I cuscinetti con lubrificazione idrodinamica rappresentano il tipo più importante di cuscinetti radenti in quanto la completa lubrificazione liquida garantisce affidabilità di servizio, con usura contenuta nel lungo termine. Per tali cuscinetti lo strato di lubrificazione viene creato mediante il movimento relativo delle superfici di scorrimento. Grazie a questo movimento e all'aderenza del lubrificante, quest'ultimo scorre nell'intaglio di lubrificazione. Lo strato di supporto proviene dallo stretto intaglio a forma di V. In questo strato si crea un campo di pressione idrodinamica nel quale la forza risultante deve essere in equilibrio con la forza di caricamento del cuscinetto. La seguente figura illustra un cuscinetto schematico con un campo di pressione idrodinamica.
Significato delle variabili usate:
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d |
Diametro del perno di banco [mm]. |
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D |
Diametro cuscinetto [mm] |
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E |
Eccentricità del perno di banco nel cuscinetto [μm] |
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F |
Forza di caricamento [N] |
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h o |
Spessore minimo dello strato di lubrificazione con effetto idrodinamico durante il funzionamento del cuscinetto [μm]. |
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L |
Larghezza del cuscinetto [mm]. |
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n |
Velocità del perno di banco [min -1 ] |
Lo spessore dello strato di lubrificazione dipende dalla velocità del movimento relativo delle superfici di scorrimento (velocità del perno di banco del cuscinetto), dalla viscosità del lubrificante e dalla forza di caricamento attiva. Poiché le superfici di scorrimento delle parti di macchinari non sono mai perfettamente levigate ed uniformi, la loro completa separazione e il conseguente attrito liquido potranno solo garantire uno spessore minimo, creato da una velocità di scorrimento minima. Qualora tale velocità non venga raggiunta, il cuscinetto funzionerà in condizioni di attrito massimo.
Nella maggior parte dei cuscinetti, il flusso dello strato di supporto idrodinamico è laminare. Solo in condizioni di elevate velocità di scorrimento il flusso potrà essere turbolento. In caso di elevate velocità del perno di banco, è possibile che si verifichi vibrazione da rotazione rapida a metà frequenza rispetto alla frequenza della velocità. Per evitare tali condizioni, è necessario effettuare la verifica del cuscinetto. La verifica deve comprendere non solo la velocità minima al limite di attrito massimo, ma anche il limite di velocità massimo.
Il calcolo per cuscinetti radenti radiali idrodinamici si basa sulla soluzione dell'equazione di Reynolds prendendo in considerazione progettazione e condizioni di funzionamento reali del cuscinetto. Per risolvere l'equazione di Reynolds, si ricorre a diverse condizioni di semplificazione:
- Il liquido lubrificante non può essere compresso; la velocità del flusso è molto inferiore rispetto alla velocità limite del suono.
- Il flusso è uniforme, laminare e isotermico; il liquido lubrificante ha densità, viscosità e temperatura costanti in ogni momento e in ogni luogo.
- Lo strato di lubrificazione limite si sposta alla velocità portante delle superfici di scorrimento.
- Lo strato di lubrificante è sottile; è quindi possibile omettere l'influenza della sua curvatura e lo strato può essere risolto tramite un calcolo in direzione retta.
- Lo strato di lubrificante è completamente riempito di un lubrificante con le stesse proprietà.
- Il peso del lubrificante e le forze di inerzia nello strato di lubrificante sono trascurabili.
- Il lubrificante non scorre nella direzione dello spessore dello strato di lubrificante, a causa di una pressione costante in tale direzione.
- Non si tiene conto dell'effetto della pressione di input sul campo di pressione del lubrificante e dell'effetto della parte di pressione negativa dello strato di lubrificante.
- Le deviazioni microgeometriche e macrogeometriche dovute alla forma della superficie di scorrimento vengono trasformate in forme geometriche ideali equivalenti; le deviazioni di posizione reciproca vengono ignorate.
- Le parti del cuscinetto sono considerate rigide e non cambiano dimensione e forma.
- La temperatura media del lubrificante all'output del cuscinetto è considerata come la temperatura in base alla quale viene determinata la viscosità del lubrificante, per gli scopi del calcolo.
È necessario considerare fino a quale punto tali presupposti siano effettivamente soddisfatti; infatti, a causa dei processi di produzione, assemblaggio e operazione, le parti dei cuscinetti non sono completamente rigide e non hanno forme ideali né posizione reciproca. Un cambiamento nella viscosità del lubrificante o nella sua densità costante, in genere dovuto a cambiamenti di temperatura, può risultare in discrepanze tra le proprietà calcolate e le proprietà effettive del cuscinetto. Eventuali aria e impurità che entrano nello strato di lubrificante e nel liquido di lubrificazione possono incidere notevolmente sul funzionamento del cuscinetto.