Lubrificazione a fluido e cuscinetti
Fluidostatica e fluidodinamica, tipi di olio e cuscinetti a sfere
Tra le cose che detestavo da bambino, ricordo la catena della bicicletta; era una cosa inaffidabile, sempre ricoperta da uno strato di unto appiccicoso che sporcava le mani quando scendeva dal suo percorso e richiedeva il mio intervento. Sapevo però che senza quella roba sgradevole, come il catrame abbondante, caldo e disciolto sulla strada di casa mia nel mese di agosto, la bici cigolava in modo vergognoso.
Quella della bicicletta e della moto è la trasmissione più comune, formata da una catena e due ruote dentate, una solidale al motore e l’altra alla ruota motrice, dove la lubrificazione mediata o perfetta fornita dal fluido lubrificante che s’insinua nel meato è fondamentale per il corretto funzionamento del sistema.
Lubrificazione idrostatica o fluidostatica
Nella catena della moto la permanenza del lubrificante è assicurata dalla sua capacità di aderire stabilmente alle superfici e di mantenere il meato. Per ridurre attrito e usura nelle applicazioni industriali è possibile introdurre un cuscinetto di fluido lubrificante prodotto da una pompa a circuito chiuso; i membri della coppia cinematica possono rimanere fermi tra loro (funzione statica) perché il meato è garantito dall’azione della pompa.
I cuscinetti reggispinta sono a carico assiale; nella figura seguente il membro a telaio è in basso, mentre quello solidale al corpo da mettere in rotazione in alto (tavola rotante idrostatica). I fori multipli d’immissione dell’olio in pressione portano il flusso dall’anello inferiore verso l’anello superiore.
I cuscinetti portanti sono a carico radiale; nella figura seguente il membro a telaio è quello esterno, mentre quello solidale al corpo da mettere in rotazione è quello interno (albero rotante). I fori multipli d’immissione dell’olio in pressione portano il flusso dall’anello esterno verso l’anello interno.
Lubrificazione idrodinamica o fluidodinamica
Quando l’olio è a contatto di una superficie cilindrica che ruota all’interno di un’altra superficie cilindrica, il lubrificante è trascinato e compresso in un meato convergente (funzione dinamica). Se non c’è rotazione, il meato non si forma, quindi l’attrito tra i membri è di tipo con lubrificazione limite (µ ll 0,05 anziché µ lm 0,001).
Cuscinetti reggispinta a carico assiale; nella figura seguente il membro a telaio è in basso, mentre quello solidale al corpo da mettere in rotazione in alto. Il meato convergente si forma tra i pattini piani del corpo superiore che ruota e i pattini inclinati contro-rotazione (fissi o autoregolabili) del corpo inferiore che rimane fermo.
Cuscinetti portanti a carico radiale; nella figura seguente il membro a telaio è quello esterno, mentre quello solidale al corpo da mettere in rotazione è quello interno (albero rotante). In questo caso i pattini sono tangenziali, il meato convergente si forma ancora grazie alla loro inclinazione contro-rotazione (fissi o autoregolabili).
Tipi di lubrificanti
Gli olii sono lubrificanti allo stato liquido di origine minerale o sintetica, aderiscono molto bene alle superfici metalliche e creano degli strati spessi. Si possono aggiungere additivi per conservare le loro caratteristiche iniziali per lunghi periodi; antiossidanti e antischiumaggio per evitare la formazione di bolle d’aria.
L’olio minerale si ottiene attraverso il processo di distillazione e raffinazione del petrolio, è facilmente reperibile sul mercato sia sotto forma di nuova produzione che di olio rigenerato. L’olio sintetico invece identifica un’ampia famiglia di soluzioni ottenute attraverso processi di sintesi a partire dai “mattoni” chimici elementari.
I lubrificanti formulati da olii sintetici possiedono prestazioni notevolmente superiori rispetto alle omologhe soluzioni minerali
Per il raffreddamento di utensili ad alta velocità è consigliata l’emulsione, due liquidi che non si mescolano come acqua, olio e additivi. Esistono anche lubrificanti semisolidi come il grasso e solidi come la grafite, metalli teneri e il vetro in particelle.
La caratteristica distintiva degli olii è la viscosità, cioè la resistenza all’espansione su di una superficie, da non confondere con la densità che rimane costante in base alla temperatura.
Ad esempio, il miele è poco viscoso d’estate quando è quasi liquido, d’inverno diventa molto viscoso, quasi solido.
Classificazione API e SAE
La classificazione degli olii avviene secondo gli standard stabiliti da API (American Petroleum Institute) e SAE (Society of Automotive Engineers). Secondo la classificazione SAE esistono sette livelli di viscosità per i motori a scoppio, da 5W (poco viscoso, per basse temperature) a 50 (molto viscoso, per alte temperature). Per i climi temperati esistono gli olii multigrado 10W – 30, 40, 60 che hanno caratteristiche di viscosità adatte a diverse temperature.
Cuscinetti volventi, a sfere o a rulli
L’industria meccanica dispone quindi di sistemi semplici o complessi, meccanici o a fluido, pronti da interporre tra telaio (fisso) e membro cinematico (in moto rotatorio) chiamati genericamente cuscinetti.
I più comuni sono quelli meccanici chiamati cuscinetti volventi a sfere o a rulli che hanno lo stesso coefficiente di attrito di quelli a fluido; la lubrificazione mediata o perfetta è utilizzata per applicazioni speciali, per velocità o forze elevate.
µ v 0,001 = µ lm 0,001
Cuscinetti reggispinta o spingenti a carico assiale; i membri cinematici si chiamano anelli (sinistro-destro, interno-esterno), sfere o rulli, e gabbia per mantenere in posizione le sfere o i rulli. Nella prima figura il membro a telaio è in basso, mentre quello solidale al corpo da mettere in rotazione in alto. Nella seconda figura, il cuscinetto con elementi volventi a rulli, a tronco di cono, è spingente e portante allo stesso tempo quindi può essere montato in qualsiasi posizione.
Cuscinetti portanti a carico radiale o tangenziale; il membro a telaio è quello esterno, mentre quello solidale al corpo da mettere in rotazione è quello interno (albero rotante), ma è possibile invertire l’applicazione.
Esistono molti tipi di cuscinetti, diversi tra loro per diametri, larghezze, dimensioni e serie di sfere o rulli; il più interessante tra tutti è quello oscillante a rulli, che permette alcuni gradi d’inclinazione tra l’anello esterno solidale al telaio e quello interno solidale all’albero in moto rotatorio.
Anche nei cuscinetti volventi la lubrificazione è importante, più che per ridurre l’attrito (già equivalente a quello massimo della lubrificazione mediata o perfetta) per isolare le coppie cinematiche rotoidali dalle impurità esterne e dall’ossidazione che potrebbero compromettere velocemente il funzionamento originale del meccanismo, specialmente se la velocità di rotazione è elevata.
