei cuscinetti edelle varie combinazioni di materiali.E.H. Scott ed E.R. Booser della Gene-rai Electric Company hanno compiutouno studio importante su questa pro-prietà dei materiali per cuscinetti. Mol-to lavoro è stato fatto anche da A.E.Roach, CL. Goodzeit e Richard P.Hunnicut, predecessori dell'autore pres-so i Laboratori di ricerca della GeneraiMotors Corporation.

Il secondo requisito di un cuscinettoa strisciamento è l'adattabilità, che ènecessaria perché un perno e un ma-nicotto possono risultare non coassialia montaggio eseguito o spostarsi du-rante il funzionamento. Il materiale dicui è costituito il manicotto deve esse-re in grado di subire un'usura limitatao di deformarsi plasticamente in mododa potersi adattare al perno. L'adattabi-lità può essere talvolta considerata co-me una caratteristica composita cheinclude la resistenza alla rigatura e laresistenza alle sollecitazioni.

Per vari motivi, fra i quali l'usurae il funzionamento in un ambiente pol-veroso, particelle estranee possono en-trare nel gioco fra il perno e il ma-nicotto e, se non ne vengono allonta-nate, possono avere un effetto abrasivo.Sarebbe quindi desiderabile che il ma-teriale del cuscinetto avesse la capacitào di incorporare le particelle o di con-sentire alle particelle di penetrarvi par-zialmente per esserne allontanate pocodopo.

Quest'ultima proprietà, detta pene-trabilità » (embedability), è essenzialein un cuscinetto a strisciamento a cau-sa della quantità e varietà di particelleestranee che possono entrarvi. t statoaccennato all'usura e alla sporcizia co-me fonti di particelle: altre fonti pos-

sono essere granelli di sabbia residui,rimasti aderenti alle fusioni (per esem-pio il monoblocco di un motore acombustione interna) e trucioli rima-sti dopo la lavorazione di fori alla mac-china (come i canali per la distribu-zione del lubrificante realizzati nel mo-noblocco). Quale che sia la sorgente,le particelle sono di forme, dimensionie materiali diversi.

La penetrabilità

La penetrabilità fu osservata per laprima volta nel 1927 da S.A. McKeedel National Bureau of Standards. Mol-ti altri studi su questo argomento sonostati eseguiti presso i Laboratori diricerca della Generai Motors: la pe-

netrabilità venne definita da H.C. Mou-gey nel 1936. Il primo modello, o ipo-tesi, venne sviluppato nel 1951 daRoach; l'autore di questo articolo hapoi ampliato e perfezionato il modellodi Roach. Nel modello classico i me-talli bianchi più teneri consentivanouna più facile penetrazione delle par-ticelle, mentre i bronzi più duri tol-leravano meno le particelle con conse-guente forte aumento dell'usura. Que-st'usura poteva essere ridotta induren-do il perno.

L'autore e il suo assistente, L.W.Handwerker Jr., hanno sviluppato nelcorso del loro lavoro un apparecchioper la verifica meccanica della penetra-bilità. L'apparecchio iniettava lenta-mente e regolarmente delle particelle

nel gioco fra il perno e il manicotto;la prova poteva avere una durata mas-sima di quattro ore, rispetto ai cinqueminuti circa dei procedimenti di provaprecedenti, consentendo così di studia-re in ogni dettaglio il meccanismo del-la penetrabilità. Il ritmo di iniezionedelle particelle e la loro concentrazio-ne venivano controllati mediante untracciatore radioattivo.

Un fattore importante della penetra-bilità è la resistenza all'adesione delmateriale del cuscinetto. Un materialecon scarsa resistenza all'adesione e allarigatura determinerà l'incorporamentodel contaminante abrasivo nella super-ficie del manicotto. Se il materiale delmanicotto è molto tenero le particellenon costituiranno un problema impor-

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RESISTENZA ALLA CORROSIONE

RESISTENZA ALLA FATICA RESISTENZA ALLA RIGATURA

GRIGLIA D'ARGENTO ARGENTO

ALLUMINIO (STAGNO 20 PER CENTO) LEGA D'ALLUMINIO

tante, ma se il materiale ha un certogrado di durezza le particelle si com-porteranno come utensili da lavorazio-ne abradendo la superficie del perno.Perciò per essere adatti all'impiego neicuscinetti, i materiali di maggiore resi-stenza alle sollecitazioni e di durezzaintermedia devono avere una buonaresistenza all'adesione.

Nel motore per automobile con cicloa quattro tempi il cuscinetto a striscia-mento è sottoposto a sollecitazioni ditipo dinamico. Durante la corsa di a-spirazione il pistone si muove verso ilbasso, aspirando una miscela di carbu-rante e aria nel cilindro. Nella corsadi compressione il pistone si muoveverso l'alto comprimendo la miscela.Nella corsa di lavoro la miscela vieneaccesa e il pistone è spinto verso ilbasso. Nella corsa di scarico il pistonesi muove verso l'alto espellendo dalcilindro i gas combusti. Ogni quattrocorse il carico sul cuscinetto si invertequattro volte sicché esso agisce primasu una parte e poi sull'altra del cusci-netto. Questa inversione di sollecitazio-ne permette al cuscinetto di pulirsi,sulla parte non sollecitata, delle parti-celle che vi sono parzialmente penetra-te. La penetrabilità del cuscinetto èdunque migliorata rispetto al livelloindicato nella teoria classica che pren-deva in considerazione solo sollecita-zioni unidirezionali.

Ci si potrebbe chiedere cosa succe-derebbe se un cuscinetto fosse comple-tamente ricoperto di particelle estranee,cioè se l'abrasivo formasse uno stratocontinuo sulla supérficie del cuscinetto.

Le prestazioni sarebbero compromessepoiché la superficie tenderebbe ad as-sumere le caratteristiche di un abrasi-vo, diventando in effetti molto più du-ra. Anche se la superficie più dura a-vesse una migliore resistenza all'adesio-ne, la sua nuova caratteristica abrasivaaumenterebbe l'usura del perno. Leparticelle le cui dimensioni si avvici-nano a quelle del gioco del cuscinettoproducono i danni maggiori. Le par-ticelle più piccole vengono allontanatepiù facilmente e quelle più grandi tro-vano difficoltà a entrare nel gioco;queste ultime tuttavia possono frantu-marsi dando luogo a particelle più pic-cole e provocando quindi danni. t im-probabile che questi problemi si presen-tino durante la vita di un tipico cusci-netto a strisciamento per motore d'au-tomobile se l'olio e il filtro dell'oliovengono cambiati agli intervalli sugge-riti dal fabbricante.

Altre proprietà

Una quarta proprietà richiesta a uncuscinetto a strisciamento è un'appro-priata resistenza alle sollecitazioni. Ilmotore d'automobile con ciclo a quat-tro tempi serve ancora di esempio. Suun cuscinetto a strisciamento due sol-lecitazioni sono particolarmente eleva-te: la spinta dovuta alla combustionedurante la corsa utile e la forza d'iner-zia che agisce alla fine di ogni corsaperché il movimento del pistone deveessere arrestato e invertito di senso. Laresistenza allo snervamento e quellaalla fatica del materiale del cuscinetto

devono essere tanto elevate da soppor-tare le sollecitazioni prodotte dalla for-za d'inerzia e dalla combustione. Lafatica provoca la formazione di incri-nature sulla superficie del cuscinetto ela conseguente liberazione di piccoliframmenti di metallo, che aumentanodi numero e vengono gradatamenteallontanati dando luogo a una superfi-cie non adeguata a sopportare il carico.D'altra parte, se il materiale del cu-scinetto è eccessivamente resistente al-le sollecitazioni, possono sorgere pro-blemi relativi alla adattabilità e allapenetrabilità.

La resistenza alla corrosione è laquinta proprietà richiesta a un cusci-netto. L'olio lubrificante, ossidandosi,diventa gradatamente acido. Alcuni oliminerali sviluppano un acido organicocomplesso che può attaccare i metallidel cuscinetto, per esempio il piomboe il cadmio. Nei motori moderni lacorrosione è un problema secondariograzie ai miglioramenti conseguiti nellametallurgia dei cuscinetti e nella com-posizione degli oli, sempre a condizioneche l'olio sia cambiato agli intervallistabiliti.

Infine sono talvolta importanti lecaratteristiche termiche dei cuscinetti.Il lubrificante asporta la maggior partedel calore che si produce durante ilmovimento, ma se il carico e la velo-cità sono elevati anche il perno e ilmanicotto devono condurre il calore,specialmente in condizioni di lubrifica-zione limite. Gli ingegneri calcolanoi limiti raccomandati di velocità e dicarico di un materiale con un fattorePV, in cui P è il carico unitario e Vla velocità di scorrimento. Se si sup-pone costante il coefficiente di attrito,il fattore PV fornisce un limite supe-riore per la quantità di calore genera-to per unità di superficie del cuscinetto.Generalmente i materiali per cuscinetticon basso coefficiente di attrito e conelevata conduttività termica hanno unfattore PV più alto.

Moderni materiali per cuscinetti

Il materiale del manicotto dovrebbeessere più tenero di quello del perno,ma in rare occasioni il progettista de-ve derogare da questo principio. Peresempio un cuscinetto che debba soste-nere un carico elevato viene general-mente realizzato con un sottile stratodi materiale tenero (per esempio metal-lo antifrizione) applicato su un suppor-to di maggiore resistenza. La resisten-za effettiva dello strato di rivestimentoviene esaltata dalla vicinanza del piùrobusto materiale di base. Un materia-le di rivestimento capace di buone pre-stazioni è una miscela di piombo, sta-

gno e rame applicati contemporanea-mente per elettrodeposizione.

Un cuscinetto progettato per un ca-rico basso o medio può essere realiz-zato o in metallo o in un materialenon metallico. Sono stati menzionati imetalli bianchi, detti anche metalli an-tifrizione; si tratta di leghe a base distagno, cadmio o piombo. Le leghemeno costose sono a base di piombo;in genere vengono indurite con anti-monio (con tenore dal 4 al 15 per cen-to) e rese resistenti alla corrosione constagno (3 per cento o più). I metallibianchi hanno eccellenti caratteristichedi penetrabilità e di resistenza alla ri-gatura e si può accrescere la loro capa-cità di carico riducendone lo spessore.

Anche le leghe di rame e piombosono adatte come materiale per cusci-netti; il loro tenore in piombo variadal 10 al 50 per cento. Queste leghevengono sintetizzate o fuse in un sup-porto generalmente di acciaio. Se ladispersione è uniforme, una lega rame--piombo ha una resistenza alla faticaabbastanza alta, che diminuisce aumen-tando il tenore del piombo con uncontemporaneo miglioramento della pe-netrabilità e della resistenza alla riga-tura. Nei cuscinetti a strisciamento deimotori di automobile o dei motori die-sel, la lega rame-piombo è in genererivestita con un sottile strato di me-tallo antifrizione. Un fenomeno cheinteressa i cuscinetti in rame-piomboè la corrosione poiché lo stagno con-tenuto nel metallo antifrizione tende adiffondersi nel rame accrescendo lapossibilità che il piombo venga corrosodagli acidi degli oli lubrificanti. Unmezzo per risolvere questo problemaè di inserire una sottile barriera dinichel fra il metallo antifrizione e lalega di rame. Lo stagno migra versoil nichel, ma se il suo tenore nel me-tallo antifrizione è abbastanza elevato,la sua concentrazione nel nichel potràraggiungere valori tali da limitarne ladiffusione prima che il suo tenore nelmetallo antifrizione scenda a un valoretale da far insorgere il problema dellacorrosione.

Lo schema indica le proprietà dei cusci-netti: la figura in alto a forma di romborappresenta un cuscinetto ideale. Accantoa tre altre proprietà è riportata la « pe-netrabilità » cioè la capacità della super-ficie del cuscinetto di consentire alle par-ticelle estranee abrasive di penetrarvi eimpedire così che danneggino perno emanicotto. Per esempio, un cuscinettòin griglia d'argento ha buona resistenzaalla fatica e alla corrosione, ma ha pene-trabilità e resistenza alla rigatura scarse.Il metallo bianco a base di piombopresenta buone caratteristiche di pene-trabilità e di resistenza alla rigatura.

PENETRABILITA

METALLO ANTIFRIZIONE A BASE DI STAGNO METALLO ANTIFRIZIONE A BASE DI PIOMBO

CADMIO-ARGENTO-INDIO RAME-PIOMBO

I difetti nella geometria del perno influiscono in modo notevole sul rendimento del-l'unità perno-manicotto. A causa dell'usura o di una fabbricazione scadente, un pernopuò presentarsi non perfettamente circolare, cioè ovalizzato (al, conico (b), a formadi clessidra (c) o di barile (d). Un altro problema è la presenza di « lobi » o ondu-lazioni della superficie che possono pregiudicare il funzionamento del cuscinetto.

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Superficie di un albero come si presenta in una microfotografia al microscopio elet-tronico a scansione con un ingrandimento di 750 diametri. Benché il perno, che faparte di un albero a gomiti di un automobile, sia stato rettificato con un alto gradodi levigatezza, esso non può essere perfettamente liscio. Il manicotto deve essere ingrado di venire occasionalmente in contatto con questa superficie senza rigarsi ousurarsi. Il risultato si raggiunge per mezze di un'adeguata lubrificazione e diun'oculata scelta del materiale del cuscinetto. Questo albero è in ghisa sferoidale.

Un altro materiale largamente im-piegato nei cuscinetti è il bronzo. Ilbronzo è una lega di rame con unoo più dei seguenti elementi: stagno, fo-sforo, zinco e piombo. Le boccole dibronzo allo stagno sono comuni nellemacchine che funzionano a velocitàmedie con carichi non molto elevati.

Alcuni tipi di leghe di alluminiopossono servire come materiale per cu-scinetti. Una di queste è una lega dialluminio con silicio (dal 3 al 5 percento) e cadmio (1 per cento); un'altraè una lega di alluminio con stagno(dal 5 al 7 per cento in leghe a bassotenore di stagno e del 20 per centocirca in leghe ad alto tenore di stagno)con l'aggiunta di rame, nichel, silicio omagnesio. Montate su un supporto inacciaio queste leghe offrono una buo-na resistenza alla fatica.

Le leghe di alluminio sono resistentialla corrosione, ma di qualità mediaper quanto riguarda la penetrabilità ela resistenza alla rigatura: esse vengo-no perciò spesso ricoperte con metalloantifrizione.

La prima lega di alluminio per cu-scinetti sviluppata negli Stati Uniti cir-ca 35 anni fa è stata il risultato dellavoro di Alfred W. Schluchter, prede-cessore dell'autore. Uno sviluppo re-cente, iniziato da Arnold O. DeHart,incorpora il metallo antifrizione nellalega di alluminio, in modo da evitarela costosa operazione di rivestimento.Una nuova lega per cuscinetti d'auto-mobile, sviluppata dall'autore e dalsuo assistente E.J. Shipek, è realizzata

in modo analogo a un comune mate-riale per cuscinetti, pur essendo costi-tuita di componenti differenti. In en-trambi i processi su un supporto diacciaio viene sinterizzata una matriceporosa nei cui interstizi viene colatoil metallo antifrizione. La matrice nor-male è composta per 1'85 per centodi rame e per il 15 per cento di nichel,mentre quella sviluppata dall'autore ènotevolmente meno costosa: infattipuò essere facilmente realizzata in spes-sore minore e può lavorare senza ri-vestimento aggiuntivo in metallo anti-frizione poiché è molto superiore allamatrice in rame e nichel nei confrontidella resistenza alla rigatura.

Si sente spesso parlare di boccoleautolubrificanti che sono definite « lu-brificate a vita ». Esse sono in genererealizzate con materiali a base di ra-me, sinterizzati in una matrice porosariempita o impregnata con un lubrifi-cante come per esempio olio, grafiteo bisolfuro di molibdeno. I cuscinettidi questo tipo vengono usati comune-mente in piccoli motori, in alcuni elet-trodomestici e nei cuscinetti dei giuntidella sospensione anteriore delle auto-mobili (i giunti sferici).

Materiali non metallici come le resi-ne termoplastiche, le materie plastichetermoindurenti, il politetrafluoroetilenee il carbonio-grafite sono buoni mate-riali per cuscinetti a causa dell'eccellen-te resistenza alla rigatura e alla corro-sione. In effetti resistono talmente benealla rigatura che la maggior parte diessi può funzionare con lubrificazione

scarsa o nulla. Le caratteristiche chelimitano le applicazioni dei materialiplastici e degli elastomeri sono la re-sistenza alle sollecitazioni e la condut-tività termica, che devono essere mi-gliorate per mezzo di rinforzi in fibraé di cariche metalliche. I materiali ce-ramici hanno una buona resistenza allacompressione e possono funzionare inmodo soddisfacente sotto vuoto e atemperature elevate.

Considerazioni di progetto

Il progetto di un cuscinetto a striscia-mento deve considerare il manicotto eil perno come un tutto unico. Le va-riabili principali sono il carico e lavelocità, ma il progettista deve anchetener conto delle condizioni di lubri-ficazione. Alcune illustrazioni di questoarticolo (in copertina e a pagina 51)mostrano cuscinetti a strisciamento do-tati di scanalatura. Le scanalature sononecessarie per assicurare la lubrifica-zione nei cuscinetti in cui cambia ilsenso di rotazione, ma non quello delcarico. Una condizione di questo tiposi presenta nel cuscinetto dello spinottodel pistone di un motore diesel. Ilmotore diesel è a due tempi: nella pri-ma fase il pistone è spinto verso l'altocomprimendo l'aria che è stata soffiatanel cilindro e il carico è supportatoda una metà del cuscinetto dello spi-notto del pistone. Alla fine della corsail carburante viene iniettato nel cilin-dro: l'aria compressa è tanto calda cheil carburante si accende spontaneamen-te e il pistone viene spinto verso il bas-so compiendo la seconda fase. L'altrametà del cuscinetto non è mai realmen-te sollecitata perché il pistone viene ar-restato e il suo movimento invertitofra la prima e la seconda fase dallapressione del gas piuttosto che dal cu-scinetto. Le scanalature assicurano lapresenza di un velo di lubrificante chegeneralmente è in condizioni di lubri-ficazione limite o in condizioni mistedi lubrificazione limite e idrodinamica.

In un cuscinetto che subisce un'in-versione del carico, per esempio uncuscinetto dello spinotto del pistone diun motore a quattro tempi, le scanala-ture non sarebbero adatte. In questocaso la lubrificazione (al momento del-l'inversione) è assicurata essenzialmen-te da un velo formato dall'effetto dicompressione esercitato dal carico sullubrificante; le scanalature potrebberodiminuire quest'effetto. L'esistenza diun velo di compressione è stata dimo-strata sperimentalmente nel 1944 daArthur F. Underwood dei Laboratoridi ricerca della General Motors.

Un altro fattore da tener presentenella progettazione è la relazione fra

il carico sul cuscinetto e la velocità difunzionamento. Il carico che un cusci-netto può sopportare senza gripparsi ènotevole alle basse velocità, diminuiscesensibilmente alle velocità intermedie,per risalire poi alle velocità più eleva-te. Le esigenze derivanti dal fattore PV(prodotto del carico unitario e dellavelocità di scorrimento) sono modestealle velocità basse, in corrispondenzadelle quali si instaura la lubrificazionelimite: il carico che può essere impo-sto a un cuscinetto ben progettato incondizioni di lubrificazione limite èrelativamente elevato.

Con l'aumento della velocità aumen-tano le esigenze derivanti dal fattorePV. Al crescere della temperatura laviscosità del lubrificante si riduce e di-minuisce la capacità di carico del cu-scinetto. La tendenza continua fino aquando la velocità raggiunge un valoresufficiente per sviluppare una notevolelubrificazione idrodinamica con conse-guenti condizioni miste di lubrificazionelimite e idrodinamica. La capacità dicarico del cuscinetto scende al minimo,ma la presenza di una certa lubrifica-zione idrodinamica contribuisce al raf-freddamento mediante il moto del lu-brificante. A ulteriori aumenti dellavelocità un cuscinetto ben progettatoin condizioni di lubrificazione idrodi-namica presenta una capacità di caricoin aumento.

La forma della superficie del pernoè importante nel progetto di un cusci-netto. La topografia del perno, termineche indica le caratteristiche dettagliatedella superficie, deve essere considera-ta in rapporto alla tolleranza richiestaper l'accoppiamento con il manicotto.Un perno non dovrebbe avere lobi »,un termine che indica le piccole ondu-lazioni della superficie. Ondulazioni diampiezza eccessiva influiscono negati-vamente sul cuscinetto e quindi i lobidel perno dovrebbero essere pochi edi ampiezza ridotta. Rugosità, dentel-lature, protuberanze, cavità e scanala-ture non intenzionali devono essere li-mitate per non ridurre drasticamentela capacità di carico del cuscinetto eaumentarne l'usura.

Difetti nella geometria del perno, de-terminati dall'usura e talvolta da unafabbricazione scadente, possono darluogo a problemi seri. I difetti com-prendono la conicità, l'ovalizzazione,la forma a clessidra e la forma a ba-rile e determinano in alcune zone unaumento e in altre una riduzione (tal-volta sufficiente a determinare lo sfre-gamento) dello spessore del velo di lu-brificante.

Spesso un cuscinetto deve essere co-struito in due parti allo scopo di mon-tarlo intorno all'albero. Ne è un esem-

pio il cuscinetto di banco, chiamatoanche supporto aperto. Il profilo diun tipico cuscinetto di banco è eccen-trico ed è disegnato m modo tale dafar supportare il carico al lubrificantenelle zone di alta pressione e da au-mentare il gioco in prossimità della li-nea di divisione. L'eccentricità nellezone di alta pressione migliora la ca-pacità di carico e l'aumento del giocoin corrispondenza della linea di divi-sione permette al cuscinetto di tollera-re un certo disallineamento. Le zone dialta pressione sono determinate dallesollecitazioni dovute alla combustionee alla forza di inerzia. Un progettosingolare sviluppato da DeHart in col-laborazione con Duane H. Harwickdella GM Delco Moraine estende lasuperficie della corona concentrica (al-lo scopo di aumentare ulteriormentela capacità di carico del cuscinetto)conservando il gioco (l'eccentricità) ailati. Questo cuscinetto è chiamato

Conecc » per progetto concentrico--eccentrico.

Un altro importante fattore di pro-getto è il rapporto fra la lunghezza eil diametro del cuscinetto (LID o LI2Rdove R è il raggio del cuscinetto). Ilrapporto usuale è compreso fra 5:1 eI 1. Rapporti più elevati (quando ilcuscinetto è più lungo) danno al cusci-netto una maggiore capacità di carico,ma fanno insorgere problemi di geo-metria, di allineamento e di spazio.D'altra parte se il diametro dell'unità(cioè il diametro del manicotto e ildiametro del perno) viene ridotto, au-mentando di conseguenza il rapporto,diventa critica la capacità del perno disupportare il carico senza inflessionesensibile.

Infine il progettista di un cuscinettodeve tener conto delle vibrazioni. Levibrazioni sono indotte dall'instabilitàderivante da mancanza di bilanciamen-to dell'albero o del perno. L'instabilitàpuò svilupparsi anche in alcune com-plesse condizioni di lubrificazione, divelocità, di carico e di progetto. Dah--chen Sun, collega dell'autore, ha ana-lizzato determinate instabilità per mez-zo di cuscinetti a strisciamento porosinei quali l'aria, usata come lubrifican-te, passa attraverso la parete del cusci-netto nel gioco esistente fra il manicot-to e il perno.

Riassumendo, la tecnologia dei cusci-netti a strisciamento è profondamentecambiata durante il lungo periodo nelquale essi hanno funzionato, qualun-que ne fosse il nome, in una grandevarietà di macchine, tecnologia che ètuttora in evoluzione grazie alle ricercheinternazionali che vengono effettuatenei campi dei materiali, della lubrifica-zione e della progettazione.

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