Mecanismos y Elementos de Máquinas
Mecanismos y Sistemas de Aeronaves
Teoría general de los rodamientos.
Ing. Pablo Ringegni.
Contenido:
1.-Teoría básica.
1.1-¿Por qué cojinetes con elementos rodantes? Pag.1.
1.2-Constitución. Pag.4.
1.3-¿Por qué el uso de rodamientos? Pag.6.
2.-Tipos existentes. Pag.6.
3.-Análisis cinemático. Pag.15.
4.-Análisis dinámico. Pag.16 5.-Generalidades. Pag.18.
5.1-Materiales para cojinetes. Pag.18.
5.2-Procesos de fabricación. Pag.19.
5.3- Normalizaciones. Pag.19.
5.4-Montaje y desmontaje. Pag.23.
5.5- Lubricación.. Pag.27.
5.6- Obturaciones y cierres. Pag.32.
6.-Análisis resistente. Pag.34
6.1-Capacidad de carga estática de un rodamiento. Pag.35.
6.2-Capacidad dinámica de carga de un rodamiento. Pag.37.
6.3-Duración de los rodamientos. Pag.38.
7.-Selección de rodamientos. Pag.39.
7.1-Selección del tipo de rodamiento. Pag.39.
7.1.1-Espacio disponible. Pag.39.
7.1.2-Cargas. Pag.40.
7.1.3-Desalineación. Pag.42.
7.1.4-Precición. Pag.43.
7.1.5- Velocidad. Pag.43.
7.1.6-Funcionamiento silencioso. Pag.43.
7.1.7-Rigidez. Pag.44.
7.1.8-Desplazamiento axial. Pag.44.
7.1.9-Montaje y desmontaje. Pag.44.
7.2-Selección del tamaño del rodamiento. Pag.47.
8.-Fallos en cojinetes de rodamientos. Pag.47.
1.-Teoría básica.
Todas las rodaduras que transfieren cargas a través de elementos rodantes, se denominan rodamientos.
Dependiendo del tipo de elementos rodantes que son usados en los rodamientos, se los divide en rodamientos a bolillas o de bolas, rodamientos de cilindros, etc.
La diferencia entre ellos se basa en la forma de transmitir carga de cada uno; para los rodamientos de bolillas la carga se transfiere sobre una pequeña superficie de contacto - punto de contacto- con la pista por la que ruedan, siendo la capacidad de llevar carga menor que la de los rodamientos de cilindros, dado que estos transmiten la carga a través de una línea de contacto con la pista donde ruedan.
Fig. 1 Fig. 2l
1.1-¿Por qué cojinetes con elementos rodantes?
Uno de los factores que hacen tan populares a los cojinetes con elementos rodantes (o rodamientos), es su muy baja fricción.
Se puede hacer una comparación muy simple entre un cojinete con elementos rodantes, y uno de rodadura plana o por deslizamiento.
Fig.3 Fig.4
Línea de contacto.
En un cojinete por rodadura o deslizamiento el eje se desliza en un huelgo, separado por una mas o menos buena película de lubricante.
En un cojinete con elementos rodantes el anillo o aro interior, rueda sobre elementos rodantes, que ruedan sobre el anillo exterior.
Bajo las mismas condiciones de carga la fricción en un rodamiento por deslizamiento es mucho mayor que en un rodamiento con elementos rodantes.
La fricción de un cojinete deslizante varia con la velocidad de rotación, pero es prácticamente constante para una cojinete con elementos rodantes.
Figura 5.
Desde el principio se observa que el momento de arranque de un cojinete deslizante, es bastante grande. Este depende del contacto metálico en el rodamiento a cero y bajas velocidades.
La fricción decrece cuando se incrementa la velocidad, y es creada una película de lubricante, pero al mantener altas velocidades las perdidas por fricción hidrodinámica, en la película de lubricante, se incrementan.
Un cojinete con elementos rodantes tiene, en cambio muy pequeñas perdidas por fricción hidrodinámica comparado con el rodamiento deslizante.
Se puede concluir que el cojinete con elementos rodantes tiene menor fricción comparado con el cojinete deslizante, especialmente a altas y bajas velocidades.
Los cojinetes con elementos rodantes tienen las siguientes ventajas, comparados con los cojinetes deslizantes:
• Bajo momento de arranque.
• Baja fricción a altas velocidades.
• Bajo consumo de energía.
• Alta mantenabilidad.
• Pequeño ancho.
• Bajo consumo de lubricante.
• Largos intervalos de relubricación.
• Fácil de montar y desmontar.
La principal desventaja es su alta sensibilidad a los choques y sobrecargas, así como a los defectos de montaje, y a la acumulación de suciedad.
De ahora en mas llamaremos rodamientos a los cojinetes con elementos rodantes.
1.2-Constitución.
Son mecanismos constituidos por un anillo interior unido solidariamente al árbol o eje (pudiendo en consecuencia, ser giratorio o no), otro anillo exterior unido al soporte del cojinete (que también puede ser fijo o giratorio), y un conjunto de elementos rodantes (que pueden ser bolas, rodillos o conos), colocados entre ambos anillos.
Como elemento auxiliar, y con el único objeto de que los elementos rodantes no queden sueltos dentro de los anillos, se usan armaduras, jaulas o separadores que se desplazan junto con los elementos rodantes, moviéndose alrededor del eje del rodamiento.
Figura 6.
En forma más detallada, se puede decir:
• Elementos rodantes:
Pueden ser bolillas, cilindros o rodillos; esferas; cilindros o rodillos cónicos; rodillos finos o alargados (agujas).
Figura 7 .
Estos rotan, entre las guías de los anillos exterior e interior, y transmiten la carga actuante en el rodamiento a través de una pequeña superficie de contacto separada por una delgada capa o película de lubricante.
• Anillo interior:
El anillo interior esta normalmente montado en el eje de una maquina, y es en la mayoría de los casos la parte rodante. El diámetro interior puede ser cilíndrico o ahusado. La guía por la cual corren los elementos rodantes, puede tener diferentes formas (esférica; cilíndrica; ahusada), siempre dependiendo del tipo de elemento rodante que lleve.
• Anillo exterior:
Este va normalmente montado sobre un alojamiento de una maquina, y en la mayoría de los casos rota
La guía sobre la cual corren los elementos rodantes puede tener diferentes formas, (esférica; cilíndrica; ahusada), coincidente con la del anillo interior.
• La jaula:
La jaula separa los elementos rodantes entre sí durante su operación, evitando así causar una condición pobre de lubricación.
En muchos tipos de rodamientos la jaula mantiene unido a estos durante su manipuleo.
• Sellos:
Son esenciales para una larga y confiable vida del rodamiento.
Estos protegen al rodamiento de la contaminación (polvo, partículas sólidas, solventes, etc.)
1.3-¿Por qué el uso de rodamientos?
El propósito fundamental de los rodamientos es el transmitir una carga (o cargas) desde una parte estacionaria de una maquina, (comúnmente un alojamiento), a una parte rotante de esta (comúnmente un eje), con el mínimo de resistencia posible (o sea con la mínima perdida de energía).
Las cargas que se transmiten pueden ser desde:
La masa de la maquina sus componentes.
Cambios de momentos.
La transmisión de poder.
Para los rodamientos estas cargas pueden ser transmitidas entre los anillos interiores y exteriores de este a los elementos rodantes.
2.-Tipos existentes.
Los rodamientos se pueden clasificar según tres grupos:
a) Atendiendo a su forma:
1. De bolas (los elementos rodantes son bolas).
2. De rodillos cilíndricos.
- Normales (los elementos rodantes son cilindros).
- De agujas (los elementos rodantes son cilindros muy delgados) - Agujas - que se montan directamente sobre el árbol.
3. De rodillos esféricos (los elementos rodantes son cilindros de sección variable, resultando de forma glóbica).
4. De rodillos cónicos (los elementos rodantes tienen forma tronco cónica).
b) Atendiendo al tipo de carga que soportan:
1. Radiales (que soportan solo carga radial) 2. Axiales (que soportan solo carga axial).
3.De empuje o mixtos (que soportan carga radial y axial, simultáneamente)
c) Atendiendo a la inclinación del eje o árbol:
1. Rígidos (no permiten ninguna oscilación del rodamiento respecto del eje en un plano perpendicular al del giro de los elementos rodantes)
2. Pivotantes (permiten una cierta oscilación del rodamiento respecto del eje, en el plano mencionado anteriormente)
A continuación se detallan algunos de ellos con su esquema correspondiente:
Cojinete radial rígido de una fila de bolas(ó rodamiento de bola, de hilera única, ranura profunda)
Los cojinetes radiales rígidos de una fila de bolas(ó rodamientos de bola, de hilera única, ranura profunda), en ocasiones se denominan cojinetes de Conrad.
Por lo general, la pista de rodamientos interna se presiona contra el eje con un ajuste de interferencia pequeño para asegurar que gire junto con él. Las piezas esféricas giratorias, o bolas, giran dentro de una ranura profunda tanto en los anillos externos como en los internos.
El espaciamiento de las bolas se mantiene mediante dispositivos de retención o
"jaulas". La ranura permite que se soporte una carga considerable de empuje porque se le diseña para soportar carga radial. La carga de empuje se aplicara en un lado de la pista de rodamientos interna mediante un hombro en el eje. La carga pasará a lo largo del lado de la ranura, a través de la bola, hacia el lado opuesto del anillo de bolillas externo, y después a la carcasa.
El radio de las bolillas es un poco más pequeño que el radio de las ranuras para permitir el rodamiento libre de las bolas. En teoría, el contacto entre una bola y la pista de los rodamientos se da en un punto, sin embargo, en realidad es un área circular pequeña debido a la deformación de las piezas. Como las carga es soportada en un área pequeña se presentan tensiones debidas al contacto muy altas a nivel local.
Para incrementar la capacidad de carga de un cojinete de hilera única, se debe utilizar un cojinete que tenga mayor número de bolillas, o bolillas más grandes que funcionen en pistas de rodamientos más grandes.
Figura 9.
Cojinete radial rígido de dos filas de bolas(ó rodamiento de doble hilera ranura profunda) Si se le compara con el diseño de una sola hilera, agregar una segunda hilera de bolas (figura10.) Incrementa la capacidad para soportar carga radial del tipo de cojinete de ranura profunda porque es mayor el número de bolas que soportan la carga. Por tanto, una mayor carga puede ser soportada por el mismo espacio, o una carga especifica puede ser soportada en un espacio más pequeño.
El espesor más grande de los cojinetes de doble hilera suele afectar de manera adversa la capacidad de desalineación.
Figura 10.
Figura 11.
Cojinete de bolas de contacto angular (ó rodamiento de empuje).
Si se le compara con el cojinete estándar de hilera única y ranura profunda, en un cojinete de contacto angular, un lado de cada pista de rodamientos es más alto para permitir cargas de empuje más considerables.
Figura 12
En la figura 13 se muestra el ángulo que se prefiere de la fuerza resultante (cargas axiales y de empuje combinadas) con cojinetes disponibles en el mercado que tienen ángulos de entre 15º y 40º (la definición de este ángulo se detalla en "Ángulo de contacto")
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Figura 13 .
