Cuscinetti a strisciamento: analisi tribologica delle superfici di scorrimento e degli approcci basati sulla progettazione

L’attrito è solitamente un parametro di perdita nei progetti meccanici che può portare a un aumento dell’usura e al guasto dei componenti. È causato spesso dal contatto con superfici che si muovono in direzione opposta. L’installazione di cuscinetti a strisciamento è uno dei modi per facilitare il movimento a basso attrito tra questi componenti. Ma come funzionano i cuscinetti a strisciamento? In che modo l’attrito viene ridotto al minimo dai cuscinetti a strisciamento e quali sono gli approcci basati sulla progettazione per ottimizzare il movimento a basso attrito? Questo articolo fornisce una panoramica del mondo della tribologia (teoria dell’attrito) e della sua importanza per l’uso dei cuscinetti a strisciamento.

Che cos’è la tribologia e perché un’analisi ha senso per i cuscinetti a strisciamento?

La tribologia è detta anche teoria dell’attrito e, in parole semplici, si occupa del comportamento di attrito di diverse superfici l’una contro l’altra. La tribologia si distingue in tre aree centrali: Attrito, usura e lubrificazione.

Cos’è l’attrito?

L’attrito è la resistenza al movimento tra due particelle o superfici a contatto di un corpo. Viene fatta una distinzione generale tra attrito esterno e interno. L’attrito esterno include l’attrito statico, l’attrito di scorrimento e l’attrito di rotolamento. L’attrito interno di un corpo, gas o liquido è chiamato attrito viscoso e causa la duttilità del materiale.

In particolare l’attrito esterno influenza il comportamento di usura dei materiali e nella maggior parte dei casi porta a un’usura maggiore o più rapida. L’usura è la perdita progressiva di materiale dovuta a una causa meccanica. Si verifica quando i corpi sfregano troppo a lungo o troppo duramente. Ciò può accadere, ad esempio, quando due componenti non protetti si toccano e si muovono simultaneamente l’uno rispetto all’altro. Attrito e usura sono i cosiddetti parametri di perdita. L’usura è solitamente evidente da un cambiamento della superficie del materiale. La lubrificazione viene applicata su questo punto: I lubrificanti agiscono come agenti di rilascio che riducono l’attrito. Proteggono le superfici di contatto e quindi riducono al minimo attrito e usura. Le particelle di calore e usura vengono rimosse contemporaneamente.

Il compito principale dei cuscinetti a strisciamento è garantire un movimento a basso attrito di due superfici mobili l’una contro l’altra. I cuscinetti a strisciamento rendono tutto ciò possibile grazie al materiale dei cuscinetti lisci stessi, alla conservazione dei lubrificanti o a una struttura speciale. Oltre a ridurre l’attrito, l’uso di lubrificanti migliora anche la levigatezza e le caratteristiche operative generali di un cuscinetto. Un’analisi tribologica è quindi piuttosto utile.

Panoramica dei tipi di usura

Esistono diversi tipi di usura indotta da cause diverse:

• Adesione: viene creato un legame atomico tra i corpi. Causa: Interazione molecolare delle diverse superfici.
• Abrasione: Il corpo della base è graffiato o microlavorato. Causa: La rugosità raggiunge il picco nel corpo opposto, le particelle dure nel mezzo intermedio.
• Reazione tribochimica: I corpi di base e i corpi opposti reagiscono con le particelle ambientali e lubrificanti. Causa: Le superfici vengono attivate chimicamente a causa dell’attrito. Una delle modalità di usura più comuni.
• Decomposizione superficiale: Si formano crepe, che continuano a crescere fino al distacco delle singole particelle. Causa: Tensioni alternate nelle aree superficiali del corpo.

Lubrificanti

I lubrificanti sono utilizzati per ridurre l’attrito e la corrosione. La creazione di un’interfaccia lubrificante riduce o impedisce il contatto diretto tra due partner di attrito. Nella maggior parte dei casi il lubrificante è composto da un olio base, regolato in base agli usi previsti rispettivamente da additivi aggiuntivi. I lubrificanti sono disponibili in versioni solide, liquide o gassose con viscosità diversa.

Oli

Gli oli sono costituiti da un olio base, ad es. olio minerale, estere o poliglicole e diversi additivi. Sono buoni conduttori termici e possono essere utilizzati ad alte temperature e velocità, ad es. in cuscinetti a strisciamento e catene. Gli additivi vengono utilizzati per regolare intenzionalmente le proprietà dell’olio, ad esempio per ridurre l’usura o la corrosione. Gli oli possono essere utilizzati anche per la pulizia poiché assorbono le particelle di sporco.

Grassi

I grassi sono costituiti da un olio base e da un addensante (chiamato anche sapone). L’addensante determina le caratteristiche prestazionali. I grassi rimangono direttamente nel punto di lubrificazione e contrastano in modo permanente l’attrito. Forniscono protezione contro l’ingresso di umidità e sporco.

Lubrificanti solidi

I lubrificanti solidi, ad es. grafite o solfuro di molibdeno, vengono utilizzati in forma solida. Producono un attrito molto basso e presentano una resistenza alle alte temperature. I lubrificanti solidi vengono utilizzati, ad esempio, ogni volta che non è possibile utilizzare i lubrificanti liquidi, ad esempio in ambienti a vuoto o a temperature estreme.

Classi di viscosità

La viscosità è una proprietà definita per liquidi e gas (collettivamente indicati come fluidi) e rappresenta l’attrito interno dei liquidi. La viscosità è il risultato delle forze attraenti delle particelle nel fluido ed è generata dall’attrito interno dei fluidi. La viscosità influisce quindi direttamente sull’attrito. Gli oli motore, i fluidi per trasmissione e i lubrificanti industriali hanno classi di viscosità specifiche; ad esempio sono classificati in base a SE (Society of Automotive Engineers) o ISO.

Tuttavia la viscosità dipende anche dalla temperatura del lubrificante. Quindi livelli di viscosità diversi sono indicati spesso per due stati. Per gli oli motore, come SE 5W-30 o SE 15W-40, il primo numero indica fluidità a basse temperature e il secondo numero indica viscosità a temperatura di esercizio, ad esempio, più basso è il numero, più fluido è l’olio.

In generale esistono le viscosità seguenti:

• Viscosità bassa: Materiali altamente liquidi come acqua o benzina che fluiscono facilmente e rapidamente senza resistenza. Utilizzato per carichi di compressione bassi e velocità di scorrimento elevate.
• Viscosità media: Materiali viscosi, come olio di colza o melassa, che fluiscono più lentamente e con una resistenza notevole.
• Viscosità alta: Sostanze pastose, come gli adesivi, che sono molto spesse e quindi fluiscono pesantemente e lentamente con un’elevata resistenza. Spesso presentano proprietà plastiche. Utilizzate per carichi di compressione alti e velocità di scorrimento basse.

Fondamenti dei cuscinetti a strisciamento

I cuscinetti a strisciamento sono robusti e affidabili. Superfici di scorrimento speciali consentono un movimento di attrito ridotto del componente di contatto. A differenza dei cuscinetti volventi, un componente supportato da un cuscinetto a strisciamento scivola su una superficie a cuscinetto. Le forze da assorbire non sono distribuite su singoli punti, come su un cuscinetto a sfere, ma su un’area più ampia. Di conseguenza possono essere assorbite forze più elevate. I cuscinetti a strisciamento sono caratterizzati anche da una progettazione semplice e salvaspazio e da proprietà di assorbimento del rumore e delle vibrazioni. I cuscinetti a strisciamento possono essere realizzati in varie forme, ad esempio come boccole, piastre o barre. L’attrito di scorrimento, che agisce contro la forza di spinta, si verifica durante il movimento di scorrimento. Quindi è utile lubrificare i cuscinetti a strisciamento con un mezzo intermedio che riduce l’attrito.

È possibile lubrificare, ad esempio, mediante uno dei seguenti modi:

• Gas (separa le superfici a temperature estremamente basse)
• Olio (ad es. per cuscinetti a strisciamento idrodinamici)
• Lubrificanti solidi (ad es. a temperature elevate o con forze centrifughe)
• Campi magnetici (ad es. nelle camere bianche).

Selezione dei cuscinetti a strisciamento

Esistono vari tipi di cuscinetti a strisciamento. Ad esempio, MISUMI offre cuscinetti a strisciamento senza manutenzione sui quali le boccole sono bagnate direttamente con lubrificante o sono dotate di lubrificante incorporato o di boccole guida con lubrificazione. Ciò non richiede alcuna o solo una rilubrificazione rara. I cuscinetti a strisciamento senza manutenzione sono consigliati per carichi pesanti e condizioni difficili. Esistono diverse versioni del materiale: Bronzo sinterizzato, fusioni, lega di rame, plastica e varie varianti di strati composti.

Le forme comuni includono:

• Dritto: può essere montato facilmente se non è necessario alcun supporto aggiuntivo, ad es. movimento assiale dell’albero
• Con flangia: Le flange forniscono stabilità e facilità di montaggio
• Versioni a pressione (standard, foro per la vite) per collegamenti permanenti tra cuscinetto e corpo, migliore distribuzione del carico
• Le rondelle proteggono le superfici dei cuscinetti, distribuiscono la pressione in modo uniforme
• Piastre scorrevoli: Forniscono un’ampia area di contatto per una migliore distribuzione della pressione e un attrito ridotto

La tabella seguente fornisce una panoramica delle varie forme:

Come nell’esempio qui, è possibile utilizzare cuscinetti a strisciamento semplici in una leva a camme:

Per ulteriori informazioni sulla selezione dei cuscinetti a strisciamento vedere il nostro articolo: Cuscinetti a strisciamento - Risparmi sui costi attraverso prodotti economici.

Approcci basati sulla progettazione per ottimizzare la lubrificazione

Esistono diversi approcci basati sulla progettazione per garantire una lubrificazione efficace. In un ambiente polveroso e aggressivo, ad esempio, si consiglia di fornire cuscinetti a strisciamento con una guarnizione. Ciò mantiene il funzionamento e la lubrificazione. Quando si usano le guarnizioni, è vantaggiosa una superficie liscia della superficie di scorrimento. Allo stesso tempo una superficie liscia significa anche che gli oli non aderiscono bene. La scelta del lubrificante deve essere regolata di conseguenza.

Le scanalature possono essere utilizzate anche per ottimizzare le prestazioni di lubrificazione. Le scanalature di lubrificazione, ad esempio lungo la superficie di scorrimento possono fungere da serbatoio per i lubrificanti e quindi garantire una fornitura continua di lubrificante. Quando si utilizzano additivi solidi, si consiglia anche di utilizzare scanalature o fori nella zona di scarico, poiché alcuni solidi tendono a formare paste, il che riduce la vita utile del cuscinetto a strisciamento. A seconda del lubrificante è necessario selezionare anche una forma della scanalatura adeguata e aggiungere i fori di lubrificazione secondo necessità. Le tasche a forma di diamante sono adatte per la lubrificazione a grasso, i tappi sferici per lubrificanti liquidi e oli lubrificanti e le perforazioni o i fori di lubrificazione quando si utilizzano oli lubrificanti e grassi.

La selezione del materiale può anche essere importante per ottimizzare la lubrificazione o ridurre al minimo l’attrito di scivolamento, anche senza aggiungere un lubrificante. Le superfici meccanicamente lisce, ad esempio, hanno un buon comportamento di microsfere, che riduce l’attrito. Tuttavia, come già detto, gli oli non aderiscono bene in questo caso. I metalli sinterizzati hanno strutture e proprietà speciali che facilitano la lubrificazione. La loro struttura porosa supporta l’assunzione di lubrificante creando un serbatoio del lubrificante. Un altro approccio è quello di utilizzare un trattamento superficiale. Gli strati scorrevoli in PTFE, grafite o ceramica possono migliorare la lubrificazione dei cuscinetti a strisciamento. Ad esempio, le ceramiche offrono anche una resistenza alle alte temperature e il PTFE offre una buona resistenza chimica, che espande anche il campo di applicazione dei cuscinetti a strisciamento.