Cuscinetti ceramici e MTB: un’accoppiata vincente?

di Daniel Naftali

I cuscinetti ceramici sono molto apprezzati per le loro superiori caratteristiche rispetto ai cuscinetti tradizionali in acciaio. Nel mondo della bici da corsa poi sono utilizzati su molti componenti e vengono spesso forniti anche di serie sui prodotti top di gamma.

E nella mountain bike? Anche nel nostro sport i cuscinetti ceramici possono portare dei vantaggi?

Come è fatto un cuscinetto

Prima di entrare nello specifico, vediamo come è fatto un cuscinetto, cercando di dare un po’ di nomenclatura.

Il cuscinetto è “un dispositivo meccanico utilizzato per ridurre l’attrito tra due oggetti in movimento rotatorio o lineare tra loro”. Esistono diversi tipi di cuscinetti, quelli che oggi andremo ad analizzare sono i cuscinetti volventi (o a rotolamento) in cui il movimento è facilitato dall’interposizione tra parte fissa ed il perno di elementi volventi (generalmente sfere).

Un cuscinetto è composto da:

1. Pista esterna: o anello esterno, si tratta di un elemento che circonda il cuscinetto. All’esterno si presenta liscia, in modo che possa installarsi, per interferenza, in un’apposita sede circolare. Internamente invece è presente una gola, a forma di U, al cui interno scorrono le sfere.
2. Sfere: si tratta dell’elemento cuore del cuscinetto. Ruotando su se stesse consentono la rotazione relativa della pista interna rispetto a quella esterna con un basso attrito.
3. Distanziali: solitamente costituiti da una gabbia metallica, hanno il compito di tenere separate le sfere le une dalle altre sia per evitare che striscino tra di loro, sia per garantire che siano uniformemente distribuite lungo tutto la circonferenza del cuscinetto. Nei cuscinetti di tipo Max la gabbia distanziale non è presente.
4. Guarnizione: ha il compito di schermare la parte interna del cuscinetto dagli agenti esterni, quali acqua e polvere, e di trattenere il grasso di lubrificazione. Può essere di vario tipo, anche se nelle nostre MTB, che lavorano in condizioni di polvere e bagnato, solitamente si utilizza la guarnizione 2RS, con doppio labbro in gomma.
5. Pista interna: simile alla pista esterna, la pista interna svolge la funzione di fissarsi, sempre per interferenza, all’albero di rotazione e di funzionare da pista di scorrimento per le sfere.

La scorrevolezza di un cuscinetto

Che sia realizzato in acciaio, ceramica o qualsiasi altro materiale, un cuscinetto deve rispettare delle precise misure e tolleranze affinchè lo scorrimento risulti ottimale.

In particolare, per assicurare il miglior scorrimento, le piste devono essere perfettamente circolari e scavate seguendo un profilo circolare. Anche le guarnizioni svolgono un loro ruolo: le guarnizioni in gomma di tipo 2RS riducono la scorrevolezza, a causa dell’elevato attrito gomma-acciaio, ma si rivelando indispensabili al fine di preservare il cuscinetto.

Per quanto riguarda le sfere poi, queste devono essere quanto più circolari possibile, ovvero possedere una bassa eccentricità.

Realizzare piste di scorrimento e sfere quanto più possibile circolari ha un costo tanto più elevato tanto più basse sono le tolleranze di lavorazione. Poiché non in tutte le applicazioni è necessaria la massima scorrevolezza possibile, per ridurre il prezzo del prodotto finito i produttori realizzano diverse “qualità” di cuscinetti. Più si vuole che il cuscinetto sia scorrevole, minori saranno le tolleranze di lavorazione, maggiore sarà la precisione con cui sono realizzati i vari elementi e maggiore sarà il costo finale.

I cuscinetti “di precisione”, ovvero quelli con tolleranze di lavorazione più strette, vengono classificati con la scala ABEC. Questa scala classifica i cuscinetti con un numero dispari da 1 ad 11 (ABEC 1-3-5-7-9-11). Un numero alto indica cuscinetti costruiti secondo un migliore standard di precisione (numero più alto significa tolleranze minori, quindi cuscinetti più scorrevoli, ma costosi).

Cuscinetto con indicata la classificazione ABEC. Si noti come, trattandosi di cuscinetti al alta scorrevolezza, la schermatura sia in acciaio e non in gomma.

Per questo se vuole la massima scorrevolezza di un cuscinetto, non bisogna solo considerare il materiale con cui è realizzato, ma anche le tolleranze di lavorazione. Per assurdo un cuscinetto economico in ceramica (il classico prodotto cinese) può essere meno scorrevole di un cuscinetto in acciaio ad alta precisione.

Perché la ceramica?

La ceramica è generalmente noto come il materiale con cui si realizzano piatti e tazzine. Che senso ha utilizzare questo materiale in applicazioni meccaniche?

In realtà nell’industria meccanica non si utilizza la ceramica che intendiamo noi, ma i cosiddetti materiali ceramici, ovvero specifici materiali industriali ad alte prestazioni. In particolare molto utilizzato specialmente per i cuscinetti è il nitruro di silicio (Si3N4).

Componenti meccanici in nitruro di silicio.

Le caratteristiche meccaniche di questo materiale lo rendono particolarmente adatto all’utilizzo nei cuscinetti.

Innanzitutto il nitruro di silicio, è un materiale estremamente resistente e poco deformabile. Da un punto di vista teorico una sfera perfettamente circolare appoggiata su di un piano, dovrebbe avere una superficie di contatto puntiforme. Secondo questa regola quindi la sfera dovrebbe appoggiare sulla pista di scorrimento su di un segmento, essendo la pista scavata a forma circolare. In realtà, specialmente se si applicano grossi carichi, la sfera subisce delle deformazioni, ovvero uno schiacciamento. La superficie di contatto aumenta, si genera un ciclo di deformazioni elastiche e di conseguenza si hanno dispersioni di energia, sia per il maggiore attrito dovuto alla maggiore superficie di contatto che per le deformazioni elastiche di schiacciamento della sfera. Se si utilizza un materiale ceramico, questo è più rigido e significa che subirà meno deformazioni sotto carico, mantenendo la sua sfericità e rendendo quindi il cuscinetto più scorrevole.

L’elevata resistenza meccanica dei materiali ceramici inoltre consente al cuscinetto di sopportare carichi più elevati senza danneggiarsi e senza perdere troppo in scorrevolezza, senza contare che la maggiore durezza della ceramica garantisce una minore usura.

I materiali ceramici poi hanno un coefficiente di attrito più basso dell’acciaio. Questo comporta una resistenza al rotolamento delle sfere inferiore e quindi una minore dispersione di energia.

Non da trascurare poi è il fatto che i ceramici resistono ad elevate temperature, sono isolanti termici ed elettrici. Forse queste caratteristiche non sono così essenziali in ambito ciclistico, ma per altre applicazioni sono molto utili.

I cuscinetti ceramici non hanno inoltre bisogno di lubrificazione e pesano meno di quelli in acciaio.

In zone molto soggette alla presenza di acqua, come il movimento centrale, i cuscinetti ceramici assicurano una maggior durata.

Ultima caratteristica, ma non ultima come importanza, è il fatto che i materiali ceramici non ossidano. Questo è un enorme vantaggio quando si ha a che fare a cuscinetti esposti all’acqua o ad agenti corrosivi. I cuscinetti delle nostre mountain bike infatti difficilmente arrivano a fine vita per usura, ma si deteriorano precocemente a causa dell’ossidazione indotta dall’acqua (acqua di lavaggio o proveniente dal terreno che può superare le guarnizioni del cuscinetto e stagnare al suo interno). L’utilizzo di cuscinetti ceramici quindi risolva alla radice questo problema.

Cuscinetti ceramici: le diverse tipologie

Di cuscinetti ceramici esistono tanti tipi. Vedremo qui di seguito in che modo i materiali ceramici vengono sfruttati dall’industria del cuscinetto. Non sempre infatti tutti componenti sono realizzati in ceramica, anzi molto spesso diverse parte sono in acciaio, nonostante il cuscinetto possa avere la denominazione “ceramico”.

In alcuni cuscinetti soltanto i distanziali vengono realizzati in ceramica (Ceramic Hybrid Bearing, cuscinetti ibridi ceramici):

Il vantaggio di questa soluzione è il costo, piuttosto contenuto. Realizzano i distanziali tra le sfere in ceramica, si sfrutta il minor coefficiente di attrito ceramica-acciaio per aumentare la scorrevolezza. Poiché le sfere strisciano sui distanziali, l’abbassamento del coefficiente di attrito riduce la dispersione di energia, il tutto ad un costo produttivo piuttosto contenuto.

In altri cuscinetti invece sono le sfere ad essere realizzate in materiale ceramico:

Questa soluzione è quella più utilizzata dai principali produttori di questo tipo di cuscinetti. Come abbiamo visto l’utilizzo di sfere ceramiche, quindi più rigide e meno deformabili, comporta un miglioramento della scorrevolezza del cuscinetto. L’utilizzo di sole sfere ceramiche è molto efficace in quanto sono le sfere che deformandosi riducono la scorrevolezza. Le piste sono meno sollecitate. Con questa soluzione si riduce il costo di lavorazione rispetto ad una soluzione completamente ceramica, con un ottimo risultato in termini di scorrevolezza.

Esistono poi i cuscinetti completamente ceramici, in cui sia le sfere che le piste di scorrimento sono realizzate in ceramica:

Risulta evidente che il costo di questi cuscinetti è per forza molto elevato, essendo la ceramica un materiale più costoso da lavorare. Il grosso vantaggio di questi cuscinetti, oltre alla miglior scorrevolezza e all’ottima resistenza ai carichi elevati, è che non essendoci parti in acciaio non c’è nulla che si possa ossidare.

Ne vale la pena?

Chiunque abbia sfogliato un catalogo di cuscinetti, avrà visto che i cuscinetti ceramici hanno costi molto più elevati rispetto a quelli in acciaio. Si arriva spesso a prezzi oltre il centinaio di euro per singolo cuscinetto, quando un cuscinetto in acciaio di buona qualità difficilmente supera alcune decine di euro.

Abbiamo però visto che l’utilizzo dei materiali ceramici comporta diversi vantaggi. La domanda quindi sorge spontanea: il gioco vale la candela?

Non dobbiamo infatti dimenticare che le nostre MTB sono soggette a forti attriti esterni, primo tra tutti quello tra copertone e suolo. Quanto possono essere quindi influenti gli attriti dei cuscinetti, quando abbiamo una gomma tassellata, di sezione abbondante che scorre su un fondo magari cedevole? Non è sufficiente la scorrevolezza di un buon cuscinetto in acciaio, magari di buona qualità?

Cuscinetto in acciaio rovinato dalla ruggine.

Diverso è il discorso per quanto riguarda la durabilità. I cuscinetti sulle nostre biciclette sono fortemente soggetti alla corrosione. Quando si gira sotto la pioggia, quando si guada un ruscello, quando si prende una pozzanghera o semplicemente si lava la bici è infatti facile che dell’acqua possa entrare all’interno dei cuscinetti, causandone l’ossidazione. Anzi, potremmo dire con tranquillità che l’ingresso di acqua all’interno del cuscinetto e la conseguente ossidazione è la principale causa di malfunzionamento dei cuscinetti.
In quest’ottica quindi l’utilizzo di cuscinetti ceramici nelle parti più esposte (pulegge del cambio, mozzi e movimento centrale) può comportare dei vantaggi in termini di maggior durata del componente.

Ne vale la pena quindi?
La risposta è dipende. Per migliorare la scorrevolezza l’utilizzo di un buon cuscinetto in acciaio ad alta precisione è sicuramente una soluzione più economica ed altrettanto efficace, per quanto riguarda la durabilità invece la soluzione ceramica è più vantaggiosa di qualsiasi soluzione in acciaio. Non c’è quindi una risposta definitiva…

Se si vuole il massimo della performance sicuramente i cuscinetti ceramici sono superiori a quelli in acciaio, se invece si considera il fattore costo, non è detto che i vantaggi siano tali da giustificare il maggior costo.

Voi invece cosa ne pensate? Ritenete che l’utilizzo di cuscinetti ceramici comporti un miglioramento della scorrevolezza complessiva della bici, o si tratta di un miglioramento trascurabile rispetto agli attriti che entrano in gioco sulle nostre mountain bikes? Ritenete che la maggior durata dei cuscinetti ceramici giustifichi il loro costo? Avete trovato vantaggi montando cuscinetti ceramici?
Dite la vostra!