Se durante il funzionamento non avessero luogo delle deformazioni elastiche, la pressione di contatto sarebbe inammissibile. Una forza divisa per una superficie puntiforme, ossia di estensione eguale a zero, dà luogo a una pressione infinita!

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

Naturalmente può avvenire il contrario, come nel caso delle ruote, nelle quali tipicamente l’asse viene fissato agli steli della forcella o ai bracci del forcellone e il mozzo gira. Pure qui l’impiego dei cuscinetti è indispensabile. All’interno del motore, per i supporti dell’albero a gomiti e per le bielle si impiegano assai spesso le bronzine; negli altri casi però vengono utilizzati praticamente sempre i cuscinetti a rotolamento, che il più delle volte sono del tipo a sfere. In questo caso l’albero viene in genere inserito con un lieve forzamento nell’anello interno del cuscinetto, che quindi gira assieme ad esso. L’anello esterno invece è fisso, in quanto montato con una certa interferenza nel supporto, ovvero nella parete del basamento. Tra i due anelli ci sono le sfere (o i rulli), opportunamente posizionate e distanziate una dall’altra dalla gabbia. La resistenza al moto è estremamente ridotta e deriva fondamentalmente dalle minime deformazioni elastiche che si hanno a livello dei corpi volventi e delle piste di rotolamento, dalla presenza dell’olio (dotato di una certa viscosità, ovvero di un certo attrito interno) e dal modestissimo ma inevitabile sfregamento che ha luogo tra le sfere, o i rulli, e la gabbia.

Guerra all’attrito

Dunque, in questa situazione tipica l’anello interno gira con una certa velocità di rotazione, mentre quello esterno è fisso. Le sfere (o i rulli) girano esse pure, ma in senso opposto a quello dell’albero e con una velocità che, ovviamente, è legata al loro diametro (considerato in relazione a quello della pista di rotolamento ricavata nell’anello interno). La gabbia gira invece nello stesso senso dell’anello interno, ma con velocità pressoché dimezzata rispetto ad esso.

Il caso dei cuscinetti a rullini, impiegati per le teste delle bielle di svariati motori, è significativo. Se si impiegano rullini con un diametro considerevole, la capacità di carico del cuscinetto è maggiore e la velocità con la quale essi girano è minore. La loro massa però è elevata, il che crea problemi non trascurabili (maggiore inerzia= maggiori sollecitazioni, per non dire della forza centrifuga) e anche la testa della biella è più grande e più pesante. Se invece si impiegano rullini di piccolo diametro, la loro massa è minore ma, fermo restando il diametro della pista di rotolamento interna, per un dato regime del motore la loro velocità di rotazione risulta sensibilmente più alta, il che determina anche lo sviluppo di una maggiore quantità di calore. Insomma, i rullini piccoli girano troppo forte 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 di compromesso.

Teoricamente il contatto tra una sfera e un piano è puntiforme. Lo stesso accade tra le sfere e le piste di rotolamento dei cuscinetti, in condizioni statiche. Se durante il fiunzionamento non avessero luogo delle deformazioni elastiche, di ridottissima entità ma comunque vitali, la pressione di contatto sarebbe inammissibile. Una forza divisa per una superficie puntiforme, ossia di estensione eguale a zero, dà luogo a una pressione infinita! Le deformazioni fan sì che la superficie di contatto tra sfera e pista di rotolamento assuma la forma di una piccola ellisse. Le pressioni in gioco sono comunque impressionanti, dell’ordine di 4000 MPa (corrispondenti a circa 400 kg/mm2, ovvero a 40.000 kg/cm2, per rendere l’idea…), il che rende necessario l’impiego di materiali adeguati, trattati in modo da avere una durezza superficiale elevatissima.

Nella progettazione dei cuscinetti volventi si fa ampio ricorso al computer, come mostra questa immagine. Le pressioni di contatto sono concentrate su superfici molto ridotte e raggiungono valori impressionanti

Lo stesso vale ovviamente anche per i rulli. Quando uno di essi poggia su di un piano o su di una superficie curva come quella della pista di rotolamento, il contatto si riduce a unsegmento di retta (anche in questo caso l’area è eguale a zero). Le deformazioni elastiche fan sì che la superficie di contatto assuma una forma rettangolare di ridottissima larghezza (e con una lunghezza che corrisponde a quella del rullo).

È interessante osservare che durante il funzionamento in effetti in ogni singolo istante il carico viene trasmesso da meno della metà dei corpi volventi del cuscinetto e che in tale ambito la ripartizione non è comunque uniforme. Se il cuscinetto deve trasmettere una forza che agisce verticalmente, dall’alto, la sfera più in basso sopporta la maggior parte del carico, le due ai suoi lati ne sopportano una “quota” minore e via dicendo; le sfere nella metà superiore del cuscinetto in pratica non lavorano affatto.

Si parla di cuscinetti a rullini generalmente quando i corpi volventi cilindrici hanno una lunghezza più che quadrupla rispetto al loro diametro. I cuscinetti a rulli conici, infine, vanno impiegati sempre in coppia e devono essere opportunamente precaricati. Sopportano elevati carichi tanto radiali quanto assiali ma non sono adatti a lavorare a velocità molto alte.