Massimo Clarke: "I cuscinetti volventi, a rulli e a sfere" (parte prima)

di Massimo Clarke

Tra i molti organi meccanici essenziali, i cuscinetti volventi lo sono più di tutti, e non solo per i motori! Senza di loro non andremmo da nessuna parte… Ecco come sono fatti e come funzionano | M. Clarke

di Massimo Clarke

7 agosto 2014

Secondo un vecchio detto della meccanica, tutto quello che ruota lo fa su cuscinetti. E le cose stanno proprio così. Certe volte questi componenti non si vedono neanche, ma ci sono; vengono infatti ricavati direttamente nelle pareti dei supporti. Quelli sui quali girano gli alberi a camme, ad esempio, molto spesso sono integrali con la struttura della testa (completa di coperchio). Si tratta in questo caso di cuscinetti piani, ovvero a strisciamento, e la soluzione descritta può essere attuata in quanto le velocità di rotazione sono relativamente contenute, i carichi in gioco non sono molto elevati, la lubrificazione è adeguata e il metallo è di tipo adatto. Le leghe di alluminio, infatti, hanno in genere caratteristiche tribologiche più che buone.

Non per nulla ci sono stati in passato anche casi nei quali si impiegavano bielle di alluminio che lavoravano direttamente sul perno dell’albero, senza alcuna bronzina interposta. Questo accade tuttora in alcuni piccoli motori ausiliari, nei quali le potenze in gioco sono molto basse ed i regimi di rotazione addirittura ridicoli (almeno per gli standard motociclistici). In tutti gli altri casi nei quali si impieghino cuscinetti a strisciamento, però, vengono utilizzate le bronzine (in due parti o anulari, a seconda del tipo di applicazione). Il termine è un poco improprio, perché spesso di bronzo non vi è neanche traccia, ma oramai è entrato nell’uso comune. A rigore si dovrebbe parlare di cuscinetti a guscio sottile e di bussole, o boccole. Queste ultime sono spesso monometalliche (e allora il materiale impiegato è in genere il bronzo): un tipico impiego si ha nei piedi di molte bielle.

Sono invece del primo tipo i cuscinetti di banco e di biella utilizzati in molti motori motociclistici e in tutti quelli delle auto, costituiti da uno o due strati di materiale antifrizione di modesto spessore applicati su di un sottile guscio di acciaio, che il più delle volte è diviso in due parti, ovvero in due “semigusci”. Durante il funzionamento normale, queste bronzine sono separate dai perni dell’albero da uno strato di olio che impedisce il contatto tra le due superfici metalliche. Lavorano, cioè, in un regime di lubrificazione idrodinamico. La resistenza al movimento è data solo dall’attrito interno del fluido, ossia dalla viscosità dell’olio.

L’altra grande famiglia di cuscinetti è costituita da quelli volventi, ovvero a rotolamento. La struttura di uno di essi prevede un anello esterno (montato nel supporto) e uno interno (inserito sull’albero); tra di essi sono interposti dei rulli o delle sfere. È ovvio che le condizioni di lavoro sono molto differenti, rispetto alle bronzine; l’attrito in gioco è infatti volvente.

A ideare i cuscinetti radiali a sfere in una versione che già si può definire moderna, con tanto di gabbia, è stato Leonardo da Vinci attorno al 1500

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Il principio in base al quale essi funzionano è noto dall’antichità. Già gli egizi, e dopo di loro i greci, per trasportare le imbarcazioni via terra ponevano sotto di esse dei grossi rulli di legno. Un analogo sistema veniva impiegato per spostare grossi massi destinati all’edilizia. In fondo al lago di Nemi è stata trovata una nave romana, risalente al primo secolo avanti Cristo, nella quale veniva utilizzato un grosso cuscinetto reggispinta con sfere di legno. A ideare i cuscinetti radiali a sfere in una versione che già si può definire moderna, con tanto di gabbia, è stato Leonardo da Vinci attorno al 1500. Per arrivare alla produzione industriale dei cuscinetti volventi si è dovuta però attendere la fine del XIX secolo.

Dunque, un cuscinetto a rotolamento è costituito da due anelli di acciaio tra i quali viene piazzata una serie di sfere o di rulli. Quasi sempre questi corpi volventi non sono liberi, ma vengono separati, e sono accuratamente guidati da una “gabbia”. In questo modo non strisciano uno contro l’altro e rimangono nella corretta posizione di lavoro. Se si tratta di rulli, ciò vuol dire che rimangono perfettamente paralleli tra loro e con l’asse dell’albero. A questi cuscinetti “radiali” si aggiungono quelli che hanno la funzione di sopportare i carichi assiali, ovvero i “reggispinta”. Esistono poi diversi tipi in grado di sopportare carichi tanto radiali quanto assiali.

I cuscinetti a rotolamento sono molto meno esigenti delle bronzine, in fatto di lubrificazione. Nelle applicazioni motoristiche, pur in presenza di carichi cospicui e di elevate velocità, sono adeguati anche i semplici sistemi a sbattimento, o a nebbia. I motori a due tempi non possono essere dotati di impianti di lubrificazione con circolazione di olio in pressione; per far sì che i loro cuscinetti di banco e di biella funzionino senza problemi per chilometraggi elevatissimi, basta una modesta quantità di olio, che li raggiunge sotto forma di minuscole goccioline, trasportate nel carter assieme al carburante durante la fase di aspirazione.

Quando le velocità di rotazione non sono elevate è sufficiente fare ricorso a del grasso, che spesso viene introdotto nella zona di lavoro all’atto della fabbricazione; in tal caso il cuscinetto viene dotato di adatti elementi di tenuta che impediscono l’ingresso di acqua e sporcizia e la fuoriuscita del grasso stesso. In questi cuscinetti stagni la lubrificazione è quindi “for life” (nessun bisogno di manutenzione per tutta la loro vita utile!). Cuscinetti di questo tipo vengono impiegati da molti anni sui perni ruota delle moto. Di recente la loro utilizzazione si è estesa, almeno in larga misura, anche alle articolazioni delle sospensioni posteriori.

In questo semicarter di un monocilindrico a due tempi si possono osservare i cuscinetti a rotolamento che supportano l’albero a gomiti, quelli del cambio e l’albero ausiliario di equilibratura

I cuscinetti a rotolamento vengono realizzati in una grande varietà di tipi. Quelli per carichi radiali possono essere rigidi od orientabili, con una o due corone di sfere, oppure a rulli cilindrici o a botte. I cuscinetti a sfere possono anche essere “obliqui” o del tipo a quattro contatti. Poi ci sono quelli per carichi assiali, tanto a sfere quanto a rulli. In una classe a sé stante rientrano i cuscinetti a rulli conici, che sono in grado di sopportare carichi sia radiali che assiali e che vanno sempre impiegati in coppia. Pure i classici cuscinetti radiali a sfere (che sono i più semplici e i più economici) sono in grado di sopportare spinte assiali, purché non siano molto elevate. È per questa ragione che in molti motori con cuscinetti di banco a rotolamento, almeno uno è a sfere (e in tal caso l’albero a gomiti viene saldamente vincolato al suo anello interno anche assialmente).

In campo motociclistico, i cuscinetti volventi vengono spesso utilizzati per supportare l’albero a gomiti e quelli a camme; inoltre, hanno impiego universale per gli alberi del cambio. Talvolta oscillano su di essi anche i bilancieri, che in vari casi contattano la camma tramite un rullo. Lavorano su cuscinetti di questo tipo pure il fulcro del forcellone oscillante (fanno eccezione solo le realizzazioni molto economiche) e il perno del piantone di sterzo. In una categoria a parte rientrano i cuscinetti di biella, quando sono del tipo a rotolamento: in tal caso si impiegano dei rullini (cioè dei rulli con diametro molto piccolo, in rapporto alla lunghezza) separati e guidati da un’apposita gabbia, e non ci sono un anello interno e uno esterno; le piste di rotolamento dei corpi volventi sono infatti ricavate direttamente nell’occhio della biella e nel perno di manovella dell’albero, le cui superfici devono ovviamente avere una grande durezza e devono essere lavorate in modo da ottenere una finitura molto elevata.