Cuscinetto a strisciamento · The Last Codex

Un cuscinetto a strisciamento sostiene un albero che gira lasciandolo scorrere in un foro ben calibrato, con grasso o olio tra le superfici. In moto l’albero può galleggiare su un sottile velo d’olio senza toccare il cuscinetto. Le testimonianze più antiche vengono dai vasai del periodo di Ubaid in Mesopotamia, le cui ruote lente giravano su un piolo nel V millennio a.C.

Che cos’è

Un cuscinetto a strisciamento tiene un albero al suo posto e lo lascia girare. La parte dell’albero che gira nel cuscinetto si chiama perno. Gira in un foro appena più grande, rivestito di un materiale che scorre bene, e il grasso o l’olio riempiono lo stretto gioco. Niente rotola: le superfici scivolano semplicemente l’una sull’altra, ed è questa la differenza dal cuscinetto a sfere.

Se ne trovano ovunque. Una porta che ruota su un perno infilato in una ralla di pietra ne ha uno, come una ruota di carro che gira sul suo asse ingrassato (ruota) o l’albero a gomiti di un motore che gira nelle sue bronzine o nei suoi cuscinetti di metallo bianco.

In un supporto ritto dell’Ottocento, del tipo che reggeva gli alberi delle macchine e dei mulini, un corpo in ghisa è imbullonato a una pietra e un cappello vi è fissato sopra da due bulloni. Tra i due stanno due semicuscinetti di bronzo rivestiti di un metallo bianco tenero, e un oliatore posto in cima alimenta il perno attraverso un foro. Poiché il supporto si apre all’altezza dell’albero, si possono sostituire i semicuscinetti consumati e stringere il cappello per riprendere l’usura.

Come funziona

Un supporto aperto, con il perno leggermente fuori centro in una bronzina, con una falce d’olio che si restringe in un cuneo sottile e frecce che mostrano l’albero in rotazione che trascina l’olio nella parte stretta Il perno in rotazione trascina l’olio nel gioco che si restringe, dove la pressione sale abbastanza da sostenere l’albero.

Il perno ha bisogno di spazio per girare e di un gioco per il lubrificante. Per i cuscinetti rivestiti di metallo bianco, una guida di progettazione indica un gioco diametrale da mezzo a un millesimo del diametro, e una regola d’officina diffusa prende un millesimo: un albero di 50 mm gira in un foro più grande di circa 0,05 mm. Con poco gioco il cuscinetto scalda. Con troppo diminuisce il carico che l’olio può sostenere e l’albero comincia a vibrare.

A riposo l’albero poggia sul fondo del cuscinetto, separato da esso solo da un sottile strato di lubrificante aderente alle due superfici. All’avvio le superfici sfregano l’una sull’altra attraverso quello strato. Quando la velocità cresce, il perno trascina l’olio nella parte del gioco che si restringe verso il lato caricato. L’olio non riesce a sfuggire abbastanza in fretta, la sua pressione sale e solleva il perno, che galleggia allora un po’ fuori centro su un sottile velo d’olio. Da quel momento l’unico attrito che resta è la resistenza dell’olio a essere tagliato.

Il rivestimento è volutamente più tenero dell’albero. La guida di un costruttore di cuscinetti descrive il metallo bianco, una lega tenera di stagno con un po’ di antimonio e rame, come la parte che incassa i danni al posto dell’albero, più costoso: i piccoli granelli di sporco vi affondano invece di rigare il perno. Il bronzo regge temperature più alte, ma accetta peggio lo sporco.

Come si fa

Due supporti di legno duro divisi in due, che reggono un’asta d’acciaio, mostrano come funzionano il gioco, la lubrificazione e la ripresa dell’usura. Fate girare l’asta solo a mano.

Fare i blocchetti. Per ogni supporto tagliate due blocchetti di un legno duro a grana fine come faggio o rovere, lunghi circa 8 cm, larghi 5 cm e spessi 3 cm, e piallate le facce che andranno a contatto finché combaciano bene in piano. Mettete tra loro una striscia di cartoncino sottile come spessore, stringete forte la coppia in una morsa e forate da parte a parte, lungo la linea di giunzione, un foro del diametro dell’asta, per esempio 12 mm. Segnate ogni coppia per rimontarla nello stesso verso.

Ricavare il passaggio dell’olio. Nel blocchetto superiore forate un piccolo foro dall’alto fino alla sede e scavate con una lima tonda una scanalatura poco profonda lungo la parte alta della sede. Forate due fori attraverso entrambi i blocchetti, uno per lato della sede, per i bulloni o le viti lunghe che terranno il cappello.

Vista isometrica di un’asse con due supporti divisi fatti di blocchetti di legno duro, ciascuno con una striscia di cartoncino nel giunto e due teste di vite e un foro dell’olio sul cappello, un’asta d’acciaio che li attraversa e una manovella di legno a un’estremità Due supporti di legno duro fissati su un’asse reggono un’asta d’acciaio che si gira con una manovella di legno.

Montare. Avvitate i due blocchetti inferiori su un’asse, allineati, appoggiatevi un’asta d’acciaio liscia e imbullonate i cappelli con gli spessori di cartoncino al loro posto. Fissate una manovella di legno a un’estremità dell’asta.

Fare la prova. Girate l’asta a secco e notate lo sforzo e il calore dopo un minuto. Poi versate qualche goccia di olio fluido per macchine in ogni foro dell’olio e girate di nuovo: va più dolce e scalda meno. Togliete gli spessori e stringete i cappelli poco alla volta finché l’asta si blocca, poi allentate finché gira libera senza sbattere. È così che si riprende il gioco di un cuscinetto consumato.

Storia ed evoluzione

Una sintesi di EBSCO sulla cultura di Ubaid, in Mesopotamia, descrive la sua ceramica come fatta su una ruota lenta il cui piano girava su un piolo, e Alev Erarslan colloca l’arrivo di questa ruota nella fase finale del periodo, l’Ubaid 4, che Luca Volpi data tra il 4800 e il 4400 a.C. circa nella Mesopotamia meridionale. Alcune ceramiche di Ubaid, prodotte tra il 5900 e il 4600 a.C. circa, portano fasce dipinte così regolari che Johnny Baldi e Valentine Roux ne deducono che il vaso girasse su un perno sotto una mano ferma. Essi descrivono anche un disco d’argilla di circa 26 cm di diametro, con una leggera cavità sulla faccia inferiore, proveniente da una bottega di vasaio del tardo Ubaid, intorno al 4700 a.C., a Tell Feres al-Sharqi, nel nord-est della Siria, e propongono che girasse su un perno, come una ruota lenta.

La base di un’antica porta di legno: il suo perno arrotondato poggia in un incavo levigato di un blocco di pietra incassato in una soglia di mattoni crudi, accanto a uno stipite di mattoni La porta gira su un perno alloggiato in un incavo levigato della pietra.

Le porte giravano allo stesso modo. Una porta egizia aveva un perno in alto e uno in basso lungo il bordo di rotazione, quello superiore in un foro dell’architrave e quello inferiore in una ralla nel pavimento; su un pavimento di mattoni crudi si collocava una pietra che reggesse il peso e l’usura. Una ralla di pietra del 3000-2800 a.C., trovata al suo posto all’ingresso del tempio di Ieracompoli, si trova oggi al Penn Museum. Enrico Ciulli, riassumendo la storia della tribologia di Duncan Dowson, osserva che queste ralle si lubrificavano con bitume o grasso animale. Le ruote sui loro assi, dal IV millennio a.C., giravano nello stesso tipo di cuscinetto. Un deposito prelevato sull’asse di un carro da una tomba egizia del 1400 a.C. circa è stato analizzato nel Novecento: grasso animale con sabbia e composti di calce.

Per secoli i cuscinetti furono di legno, pietra, bronzo o ottone, ingrassati con sego o oliati. I costruttori di macchine della fine del Settecento alloggiavano i perni dei loro alberi in due semicuscinetti di ottone inseriti in una scatola di ghisa, chiusa da un cappello tenuto da due viti che si stringevano man mano che i semicuscinetti si consumavano, come descrisse John Farey nel 1827.

Nel luglio 1839 Isaac Babbitt, di Boston, brevettò un modo di rivestire le scatole dei cuscinetti con un metallo tenero; il suo esempio prevedeva cinquanta parti di stagno, cinque di antimonio e una di rame. L’idea si diffuse, e in Gran Bretagna queste leghe si chiamano metallo bianco. Nel 1854 John Penn e Francis Pettit Smith brevettarono per gli alberi delle eliche un cuscinetto dell’astuccio poppiero in legno di guaiaco, un legno tropicale molto denso, lubrificato dall’acqua di mare che lo circonda.

All’inizio degli anni Ottanta dell’Ottocento Beauchamp Tower, che lavorava per un comitato della Institution of Mechanical Engineers dedicato all’attrito, fece girare un perno di prova sotto un carico di circa 100 libbre per pollice quadrato (circa 7 bar). Quando si praticò un foro in cima al cuscinetto, l’olio vi salì e spinse fuori i tappi che vi si mettevano, e i manometri mostrarono in quel punto una pressione ben superiore al carico medio. Nel 1886 Osborne Reynolds pubblicò la teoria del velo d’olio che spiegava i risultati di Tower, e il calcolo dei cuscinetti si basa ancora sulla sua equazione.