Massimo Clarke: "A rulli e a sfere, le regole del gioco"
Le elevate sollecitazioni alle quali sono sottoposti gli elementi che costituiscono questi organi meccanici (basta pensare alle impressionanti pressioni che vengono raggiunte nelle zone ove le sfere e i rulli contattano le piste di rotolamento) rendono necessario l’impiego di materiali aventi caratteristiche meccaniche adeguate. Fondamentale è una elevatissima durezza, che viene raggiunta grazie a trattamenti termici eseguiti con un controllo estremamente accurato dei parametri in gioco (cioè temperatura e tempo, ovvero velocità di riscaldamento e di raffreddamento). Il materiale deve anche avere una grande resistenza a fatica ed elevate caratteristiche meccaniche.
Gli anelli e i corpi volventi vengono realizzati in acciaio, eccezion fatta per alcune esecuzioni speciali, costosissime e utilizzate solo in casi eccezionali, nelle quali le sfere o i rulli sono in ceramica. Il materiale standard, impiegato nella stragrande maggioranze dei casi, è l’acciaio 100 Cr6, contenente l’1% di carbonio e l’1,4% di cromo, più minori quantità di manganese e di silicio. Il trattamento termico è tipicamente costituito da una tempra, effettuata portando i pezzi a circa 850 °C e, dopo adeguata permanenza a tale temperatura, raffreddandoli repentinamente in olio, seguita dal rinvenimento. In questo modo al materiale viene impartita una durezza dell’ordine di 60-64 punti Rockwell. È di importanza estrema che l’acciaio sia molto puro e che in fase di produzione venga opportunamente degasato (l’operazione si effettua sotto vuoto); eventuali inclusioni non metalliche, tra le quali spiccano gli ossidi, sono deleterie soprattutto per la resistenza a fatica. In alcuni casi, per realizzazioni destinate ad usi particolari (come ad esempio l’impiego nei motori da corsa), si ricorre alla rifusione sotto vuoto.
L’adozione di sfere o rulli in ceramica offre vantaggi in termini di rigidezza e di leggerezza e riduce le esigenze in fatto di lubrificazione. La soluzione appare pertanto adatta in particolare quando i regimi di rotazione molto elevati. Pare che cuscinetti con i corpi volventi in ceramica siano stati impiegati sulle ultime Honda 500 da Gran Premio a due tempi. Oggi sfere di questo materiale vengono utilizzate in campo auto per i cuscinetti di alcuni turbocompressori, nei quali la loro ridotta inerzia contribuisce a migliorare la “risposta”. In questi casi si impiega in genere il nitruro di silicio (Si3 N4).
Gabbie d'acciaio e non
Ben diverso è il discorso per quanto riguarda le gabbie, per le quali si impiegano materiali anche molto differenti tra loro. Diversità sensibili si hanno anche a livello di disegno, con una suddivisione fondamentale tra quelle in due parti e quelle monolitiche (cioè ricavate dal pieno), e di procedimenti di fabbricazione. Le gabbie devono abbinare un peso ridotto a una notevole robustezza ed essere in grado di sopportare senza problemi vibrazioni e carichi impulsivi. Il materiale deve avere una buona resistenza all’usura, avere possibilmente un coefficiente di attrito ridotto (e/o una notevole capacità di ritenzione dell’olio) e garantire una elevata stabilità dimensionale.
La soluzione classica per i cuscinetti a singola corona di sfere prevede l’impiego di una gabbia in acciaio, costituita da due parti opportunamente conformate che vengono unite mediante chiodatura in fase di assemblaggio. Spesso si impiegano gabbie in tela bachelizzata o in resina fenolica, ma da tempo tra i materiali plastici utilizzati per questi componenti spicca la poliammide rinforzata con fibre di vetro. Tra i metalli, in aggiunta all’acciaio, per la fabbricazione delle gabbie, in particolare se destinate ad alloggiare e guidare rulli cilindrici, trova ampia utilizzazione il bronzo. I cuscinetti a rullini delle teste di biella costituiscono una categoria a sé stante, nella quale vengono di norma impiegate gabbie in acciaio, lavorate dal pieno e dotate di una geometria particolare, che spesso sono dotate di un sottile riporto superficiale di rame o di rame più un “velo” di argento dello spessore di qualche micron soltanto.
Precisione micrometrica
I cuscinetti a rotolamento sono organi meccanici dagli elevati contenuti tecnologici, che vengono prodotti da aziende specializzate in questo particolare settore, attrezzate con macchine utensili molto sofisticate e in possesso di uno straordinario know-how specifico. Per avere un’idea della precisione dimensionale necessaria per realizzare questi componenti, basta pensare che i rullini vengono suddivisi in classi dimensionali che variano di due micron in due micron, e questo per la normale produzione in gran serie. L’accuratezza geometrica non è certamente da meno. Oggi vengono realizzati cuscinetti nei quali il profilo dei rulli viene espresso matematicamente da una funzione logaritmica… La finitura superficiale delle piste di rotolamento dei corpi volventi è elevatissima (può anche arrivare a circa 0,05 micron Ra) e viene ottenuta mediante lappatura e/o lucidatura.
Grazie a poderosi programmi è possibile visualizzare al computer con grande precisione ciò che accade dopo che il cuscinetto è stato montato, ovvero le deformazioni che esso subisce, e anche ciò che avviene durante il funzionamento. L‘installazione con interferenza nell’alloggiamento determina una lieve ma certamente non trascurabile diminuzione del diametro dell’anello esterno. Ciò causa una riduzione del gioco e talvolta anche deformazioni della pista di rotolamento. Una notevole importanza ha la distribuzione del materiale attorno all’alloggiamento; nervature disposte non razionalmente possono determinare allontanamenti dalla perfetta circolarità dell’anello esterno, e non si deve dimenticare che qui anche il micron conta, specialmente se i cuscinetti sono destinati a motori di prestazioni molto elevate! I cuscinetti possono essere montati con un sensibile forzamento anche sull’albero, ma nel nostro settore in genere prevale la soluzione che prevede una notevole interferenza nell’alloggiamento e un accoppiamento solo leggermente forzato sull’albero.
L’interferenza di montaggio va calcolata con grande cura. Non deve essere né eccessiva né insufficiente; in questo secondo caso, quando si tratta dell’anello esterno, c’è il rischio che durante il funzionamento possa iniziare a muoversi, con conseguenze che in breve tempo possono risultare deleterie per l’alloggiamento. Non si deve trascurare naturalmente il fatto che se il cuscinetto è installato in un carter di alluminio, la dilatazione che l’alloggiamento subisce a caldo è nettamente superiore a quella dell’anello esterno, il che comporta una diminuzione dell’interferenza.
Al termine del processo produttivo e dei controlli finali, un cuscinetto destinato a carichi radiali (l’esempio più classico è costituito da uno di questi componenti con una singola corona di sfere), nella esecuzione normale, presenta un lievissimo gioco diametrale. In altre parole, tenendo fermo l’anello esterno, quello interno ha una piccola possibilità di movimento in senso radiale. Dopo il montaggio, l’interferenza determina una leggera diminuzione di questo gioco (i fattori in ballo sono lo spessore dell’anello forzato, il valore dell’interferenza e i materiali impiegati). Ma non è ancora tutto, perché durante il funzionamento in genere l’anello esterno lavora a una temperatura un poco più bassa, rispetto all’anello interno, il che causa una ulteriore lieve riduzione del gioco diametrale. Ci sono poi da considerare anche le deformazioni elastiche che hanno luogo in seguito alle sollecitazioni meccaniche. Di tutto questo è necessario tenere debito conto in fase di progettazione. È per questa ragione che vengono realizzati anche cuscinetti con gioco maggiorato. È infine importante osservare che ad alcuni cuscinetti in fase di montaggio va impartito un certo precarico.
grazie!