Cosa sono i cuscinetti autolubrificanti? Tipi, usi e selezione

Cosa sono i cuscinetti autolubrificanti e come funzionano

La caratteristica distintiva di un cuscinetto autolubrificante è la sua capacità di generare un film lubrificante continuo dall'interno del materiale del cuscinetto stesso, senza alcun apporto esterno. Ciò avviene attraverso uno dei tre meccanismi principali:

I cuscinetti a manicotto sono autolubrificanti?

I cuscinetti a manicotto (chiamati anche cuscinetti a strisciamento o cuscinetti portanti) possono essere lubrificati convenzionalmente o autolubrificanti a seconda del materiale di costruzione. La distinzione è importante quando si scelgono applicazioni esenti da manutenzione.

Cuscinetti a manicotto in bronzo sinterizzato sono il tipo di cuscinetto a manicotto autolubrificante più utilizzato. La norma ISO 2795 e lo standard MPIF 35 definiscono i requisiti relativi al contenuto di olio per questi componenti: una qualità standard contiene un minimo di 19% di olio in volume . Si trovano nei motori elettrici, negli elettrodomestici, nelle apparecchiature per ufficio e negli azionamenti ausiliari automobilistici dove l'accesso ai cuscinetti è sigillato o difficile.

Cuscinetti a manicotto in polimero solido realizzati in acetale (POM), nylon (PA6/PA66) o PEEK con additivi lubrificanti interni sono un altro formato di manicotto autolubrificante. Funzionano senza olio, il che li rende adatti alla lavorazione degli alimenti, ai dispositivi medici e alle applicazioni subacquee in cui è vietata la contaminazione da olio.

Cuscinetti a manicotto idrodinamici con supporto in acciaio - come quelli utilizzati nei grandi alberi a gomiti e nei perni delle turbine - non sono autolubrificanti. Richiedono una fornitura di olio sempre pressurizzata per mantenere il cuneo idrodinamico che separa l'albero dal cuscinetto. In questi modelli la mancata fornitura di olio provoca il guasto immediato dei cuscinetti.

I cuscinetti in ceramica sono autolubrificanti?

I cuscinetti in ceramica sono spesso commercializzati con la frase "funziona a secco", il che crea confusione sul fatto che siano veramente autolubrificanti. La risposta precisa è: no, i cuscinetti ceramici non sono autolubrificanti , ma le proprietà del materiale riducono significativamente i requisiti di lubrificazione rispetto all'acciaio.

Il nitruro di silicio (Si3N4), il materiale ceramico più comune per i cuscinetti, ha diverse proprietà che riducono la dipendenza dal lubrificante:

• Durezza superficiale di 1.400–1.600 alta tensione rispetto a 700–800 HV per l'acciaio per cuscinetti: riduzione dell'usura adesiva in condizioni di lubrificazione marginale
• Densità di 3,2 g/cm³ rispetto a 7,8 g/cm³ per l'acciaio: genera forze centrifughe inferiori sulla pista ad alta velocità, consentendo a pellicole lubrificanti più sottili di mantenere la separazione
• Basso coefficiente di dilatazione termica ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) — riducendo la variazione del gioco interno con sbalzi di temperatura che spremerebbero il lubrificante in un cuscinetto in acciaio
• Non magnetico ed elettricamente non conduttivo: previene la degradazione del lubrificante dovuta alle scariche elettrostatiche che si verifica nei cuscinetti in acciaio utilizzati nelle applicazioni con azionamento a frequenza variabile

In pratica, i cuscinetti interamente in ceramica possono sopravvivere per brevi periodi senza lubrificazione in condizioni pulite e di basso carico, in particolare a velocità molto elevate dove il tempo di contatto per giro è estremamente breve. Ma per un funzionamento prolungato, è comunque necessario un lubrificante, anche un minimo film secco, per prevenire l’affaticamento progressivo della superficie. I cuscinetti ceramici ibridi (sfere in ceramica, anelli in acciaio) richiedono quasi sempre una lubrificazione convenzionale.

I cuscinetti convenzionali necessitano di lubrificazione?

Sì, tutti i cuscinetti volventi convenzionali (cuscinetti a sfere, cuscinetti a rulli cilindrici, cuscinetti a rulli conici, cuscinetti ad aghi) richiedono lubrificazione per tutta la loro durata di servizio. Il lubrificante svolge quattro funzioni che nessuna geometria del cuscinetto da sola può replicare:

• Formazione del film elastoidrodinamico: Un film pressurizzato di Da 0,1 a 1,0 micron separa gli elementi volventi dalla pista sotto carico, impedendo il contatto metallo-metallo
• Dissipazione del calore: L'olio circolante nei cuscinetti di grandi dimensioni rimuove il calore generato dal contatto volvente e dalla resistenza della gabbia: fondamentale quando si opera oltre il 50% del carico dinamico nominale del cuscinetto
• Protezione dalla corrosione: Grasso e olio spostano l'umidità dalle superfici di contatto; senza lubrificazione, l'acciaio dei cuscinetti si corrode in poche ore in ambienti umidi
• Esclusione dei contaminanti: Il grasso contenuto nella cavità del cuscinetto crea una barriera fisica contro la polvere e le particelle abrasive che altrimenti causerebbero l'usura dei tre corpi

Le conseguenze di una lubrificazione inadeguata sono gravi: lo dimostrano gli studi condotti da SKF e NSK oltre il 36% dei guasti prematuri dei cuscinetti volventi sono attribuibili a problemi di lubrificazione, tra cui quantità insufficiente, tipo di lubrificante errato, lubrificante contaminato o intervalli di rilubrificazione errati. Per fare un confronto, i guasti per fatica con una corretta lubrificazione rappresentano solo il 14% dei guasti sul campo.

Tipi di cuscinetti autolubrificanti a confronto

La scelta del tipo corretto di cuscinetto autolubrificante richiede l'adeguamento delle condizioni operative alle capacità specifiche del materiale. La tabella seguente riassume i principali parametri prestazionali:

Dove i cuscinetti autolubrificanti superano le alternative lubrificate

Esistono ambienti operativi specifici a cui passare cuscinetti autolubrificanti offre vantaggi misurabili rispetto ai cuscinetti lubrificati convenzionalmente:

• Applicazioni oscillanti e a rotazione lenta: I cuscinetti lubrificati con grasso sottoposti a movimento oscillatorio lento (meno di 1 minuto al minuto) non generano mai un film idrodinamico: nella migliore delle ipotesi funzionano con lubrificazione limite. I cuscinetti a lubrificante solido gestiscono queste condizioni con coefficienti di attrito compresi tra 0,05 e 0,15 senza alcuna variazione del meccanismo di usura a bassa velocità.
• Ambienti lavabili e sommersi: Le linee di lavorazione degli alimenti, le attrezzature per l'autolavaggio e l'hardware marino sottopongono i cuscinetti all'ingresso di acqua che diluisce il grasso. I cuscinetti in polimero sinterizzato e il bronzo ricoperto di grafite eliminano completamente questa modalità di guasto.
• Zone ad alta temperatura: I grassi convenzionali si degradano sopra i 180°C; i grassi sintetici estendono questa temperatura fino a circa 260°C. I cuscinetti in bronzo con tappo in grafite funzionano continuamente a fino a 400°C nelle ruote dei forni, nei rulli trasportatori e nelle attrezzature dei forni per la ricottura del vetro.
• Ambienti sotto vuoto e camere bianche: Il grasso rilascia gas nel vuoto, contaminando strumenti ottici e apparecchiature a semiconduttori. I cuscinetti a film secco a base di PTFE sono standard nei meccanismi satellitari e nei tavolini dei microscopi elettronici in cui la pressione del vapore è inferiore 10⁻⁸Pa è richiesto.
• Riduzione dei costi del ciclo di vita: Uno studio sui programmi di sostituzione dei cuscinetti degli impianti municipali di trattamento delle acque ha rilevato che il passaggio delle boccole delle valvole a saracinesca da cuscinetti in bronzo lubrificato a cuscinetti impregnati di grafite ha ridotto i costi della manodopera di manutenzione di 62% per un periodo di 10 anni eliminando i cicli di reingrassaggio trimestrali.

Parametri di selezione chiave ed errori di dimensionamento comuni

Il valore PV – il prodotto della pressione del cuscinetto (P, in MPa) e della velocità di scorrimento (V, in m/s) – è il parametro di selezione principale per i cuscinetti a strisciamento autolubrificanti. Ogni materiale dei cuscinetti ha un valore PV massimo al di sopra del quale il film lubrificante non può essere sostenuto e la temperatura della superficie del cuscinetto sale a livelli distruttivi.

Tre errori di dimensionamento rappresentano la maggior parte dei guasti prematuri dei cuscinetti autolubrificanti sul campo:

• Ignorare il limite FV in condizioni di carico di picco: Un cuscinetto con valore nominale PV = 0,10 MPa·m/s può essere dimensionato correttamente per il funzionamento normale ma guastarsi durante l'avvio o il carico d'urto se il PV istantaneo in quei momenti non viene controllato. I valori PV di picco possono essere da 3 a 5 volte il valore di stato stazionario nei macchinari alternativi.
• Specifica errata della finitura della superficie dell'albero: Cuscinetti autolubrificanti require a shaft roughness of Ra da 0,4 a 0,8 micron per una formazione ottimale della pellicola di trasferimento. Gli alberi lucidati al di sotto di Ra 0,2 micron non forniscono una struttura di asperità sufficiente per l'ancoraggio del PTFE o della grafite, ritardando la formazione della pellicola e aumentando l'usura precoce. Gli alberi più ruvidi di Ra 1,6 micron abradono la superficie del cuscinetto prima che la pellicola possa formarsi.
• Sottostima degli effetti della dilatazione termica sul gioco: I cuscinetti in polimero hanno coefficienti di dilatazione termica da 5 a 10 volte superiori rispetto agli alloggiamenti in acciaio. Un cuscinetto in PEEK con gioco diametrale di 0,05 mm a 20°C può avere gioco (o interferenza) pari a zero a 150°C se il rapporto diametro alloggiamento-cuscinetto e la combinazione di materiali non sono calcolati correttamente in fase di progettazione.