Nell’ambito di una serie di studi effettuati dai ricercatori SKF in collaborazione con diverse università europee, si è potuto constatare come la rugosità delle superfici dei cuscinetti influisca in vario modo sulle prestazioni dei cuscinetti stessi. Una migliore comprensione del ruolo di questa caratteristica apre interessanti opportunità di estendere la durata oltre i limiti teorici odierni.

Le migliori conoscenze attuali si riferiscono alle influenze esercitate dalla rugosità sulla formazione del film lubrificante, sul rodaggio, sull’attrito e sulla durata di esercizio. Modificandone opportunamente la struttura si può migliorare la funzionalità dei cuscinetti volventi, specialmente in condizioni di lubrificazione scarsa.

La SKF ha compiuto il primo importante passo avanti in questa direzione elaborando una metodologia che consente di determinare le prestazioni attuali e di offrire elementi per migliorare quelle future. L’attenzione dei ricercatori si è concentrata sulle piste e sui corpi volventi. La fig. 1 mostra una tipica struttura superficiale, che costituisce il punto di partenza per una nuova teoria avanzata sulla rugosità e sulle prestazioni dei cuscinetti.

Gli ingegneri hanno cominciato a indagare più a fondo sulla superficie dei cuscinetti da quando, con i progressi nella fabbricazione dell’acciaio, il tradizionale affaticamento non è più la causa principale di cedimento. Ne hanno infatti preso il posto i danneggiamenti che si originano in superficie, conseguenti alla presenza di un film non in grado di separare efficacemente le superfici, a causa di alte temperature di funzionamento, basse velocità o lubrificazione carente.

In precedenza, progettisti e costruttori di cuscinetti pensavano che per avere lunghe durate i cuscinetti dovessero avere preferibilmente superfici lisce e in produzione veniva fatto ogni sforzo per cercare di eliminare ogni imperfezione. Però i ricercatori avevano già da tempo pensato che opportune modifiche della topografia o della trama superficiale dei cuscinetti sarebbero state un modo per ridurre i problemi che hanno origine in superficie. Una riduzione della rugosità superficiale non è del resto né efficace né economica e quindi i ricercatori hanno cercato di modificare le superfici sovrapponendo una determinata topografia alla configurazione base.

Strutture ad hoc

Con questo nuovo tipo di approccio, i ricercatori SKF hanno ora la possibilità di progettare la topografia superficiale (ossia la rugosità) in funzione della specifica applicazione, in modo da aumentare la durata e ridurre l’attrito dei cuscinetti. Ai fini determinare le condizioni di lubrificazione assume una particolare importanza la conoscenza del modo di agire della rugosità nei contatti volventi.

Insieme all’Università di Twente, la SKF ha elaborato un programma di simulazione al computer denominato «LOPES» (Lift-off Prediction for Engineering Surfaces). Le ricerche hanno portato allo sviluppo di tecniche analitiche che permettono di descrivere su scala nanometrica il flusso del lubrificante fra due corpi di acciaio in movimento, in cui le pressioni siano dell’ordine delle 20.000 – 30.000 atmosfere. È possibile calcolare in che modo questo lubrificante circola attorno e sopra le asperità superficiali. È inoltre possibile calcolare in che modo si deforma la singola asperità (fig. 2) e prevedere se le singole asperità degli anelli e dei rulli possono o meno interagire. La fig. 3 mostra la separazione delle superfici (lift-off) in funzione della velocità.

Un ulteriore progresso offerto dalla nuova metodologia è la capacità di calcolare, a livello micrometrico, le sollecitazioni indotte dalla compressione di queste minute asperità, non solo in superficie ma anche in profondità. Essa consente anche il calcolo della riduzione della durata a fatica risultante da tali sollecitazioni. Valutare l’effetto della rugosità superficiale significa poter determinare da quali strutture può trarre beneficio la durata del cuscinetto.

Cedimenti originati in superficie

Come già detto, i cedimenti che hanno origine in superficie sono l’attuale forma predominante del cedimento dei cuscinetti. Normalmente sono provocati dall’assenza di un film lubrificante che separi completamente le superfici, condizione che può essere conseguenza di altissime temperature, bassa velocità, severa carenza di lubrificante (starvation) o lubrificante non idoneo. Normalmente in un cuscinetto si possono verificare tre condizioni di lubrificazione: limite, mista ed elastoidrodinamica (EHL). Con una lubrificazione limite tutto il carico viene sopportato dalle asperità; con quella mista il carico viene sorretto in parte dalle asperità e in parte dal film; con quella EHL, è il film che regge il carico da solo.

Nel caso di una lubrificazione a olio le condizioni che determinano lo spessore del film sono essenzialmente dipendenti dalla viscosità del lubrificante e dalla velocità. Quando quest’ultima è bassa, l’azione idrodinamica non è sufficiente a creare un film che separi completamente le superfici e il contatto si trova ad operare con una lubrificazione mista o limite. Lo stesso vale per la viscosità. Gli oli densi separano più facilmente e l’effetto di separazione è indipendente dalla quantità di lubrificante disponibile. Una volta che il contatto è stato completamente alimentato, l’aggiungere ancora olio non serve a creare un film di maggiore spessore. La rugosità dovrebbe essere impostata in modo tale che si appiattisca facilmente per effetto del flusso di lubrificante, tanto da evitare i contatti metallo su metallo e quindi prolungare la durata del cuscinetto.

Se il cuscinetto funziona in condizioni di lubrificazione carente (frequente con una lubrificazione a grasso), lo spessore del film EHL è determinato dalla viscosità del lubrificante, dalla velocità e dalla quantità di lubrificante disponibile all’ingresso del contatto. Impostando la topografia superficiale, si può fare in modo che arrivi più olio in questo punto e quindi creare un film più spesso.

Quando lo spessore del film diventa dell’ordine del valore medio quadratico dell’altezza delle asperità o inferiore, possono avvenire dei contatti intermetallici. In condizioni di scarsa lubrificazione tali contatti provocano forti sollecitazioni locali, che possono dar luogo ad affaticamento superficiale (surface distress o micro-pitting) oppure causare surriscaldamenti locali che danno luogo ad usura per adesione.

I ricercatori hanno quindi indagato più a fondo sulle condizioni di lubrificazione carente elastoidrodinamica per vari tipi di rugosità e sugli effetti di piccole cavità, protuberanze, creste e ondulosità sullo spessore del film e sulla distribuzione della pressione. L’obiettivo era quello di sfruttare al meglio il lubrificante a disposizione e dare spessore al film. Si è visto che per tale scopo una topografia con piccole cavità è la migliore, anche se altri tipi potrebbero anche andar bene. La realizzazione di caratteristiche superficiali idonee dipende da una serie di fattori, tra cui le condizioni di carenza, il tipo di cuscinetto, la viscosità del lubrificante, la ‘rigidezza’ del grasso, il carico applicato e le velocità. Il risultato dovrebbe essere una riduzione delle forti sollecitazioni indotte dalle asperità locali, ottenuta attraverso un microscopico film EHD che separi le superfici.

I precedenti lavori teorici si erano concentrati essenzialmente su condizioni caratterizzate da abbondante flusso di lubrificante. Una volta passati a considerare le condizioni di carenza si è potuto osservare come le caratteristiche superficiali abbiano un considerevole impatto sulle prestazioni dei cuscinetti. I ricercatori hanno studiato la formazione del film lubrificante di un certo spessore in una zona di contatto circolare con lubrificazione carente, in presenza di una o più piccole cavità. Venne quindi elaborato un modello matematico basato sull’ipotesi che la superficie ‘butterata’ che entra nella zona di contatto fosse ricoperta da uno strato di olio sporgente rispetto alla superficie liscia nominale. Ciò significa che, se si trovano sulla superficie mobile, le piccole cavità riempite di olio riescono a trasportare più olio nel contatto di quanto non lo farebbe una superficie mobile liscia. Non appena la cavità si sposta in una zona ad alta pressione, il suo volume si riduce per deformazione elastica, fornendo altro olio atto a formare lo spessore portante fuori della cavità stessa. Secondo il modello, questo miglioramento del film, che si verifica a monte, ha un effetto certamente positivo (fig. 4).

La forma del film dipende dalla disposizione e dalla geometria delle piccole cavità, dalla compressibilità e dall’attrito dell’olio e dal meccanismo di afflusso dell’olio nel contatto. Tuttavia, la principale influenza di queste caratteristiche superficiali sul sottile film nei contatti mobili può essere vista nel processo di conservazione della massa dell’olio, combinata con il movimento del menisco di olio. In definitiva, nelle condizioni di lubrificazione scarsa, le piccole cavità agiscono da ulteriore riserva di olio.

Conclusione

L’importanza dei progressi nella comprensione del ruolo della rugosità nel funzionamento dei cuscinetti e nella lubrificazione non può essere sottovalutata. La SKF sta già considerando le implicazioni dei processi di finitura esistenti nella produzione dei cuscinetti e sta incoraggiando lo studio delle nuove tecniche. Questi progressi le offrono anche un’eccezionale mezzo per suggerire ai clienti il modo di intervenire nei casi di lubrificazione con film sottile.

Lo stesso concetto si può applicare nel caso di altri elementi meccanici lubrificati, come ingranaggi e snodature a velocità costante, dove il supporto SKF può anche risultare in una più lunga durata di servizio.

I progressi stanno portando all’impostazione di nuove regole di progettazione, dando la possibilità di sviluppare caratteristiche superficiali adattate alle specifiche applicazioni.

Piet Lugt e Eustathios Ioannides

SKF Engineering and Research Centre (ERC), Nieuwegein, Olanda