Cuscinetto a sfere

Le sfere rotolano fra due anelli e sostengono un albero rotante. La produzione industriale richiede superfici dure e geometria controllata; un modello di legno girato a mano mostra il movimento.

Che cos’è

Un cuscinetto a sfere sostiene un albero e gli permette di ruotare dentro un supporto. L’anello interno segue l’albero, mentre quello esterno trova posto nell’alloggiamento. Fra i due, le sfere percorrono scanalature circolari chiamate piste di rotolamento. Una gabbia le tiene distanziate, limita il contatto fra sfere vicine e ne accompagna il movimento.

La tavola mostra un cuscinetto radiale moderno in acciaio. In una macchina, la scelta dipende dalle forze, dalla velocità, dal montaggio e dall’ambiente. Il carico ammissibile deriva da geometria, acciaio e prove del costruttore: un cuscinetto che gira fluido fra le dita può comunque essere quello sbagliato.

Come funziona

Il film è ingrandito fuori scala; il carico passa attraverso i contatti fra sfera e piste.

Quando l’albero trascina l’anello interno, le sfere ruotano su sé stesse e si spostano attorno all’asse. Piccole zone di contatto trasmettono la forza da un anello all’altro. La gabbia mantiene le distanze, mentre il carico grava su sfere e piste. Le scanalature guidano le sfere e il montaggio tiene gli anelli coassiali. Una pista ammaccata o una sfera troppo grande bastano a interrompere questa regolarità.

Il rotolamento riduce l’attrito di un albero che striscerebbe in una bronzina, ma qualche perdita rimane. Contribuiscono gli slittamenti locali, le deformazioni e la resistenza del lubrificante, e le tenute a contatto aggiungono attrito. Olio o grasso devono essere adatti all’impiego, e un eccesso scalda il cuscinetto. Sporco, disallineamento e gioco sbagliato consumano piste e sfere.

Come si fa

Il modello didattico ruota soltanto a mano e non porta carichi utili.

Per osservare il principio, acquistare un lotto di sfere d’acciaio con riferimento identificabile e diametro dichiarato dal fornitore. Conservare questi dati e misurare le sfere prima di disegnare i pezzi. Tornire due anelli concentrici di legno duro con piste contrapposte, arrotondate e lisce. Prevedere un insieme smontabile per inserire le sfere. Chiudere poi sulle sfere le piastre laterali incernierate, a montaggio fermo, perché non possano uscire. Una gabbia sottile di legno, traforata in corrispondenza delle sfere, le separa senza stringerle né strisciare con forza sugli anelli.

Montare albero e anelli sullo stesso asse. Controllare da fermo ogni fissaggio e la ritenuta delle sfere, poi girare lentamente a mano. Se si avverte un punto duro, fermarsi e smontare per cercarne la causa. Una goccia d’olio leggero è possibile se il legno la sopporta.

Non motorizzare mai il montaggio, non installarlo su veicoli e non usarlo per sollevare carichi o sostenere persone. Le piccole sfere possono essere ingerite oppure espulse se la ritenuta è insufficiente. Al tornio, bloccare il pezzo, indossare occhiali e raccogliere capelli e maniche. Non avvicinare guanti o strumenti di misura al pezzo in rotazione. Rettifica e trattamenti termici richiedono un’officina attrezzata.

La produzione industriale segue una catena più lunga. Il tornio sgrossa anelli e scanalature. Gli abbozzi delle sfere vengono formati, trattati termicamente secondo l’acciaio, rettificati e lappati. Si controllano dimensioni, rotondità, coassialità e finitura superficiale, e le sfere vengono selezionate per misura prima dell’assemblaggio, della lubrificazione e del controllo del gioco. La prova manuale mostra solo che il modello gira senza bloccarsi né perdere sfere; non fornisce velocità ammissibile, resistenza a fatica o carico nominale.

Storia ed evoluzione

Sfere diseguali accanto alle sfere uguali e ben rotonde che la rettificatrice di Fischer produceva in quantità.

Nel 1794 Philip Vaughan brevettò cuscinetti a sfere per gli assali delle carrozze, con sfere di ghisa rifinite a mano. Nel 1872 Friedrich Fischer aprì a Schweinfurt un’officina che riparava macchine per cucire e biciclette, e comprava sfere inglesi costose e di misure diseguali. Nel 1883 costruì una rettificatrice che produceva in quantità sfere uguali e ben rotonde. Le fonti non concordano sul materiale: Schaeffler parla di ghisa temprata, la storia aziendale pubblicata da Gale di acciaio temprato. Il brevetto della macchina migliorata arrivò nel 1890.

Le biciclette alimentarono la domanda di sfere uniformi; automobili e macchinari ampliarono poi il mercato. Oggi molte sfere nascono da spezzoni di filo stampati in abbozzi prima della rettifica e della lappatura. Rulli, aghi e sfere ceramiche servono per usi particolari. La durata dipende ancora dal montaggio, da una lubrificazione adatta e dalla protezione dallo sporco.