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Una classica situazione nei motori è quella di un albero che deve poter girare con il minimo attrito all'interno di un basamento, con due pareti di quest'ultimo che fungono da supporti. Questo è ciò che accade tipicamente nel caso degli alberi del cambio o dell'albero motore di un monocilindrico o di un bicilindrico a V o boxer (negli altri casi i supporti sono più di due). Poiché l'albero ruota, ogni cuscinetto deve essere dotato di un cuscinetto.

Naturalmente può accadere il contrario, come nel caso delle ruote, in cui tipicamente l'asse è fissato agli steli della forcella o ai bracci del forcellone e il mozzo gira. Anche qui l'uso dei cuscinetti è fondamentale. All'interno del motore molto spesso vengono utilizzate boccole per i supporti dell'albero motore e le bielle; negli altri casi, invece, si utilizzano praticamente sempre cuscinetti volventi, che il più delle volte sono del tipo a sfere. In questo caso, l'albero viene solitamente inserito con una leggera forza nell'anello interno del cuscinetto, che quindi ruota con esso. L'anello esterno, invece, è fisso, in quanto montato con una certa interferenza nel supporto, ovvero nella parete della base. Tra i due anelli vi sono le sfere (o rulli), opportunamente posizionate e distanziate tra loro dalla gabbia. La resistenza al moto è estremamente bassa e deriva sostanzialmente dalle minime deformazioni elastiche che si verificano a livello dei corpi volventi e delle piste, dalla presenza di olio (con una certa viscosità, ovvero un certo attrito interno) e dalla stessa modesto ma inevitabile sfregamento che avviene tra le sfere, o rulli, e la gabbia.

Pertanto, in questa tipica situazione l'anello interno gira con una certa velocità di rotazione, mentre quello esterno è fisso. Anche le sfere (o rulli) girano, ma in senso opposto a quello dell'albero e con una velocità che, ovviamente, è legata al loro diametro (considerato rispetto a quello della pista ricavata nell'anello interno). La gabbia invece ruota nello stesso senso dell'anello interno, ma con quasi la metà della velocità rispetto ad esso.

Significativo è il caso dei cuscinetti a rullini, utilizzati per le teste di biella di vari motori. Se si utilizzano rulli di grande diametro, la capacità di carico del cuscinetto è maggiore e la velocità di rotazione è inferiore. La loro massa è però elevata, il che crea problemi non trascurabili (maggiore inerzia = maggiori sollecitazioni, per non parlare della forza centrifuga) e anche la testa di biella è più grande e pesante. Se invece si utilizzano rulli di piccolo diametro, la loro massa è minore ma, fermo restando il diametro della pista interna, a parità di regime del motore la loro velocità di rotazione è significativamente maggiore, il che determina anche lo sviluppo di una maggiore quantità di calore. Insomma, i rulli piccoli girano troppo velocemente e quelli grandi hanno un peso che può essere eccessivo. E poi c'è la capacità di carico da considerare. Inevitabilmente, la scelta finale è quella del compromesso.

In teoria, il contatto tra una sfera e un piano è puntiforme. Lo stesso avviene tra le sfere e le piste dei cuscinetti in condizioni statiche. Se durante il funzionamento non si verificassero deformazioni elastiche, molto piccole ma comunque vitali, la pressione di contatto sarebbe inammissibile. Una forza divisa per una superficie puntiforme, cioè con estensione pari a zero, dà luogo ad una pressione infinita! Le deformazioni fanno sì che la superficie di contatto tra la sfera e la pista di rotolamento assuma la forma di una piccola ellisse. Le pressioni in gioco sono comunque imponenti, dell'ordine dei 4000 MPa (corrispondenti a circa 400 kg/mm2, ovvero 40.000 kg/cm2, per dare un'idea...), il che rende necessario l'utilizzo di materiali idonei, trattati in modo da hanno una durezza superficiale molto elevata.

Lo stesso vale ovviamente anche per i rulli. Quando uno di essi poggia su un piano o su una superficie curva come quella della pista, il contatto si riduce ad una retta (anche in questo caso l'area è pari a zero). Le deformazioni elastiche fanno assumere alla superficie di contatto una forma rettangolare di larghezza molto ridotta (e di lunghezza corrispondente a quella del rullo).

È interessante notare che durante il funzionamento, infatti, il carico viene trasmesso da meno della metà dei corpi volventi del cuscinetto in ogni singolo momento e che in questo contesto la distribuzione è comunque non uniforme. Se il cuscinetto deve trasmettere una forza che agisce verticalmente, dall'alto, la sfera inferiore sopporta la maggior parte del carico, le due ai suoi lati sopportano una "parte" minore e così via; le sfere nella metà superiore del cuscinetto praticamente non funzionano affatto.

I cuscinetti volventi di gran lunga più utilizzati sono i cuscinetti radiali rigidi a una corona, che gli americani chiamano scanalature profonde. Molto adatti per elevate velocità di rotazione, sono in grado di sopportare carichi assiali anche significativi. La loro capacità di carico è legata al numero di sfere, che a sua volta è determinato dal processo di costruzione. In questi cuscinetti c'è uno spazio considerevole tra una sfera e l'altra proprio per questo motivo. Con un diametro esterno di 72 mm e un diametro interno di 35 mm (questo è un cuscinetto 6207 ampiamente utilizzato) il numero di sfere solitamente presenti è nove, che non è molto. Si può evitare in buona parte utilizzando una fresatura laterale per l'introduzione delle sfere; la capacità di carico aumenta così del 30% e anche di più, ma il cuscinetto non è adatto a sopportare spinte assiali ed è in grado di tollerare solo errori di allineamento estremamente modesti. Un altro tipo di cuscinetto in cui è possibile introdurre un maggior numero di sfere tra i due anelli è quello separabile, a contatto angolare. La capacità di carico è superiore del 30-40%; per resistere a spinte assiali in entrambi i sensi, anche di notevole entità, questi cuscinetti devono essere utilizzati in coppia (sono infatti "unidirezionali"). Di grande interesse sono i cuscinetti a quattro contatti, in cui uno dei due anelli è in due parti e la scanalatura ha una geometria ad arco gotico. I cuscinetti a due corone di sfere sono spesso utilizzati per carichi molto elevati. Infine, i cuscinetti orientabili rientrano in una classe a parte.

Quando i corpi volventi sono rulli cilindrici, a parità di larghezza, la capacità di carico è notevolmente maggiore, rispetto a quelli con sfere a gola profonda. Tuttavia, questi cuscinetti nella loro esecuzione base (senza flange in entrambi gli anelli) non sono idonei a sopportare spinte assiali; tollerano anche disallineamenti molto modesti. Insomma, qualsiasi flessione dell'albero può metterli in crisi e può farli crollare rapidamente, come ben sanno gli inglesi Norton che nel 1972 dotarono i loro motori bicilindrici di cuscinetti di banco di questo tipo. Fu una vera catastrofe, che contribuì a dare il colpo di grazia all'azienda inglese, già in grave crisi. Oggi la maggior parte dei cuscinetti di questo tipo utilizzati nel nostro settore utilizzano rulli cilindrici con estremità opportunamente rastremate, che consentono di superare, almeno in buona parte, il problema... Esistono anche cuscinetti con rulli a botte, non adatti a velocità di rotazione ma in possesso di un'apprezzabile capacità di autoallineamento. E ci sono anche quelli con doppia fila di rulli (molto sensibili a possibili disallineamenti) e quelli senza gabbia, a pieno riempimento, che hanno un'ottima capacità di carico ma non sono adatti all'uso ad alte velocità.

Si parla di cuscinetti a rullini generalmente quando i corpi volventi cilindrici hanno una lunghezza superiore a quattro volte il loro diametro. Infine, i cuscinetti a rulli conici devono essere sempre utilizzati in coppia e devono essere opportunamente precaricati. Sopportano carichi radiali e assiali elevati ma non sono adatti a lavorare a velocità molto elevate.

Moto.it Quotidiano d'informazione motociclistica Reg. Tribù. Di Milano Num. 680 del 26.11.2003 © 1997-2021 CRM Srl PIva 11921100159