Nella progettazione e nella manutenzione dei componenti meccanici, l'”usura” influisce sulla durata dei componenti e sulla qualità del prodotto. L’usura è il fenomeno per cui la superficie si consuma gradualmente a causa del contatto e del movimento relativo tra due corpi solidi. Nei meccanismi che comportano attrito, come i componenti di trasmissione e i cuscinetti, è necessario adottare misure per contrastarla.
L’avanzamento dell’usura provoca variazioni dimensionali dei componenti e un calo delle prestazioni, e alla fine può compromettere l’affidabilità dell’intero impianto. Esistono diversi tipi di usura, ciascuno con meccanismi di insorgenza e misure preventive diversi.
In questo articolo spiegheremo la definizione di base dell’usura e come si verifica, le forme più comuni di usura e le loro caratteristiche, oltre alle misure da adottare per ridurla. Acquisisci le giuste conoscenze sull’usura per prolungare la durata dei componenti e ridurre i costi di manutenzione.
| A cura di: Gruppo Commerciale Componenti Elettronici, C.I. TAKIRON Corporation Questo articolo è stato curato sulla base delle competenze tecniche avanzate e delle conoscenze acquisite nel corso degli anni, sin dalla fondazione dell’azienda nel 1919, come leader nel settore della lavorazione delle materie plastiche.Il nostro reparto analizza costantemente le tendenze di mercato e le ultime tecnologie relative ai micromotori ultracompatti e ad alta precisione, concentrandosi sulla fornitura di informazioni di alto valore aggiunto a progettisti e sviluppatori. In qualità di team di esperti che conosce a fondo le caratteristiche dei prodotti, ti aiutiamo a risolvere le tue sfide e a promuovere l’innovazione tecnologica attraverso contenuti accurati e pratici. |
Definizione e meccanismi di formazione dell’usura
Per capire bene cos’è l’usura, è importante innanzitutto comprenderne la definizione e il meccanismo di contatto tra le superfici, per poi individuare i vari fattori che ne influenzano il progredire. Di seguito ti spiegherò passo dopo passo, partendo dai concetti di base dell’usura, passando per le caratteristiche del contatto tra le superfici, fino ad arrivare ai tre fattori che influenzano l’usura.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Definizione di usura e nozioni di base sulla resistenza all’usura
- Il rapporto tra l’area di contatto effettiva e l’usura
- I tre fattori che influenzano l’usura
Qui spiegheremo passo dopo passo i concetti di base dell’usura, semplificando il gergo tecnico in modo che anche i tecnici alle prime armi possano capirli.
Definizione di usura e nozioni di base sulla resistenza all’usura
Si dice che l’usura dei metalli sia quella condizione in cui la superficie si danneggia o si consuma a causa della forza di attrito che si genera quando il metallo entra in contatto con altri solidi.
Per i componenti soggetti all’attrito, come le parti di trasmissione e i cuscinetti, la resistenza all’usura è considerata una caratteristica fondamentale che determina la durata del prodotto. Questa resistenza, chiamata “resistenza all’usura”, è uno degli indicatori di valutazione fondamentali nella progettazione di componenti meccanici dotati di parti scorrevoli.Se si utilizzano materiali con scarsa resistenza all’usura nelle parti scorrevoli, la precisione dimensionale dei componenti si perde in breve tempo e c’è il rischio che le prestazioni dell’intero macchinario ne risentano.
Ad esempio, nei punti in cui le spazzole entrano in contatto con il commutatore all’interno del motore, o dove i denti degli ingranaggi si incastrano tra loro, il materiale si consuma gradualmente a causa dello sfregamento ripetuto. Man mano che l’usura avanza, il gioco tra i componenti aumenta, e bisogna fare attenzione perché questo può causare vibrazioni, rumori anomali e malfunzionamenti.Prevedere l’usura in base alle condizioni d’uso già in fase di progettazione e tenerne conto nella scelta dei materiali e nella progettazione strutturale è fondamentale per garantire l’affidabilità del prodotto.
Il rapporto tra l’area di contatto effettiva e l’usura
Le superfici dei solidi presentano microirregolarità e ondulazioni, quindi anche se si tratta di due superfici piane, in realtà sono le sporgenze a entrare in contatto tra loro. Il punto in cui le sporgenze si toccano si chiama “punto di contatto reale”; dato che la sua superficie è più piccola di quella apparente e il carico si concentra proprio lì, è un punto che influisce molto sull’usura.
Di seguito riassumo la differenza tra l’area di contatto reale e quella apparente.
| Voce | Area di contatto apparente | Area di contatto effettiva |
| Definizione | L’area della superficie esterna in cui le parti entrano in contatto | L’area del profilo in cui i componenti entrano in contatto |
| Dimensioni dell’area | Area visibile a occhio nudo | Circa 1/10 – 1/1000 dell’area di contatto apparente |
| Distribuzione del carico | Ipotizziamo che si distribuisca su tutta la superficie | Il carico si concentra su una minuscola sporgenza |
Si ritiene che l’area di contatto effettiva sia circa 1/10 – 1/1000 dell’area di contatto apparente.Anche se a prima vista sembra che il contatto avvenga su una superficie ampia, in realtà il carico viene sostenuto solo da protuberanze molto piccole. Il meccanismo di base dell’usura consiste nel fatto che le sollecitazioni concentrate su queste protuberanze provocano la deformazione o la rottura del materiale, che poi si stacca sotto forma di particelle di usura.
Più la rugosità superficiale di un materiale è elevata, maggiore è il dislivello tra le sporgenze, quindi l’area di contatto effettiva si riduce ulteriormente e le sollecitazioni locali tendono ad aumentare. Nella progettazione dei componenti meccanici, il primo passo per ridurre l’usura consiste nel gestire adeguatamente la finitura superficiale delle superfici di scorrimento e la precisione di lavorazione, in modo da ampliare l’area di contatto effettiva.
I tre fattori che influenzano l’usura
L’usura è influenzata da tre fattori: quelli meccanici, quelli legati ai materiali e quelli ambientali. Poiché il grado di usura varia a seconda delle complesse interazioni tra questi fattori, per trovare delle soluzioni è necessario un approccio multiforme.
[I 3 fattori che influenzano l’usura]
- Fattori meccanici: carico, pressione di contatto, rigidità
- Fattori relativi ai materiali: proprietà meccaniche, forma della superficie, rugosità superficiale
- Fattori ambientali: temperatura, umidità, atmosfera
Per quanto riguarda i fattori meccanici, più il carico e la pressione di contatto sono elevati, più aumentano le sollecitazioni locali nella zona di contatto effettivo e più l’usura tende ad accelerare. Se la rigidità dei componenti è insufficiente, la deformazione sulla superficie di contatto aumenta e cresce anche il rischio che si verifichi usura in punti imprevisti.
Per quanto riguarda i fattori legati al materiale, oltre alle caratteristiche meccaniche come la durezza e la tenacità, anche la rugosità superficiale influenza la forma e la distribuzione delle sporgenze, incidendo sulle condizioni di contatto che danno origine all’usura.In generale, si ritiene che maggiore è la durezza di un materiale, maggiore sia la sua resistenza all’usura; tuttavia, nei materiali con bassa tenacità (resistenza alla rottura) c’è il rischio che si formino delle crepe, per cui è necessario scegliere il materiale tenendo conto dell’equilibrio tra durezza e tenacità.
Per quanto riguarda i fattori ambientali, si dice che in condizioni di alta temperatura i materiali possano ammorbidirsi, mentre l’umidità e gli ambienti corrosivi possano favorire reazioni chimiche che accelerano l’usura. Quando si valutano le contromisure contro l’usura, è importante non considerare questi tre fattori separatamente, ma adottare un approccio che valuti in modo globale l’intero ambiente di utilizzo.
Tipi e caratteristiche principali dell’usura
L’usura si classifica in diversi tipi a seconda del meccanismo con cui si verifica; tra le forme più rappresentative ci sono l’usura da aderenza, l’usura abrasiva, l’usura da corrosione e l’usura da fatica. Poiché ogni forma presenta meccanismi di insorgenza e modelli di danneggiamento diversi, è necessario scegliere le contromisure in base al tipo specifico.Comprendere bene le caratteristiche di ciascuna forma e valutare le contromisure di conseguenza è la chiave per prevenire i problemi legati all’usura.
Cosa tratteremo in questa sezione
- I meccanismi dell’usura per adesione e le due classificazioni
- Le due forme di usura abrasiva
- Caratteristiche dell’usura da fatica e danni tipici
Di seguito spiegheremo in dettaglio i meccanismi e le caratteristiche delle tre forme di usura – usura da incollaggio, usura abrasiva e usura da fatica – che sono strettamente legate alla progettazione di componenti meccanici e motori.
I meccanismi dell’usura per adesione e le due classificazioni
L’usura da aderenza è quel fenomeno in cui le minuscole irregolarità delle superfici di scorrimento, sotto l’effetto del calore e della pressione generati dall’attrito, danno origine a un legame metallico (aderenza); in seguito, a causa del taglio provocato dal movimento di attrito, una parte di questo legame si stacca e si attacca alla superficie opposta, facendo progredire l’usura.Una caratteristica distintiva è che tende a verificarsi soprattutto tra materiali identici. Per quanto riguarda il meccanismo di adesione, nel campo della tribologia (la scienza dell’attrito e dell’usura) è ampiamente riconosciuto il processo per cui i materiali si legano nella zona di contatto effettivo e, quando viene applicata una forza di taglio, una parte interna del materiale si stacca, generando polvere di usura.
L’usura da aderenza si divide, in base alla sua intensità, in due forme principali.
| Classificazione | Caratteristiche |
| Usura grave | L’usura è notevole e sulla superficie si formano graffi profondi e granelli di usura di grandi dimensioni. Nei casi più gravi, può essere una delle cause del grippaggio. |
| Usura moderata | L’usura è relativamente ridotta e la superficie si consuma in modo uniforme. Le particelle di usura sono molto fini e contengono ossidi. |
Nell’usura grave, i residui di usura sono grossolani e presentano una lucentezza metallica, mentre sulla superficie usurata compaiono solchi profondi e irregolarità significative. Nell’usura lieve, invece, i residui di usura sono costituiti da ossidi finissimi e la superficie usurata rimane relativamente liscia.Se l’usura da aderenza progredisce fino allo stadio di usura grave, può verificarsi il fenomeno del grippaggio, quindi è importante prestare attenzione al rischio che ciò possa causare l’arresto del funzionamento dei componenti. Nella scelta dei materiali per i componenti scorrevoli, è utile valutare come limitare l’adesione attraverso la combinazione di metalli diversi o il trattamento delle superfici.
Le due forme di usura abrasiva
L’usura abrasiva si divide in due tipi: l'”usura a due corpi”, in cui le sporgenze superficiali di un materiale duro asportano materiale dalla superficie di scorrimento più morbida, e l'”usura a tre corpi”, in cui particelle solide dure si insinuano tra i materiali e ne asportano la superficie.È anche nota come usura da graffiatura o da abrasione, ed è caratterizzata da un tasso di usura tendenzialmente più elevato rispetto all’usura per adesione.
[Le due categorie di usura abrasiva]
- Usura a due corpi: forma di usura in cui le sporgenze superficiali di un materiale duro asportano direttamente il materiale dalla superficie di scorrimento più morbida
- Usura a tre corpi: forma di usura in cui particelle solide dure (polvere da usura o corpi estranei) si insinuano tra i materiali, asportandone la superficie
L’usura a due corpi si verifica quando il materiale più duro si incastra in quello più morbido; per questo, la scelta dei materiali che tenga conto dell’equilibrio di durezza delle superfici di scorrimento è fondamentale per prevenirla. Ad esempio, se fai scorrere due metalli con durezze molto diverse, la superficie del materiale più morbido viene consumata in modo unilaterale.
Poiché l’usura a tre corpi è causata da particelle di usura dure o dall’infiltrazione di corpi estranei dall’esterno, sono efficaci misure come l’adozione di strutture di tenuta che impediscano l’ingresso di particelle sulle superfici di scorrimento e di meccanismi per la rimozione periodica dei corpi estranei.Nelle attrezzature che operano in officine di lavorazione o in ambienti molto polverosi, il rischio di usura a tre corpi aumenta, quindi è necessario gestire l’usura insieme alle misure di protezione dalla polvere.
Caratteristiche della fatica e dei danni tipici
L’usura da fatica è un fenomeno in cui, a causa delle sollecitazioni da contatto ripetute, si formano minuscole crepe sulla superficie del materiale, che col tempo si sfaldano e l’usura progredisce.Si tratta di un tipo di usura che deriva dall’affaticamento del metallo causato dal ripetersi di cicli di funzionamento e arresto, e si riscontra spesso sulle superfici di contatto rotanti. Si ritiene che tenda a verificarsi in componenti sottoposti a carichi ripetuti, come i cuscinetti e le facce dentate degli ingranaggi.
Tra le forme tipiche di danno causate dall’usura da fatica ce ne sono due: il “flaking”, ovvero il distacco a scaglie, e il “peeling”, ovvero il distacco su ampie superfici. Il flaking è un danno tipico che si verifica sulla superficie di rotolamento dei cuscinetti e si manifesta come un distacco a scaglie quando, ad ogni passaggio dei corpi volventi, le sollecitazioni accumulate sotto la superficie superano il limite.Il peeling è un fenomeno in cui lo strato superficiale si stacca su un’area più ampia rispetto al flaking ed è caratterizzato dal fatto che tende a verificarsi più facilmente in condizioni di carico elevato.
A differenza dell’usura per aderenza o di quella abrasiva, l’usura da fatica tende a non mostrare cambiamenti evidenti nel breve periodo, ma ha la particolarità di progredire rapidamente una volta superato un certo numero di cicli. Anche se esternamente non si notano anomalie, all’interno del materiale potrebbero esserci delle crepe in fase di espansione; per questo, un’ispezione visiva da sola rischia di farti sfuggire i segni dell’usura da fatica.Per i componenti sottoposti a carichi ripetuti per lunghi periodi, come i cuscinetti dei motori o le superfici dentate dei motoriduttori, è fondamentale stimare la durata a fatica già in fase di progettazione e tenerne conto nel piano di ispezioni periodiche.
Come prevenire l’usura e prolungare la durata del motore
Per limitare il deterioramento dei componenti dovuto all’usura, è fondamentale scegliere le misure adeguate in base al tipo di usura. Nei motori, il meccanismo di usura e il concetto di durata variano a seconda che ci siano o meno le spazzole. Qui spiegheremo passo dopo passo, partendo dai principi generali delle misure antiusura fino alle problematiche e alle soluzioni relative all’usura nei motori.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Come affrontare i diversi tipi di usura
- L’effetto dell’usura delle spazzole nei motori a spazzole
- Risoluzione dei problemi di usura causati dai motori senza spazzole
In questa sede, nella prima parte classificheremo le misure generali contro l’usura in base alla tipologia, mentre nella seconda parte illustreremo i problemi legati all’usura nei motori e le soluzioni offerte dai motori brushless.
Come affrontare i diversi tipi di usura
Le misure contro l’usura variano a seconda del tipo. Per l’usura da adesione sono efficaci l’uso di metalli diversi, l’impiego di lubrificanti e i trattamenti superficiali.Per l’usura abrasiva, sono efficaci metodi per aumentare la durezza del materiale e impedire l’ingresso di particelle solide sulle superfici di scorrimento. Per l’usura da corrosione, tra le misure preventive figurano la scelta di materiali altamente resistenti alla corrosione e trattamenti superficiali come placcature e rivestimenti.
Di seguito riassumiamo la corrispondenza tra le principali forme di usura e le relative contromisure.
| Tipi di usura | Come affrontarla |
| Usura da aderenza | Combinazioni di metalli diversi, uso di lubrificanti, applicazione di trattamenti superficiali |
| Usura abrasiva | Aumenta la durezza del materiale e impedisce l’infiltrazione di particelle solide nelle superfici di scorrimento |
| Corrosione e usura | Scelta di materiali altamente resistenti alla corrosione, trattamenti superficiali come placcature e rivestimenti |
| Usura da fatica | Progettazione di materiali e strutture che tenga conto della riduzione delle sollecitazioni ripetitive e della resistenza alla fatica |
Si ritiene che, anche con materiali poco resistenti all’usura, sia possibile ridurne l’impatto grazie a tecniche di lavorazione che consentono di regolare la finitura superficiale e ottenere forme che riducono l’attrito.Ad esempio, tecniche come la levigatura per ridurre la rugosità superficiale o il rivestimento in DLC (Diamond-Like Carbon) per migliorare contemporaneamente la durezza e la scorrevolezza delle superfici di scorrimento sono adottate in un’ampia gamma di componenti scorrevoli. Valuta le soluzioni che combinano la scelta dei materiali e il trattamento superficiale in base all’ambiente di utilizzo e alle condizioni di scorrimento.
*Ci sono alcune misure che i nostri prodotti non riescono a supportare.
L’effetto dell’usura delle spazzole nei motori a spazzole
Nei motori a spazzole, le spazzole e il commutatore ruotano rimanendo sempre a contatto, quindi entrambi si consumano gradualmente a causa dell’attrito. Quando le spazzole si consumano, non riescono più a mantenere il contatto con il commutatore; di conseguenza, la corrente non scorre correttamente e il motore smette di funzionare normalmente.
I fattori che causano l’usura delle spazzole non sono solo l’attrito dovuto al contatto fisico.
[I principali fattori che accelerano l’usura delle spazzole]
- Attrito dovuto al contatto fisico
- Generazione di calore dovuta alle variazioni della densità di corrente
- Fusione della superficie causata da una scintilla
L’attrito fisico è un fattore inevitabile, dato che la spazzola e il commutatore sono sempre a contatto. Inoltre, quando il motore gira e il percorso della corrente cambia, la densità di corrente varia, causando un surriscaldamento locale nei punti di contatto.Va inoltre tenuto presente che, in alcuni casi, le scintille che si formano durante il cambio di percorso possono fondere la superficie delle spazzole, accelerandone l’usura.
Poiché il deterioramento delle spazzole è causato dall’interazione di tre fattori – attrito, surriscaldamento e scintille – la durata dei motori a spazzole dipende in gran parte dallo stato di usura delle spazzole stesse. Per applicazioni che prevedono un funzionamento continuo prolungato o in condizioni di carico elevato, è necessario effettuare preventivamente una valutazione approfondita sull’apparecchiatura effettiva che verrà utilizzata.
Risoluzione dei problemi di usura legati ai motori brushless
I motori brushless, grazie alla loro struttura priva di spazzole e commutatore e al controllo della rotazione tramite circuiti elettronici, non presentano usura delle spazzole.Proprio perché non hanno spazzole, i motori brushless sono considerati migliori rispetto a quelli con spazzole in termini di durata, facilità di manutenzione e produzione di polvere. La durata del motore dipende quindi dalla durata dei cuscinetti e non dall’usura delle spazzole, il che permette un funzionamento a lungo termine.
Di seguito ti spiego le differenze tra i motori con spazzole e quelli senza spazzole in termini di usura.
| Criteri di confronto | Motori con spazzole | Motore senza spazzole |
| Scorrimento delle spazzole e del commutatore | Presente (contatto permanente) | No (controllato da un circuito elettronico) |
| Usura delle spazzole | Si verifica (principale causa della durata) | Non si verifica |
| Fattori che influenzano la durata | Stato di usura delle spazzole | Durata dei cuscinetti |
| Formazione di particelle di usura | Sì | Quasi nessuna |
| Contatto meccanico | Frequente | Pochi |
In passato, dato che si utilizzavano commutatori meccanici per invertire la direzione della corrente, questi si usuravano facilmente e non era facile garantire una lunga durata. Con la diffusione dei semiconduttori, i circuiti elettronici hanno preso il posto dei commutatori meccanici, permettendo ai motori senza spazzole di raggiungere una durata di vita molto più lunga rispetto a quella dei motori con commutatori meccanici.
Inoltre, la struttura con pochi punti di contatto meccanici è efficace anche nel ridurre la formazione di polvere da usura, i rumori di sfregamento e le vibrazioni. I motori brushless rappresentano una scelta ottimale per il funzionamento continuo a lungo termine e per l’uso in ambienti puliti in cui la presenza di polvere da usura è indesiderata.
Riepilogo
L’usura è il fenomeno per cui la superficie di un solido si consuma a causa del contatto e dell’attrito tra due corpi solidi; si divide in grandi categorie quali usura da adesione, usura abrasiva, usura da corrosione e usura da fatica. Poiché i meccanismi alla base di ciascuna di esse sono diversi, è necessario scegliere le contromisure più adatte al tipo di usura, come l’aumento della durezza del materiale, l’uso di lubrificanti o il trattamento delle superfici.Prevedere l’usura già in fase di progettazione e scegliere materiali e strutture adatti all’ambiente di utilizzo ti aiuterà a prolungare la durata dei componenti e a ridurre i costi di manutenzione.
Nei motori tradizionali, l’usura causata dallo sfregamento tra le spazzole e il commutatore rappresenta un problema che ne limita la durata; i motori brushless, invece, eliminano strutturalmente l’usura tra spazzole e commutatore, garantendo una maggiore durata.Grazie alla struttura che riduce al minimo i contatti meccanici, si limitano anche la formazione di polvere da usura e le vibrazioni; il design è quindi adatto al funzionamento continuo per lunghi periodi e all’uso in ambienti puliti.
Noi di C.I. Takiron trattiamo motori brushless che si distinguono per la lunga durata e le basse vibrazioni. Se hai dubbi su come prevenire l’usura o sulla scelta del motore giusto, non esitare a contattarci.
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