UNIDAD III__COJINETES CON CONTACTO DE RODADURA - (RODAMIENTOS).

El propósito de un cojinete es soportar una carga y al mismo tiempo permitir el movimiento relativo entre dos elementos de una máquina. El término cojinetes con contacto de rodadura se refiere a una gran variedad de cojinetes llamados rodamientos , los cuales usan bolas esféricas o algún otro tipo de rodillos entre los elementos estacionario y móvil. El tipo más común de cojinete soporta un eje rotatorio, y resiste cargas puramente radiales, o una combinación de cargas radiales y axiales (de empuje). Algunos cojinetes están diseñados para soportar solamente cargas de empuje. La mayoría de los cojinetes se usan en aplicaciones que involucran rotación, pero hay algunos que se usan en aplicaciones de movimiento lineal.

Los componentes de un cojinete con contacto de rodadura típico son la pista interior, la pista exterior y los elementos rodantes. La figura 14-1 muestra el rodamiento con una sola hilera de bolas y ranura profunda, que es el tipo común. En general, la pista exterior es estacionaria, y está sujetada a la caja de la máquina. La pista interior se introduce a presión en el eje giratorio y, en consecuencia, gira con él. Entonces, las bolas ruedan entre las pistas exterior e interior. La trayectoria de la carga es: del eje, a la pista interior, a las bolas, a la pista exterior y, por último, a la caja. La presencia de las bolas permite una rotación muy uniforme, con poca fricción por parte del eje. El coeficiente de fricción típico para un rodamiento es de 0.001 a 0.005, aproximadamente.

Esos valores sólo reflejan a los elementos rodantes mismos, y los medios de retenerlos
en el rodamiento. La presencia de sellos, demasiado lubricante, o cargas excepcionales
aumenta esos valores.

Rodamiento de una hilera de bolas y ranura profunda

A veces se le llama rodamiento Conrad a este tipo de rodamientos, y tiene las características que imagina la mayoría de las personas al escuchar el término rodamiento de bolas (vea la figura14-1). La pista interior entra en el eje casi siempre con presión en el asiento del rodamiento, con un ajuste de interferencia pequeña, para asegurar que gire con el eje. Los elementos rodantes esféricos, o bolas, ruedan en una ranura profunda, tanto en la pista interior como en la exterior. Se mantienen las distancias entre las bolas con los retenes o “jaulas”. Si bien están diseñadas principalmente para tener capacidad de carga radial, la ranura profunda permite soportar una carga de empuje bastante apreciable. La carga de empuje se aplicaría a un lado de la pista interior, mediante un hombro en el eje. Esa carga pasaría por el lado de la ranura, a la bola, al lado opuesto de la pista externa, y por último a la caja. El radio de la bola es un poco menor que el radio de la ranura, para permitir la rodadura libre de las bolas. El contacto entre una bola y la pista se da en ese punto, teóricamente, pero en realidad es un área pequeña circular, por la deformación de los elementos. Ya que la carga se soporta sobre una área pequeña, se presentan esfuerzos de contacto locales muy altos. Para incrementar la capacidad de un rodamiento de una sola hilera, debería usarse un rodamiento con mayor número de bolas, o bolas mayores que trabajen en pistas de mayor diámetro.

Rodamiento con doble hilera de bolas y ranura profunda

Si se agrega una segunda hilera de bolas (figura 14-2) se incrementa la capacidad de carga radial de estos rodamientos, porque hay más bolas que comparten la carga, en comparación con los de una sola hilera de bolas. Así, se puede soportar una carga mayor en el mismo espacio, o determinada carga puede ser soportada en un espacio menor. El mayor ancho de los cojinetes con doble hilera de bolas suele afectar de forma adversa la capacidad de desalineamiento.

Rodamiento de bolas con contacto angular

Un lado de cada pista, en un rodamiento de contacto angular, es más alto, para permitir la adaptación a mayores cargas de empuje en comparación con los rodamientos normales con una hilera bolas y ranura profunda. El esquema de la figura 14-3 muestra el ángulo preferido de la fuerza resultante (carga radial y de empuje combinadas), y los rodamientos comerciales tienen ángulos de 15° a 40°.

Rodamiento de rodillos cilíndricos

Si se reemplazan las bolas esféricas por rodillos cilíndricos (figura 14-4), con los cambios correspondientes en el diseño de las pistas, se obtiene una mayor capacidad de carga radial. El patrón de contacto entre un rodillo y su pista es, teóricamente, y se convierte en una forma rectangular a medida que los miembros se deforman bajo la carga. Los valores resultantes del esfuerzo de contacto son menores que en rodamientos de bolas de igual tamaño, lo cual permite que los rodamientos más pequeños puedan soportar determinada carga, o un rodamiento de determinado tamaño puede soportar mayor carga. La capacidad de carga de empuje es mala, porque cualquier carga de empuje se aplicaría al costado de los rodillos, lo cual causa fricción y no movimiento

verdadero de rodadura. Se recomienda no aplicar carga de empuje. Los rodamientos de rodillos son bastante anchos, por lo común, y en consecuencia tienen poca capacidad de adaptarse a los desalineamientos angulares.

Rodamiento de agujas

Los rodamientos de agujas (figura 14-5) son en realidad rodamientos de rodillos, pero sus rodillos tienen mucho menor diámetro, como se puede ver al comparar las figuras 14-4 y 14-5. En el caso típico, se requiere un espacio radial menor, para que los rodamientos de agujas soporten determinada carga, que en cualquier otro tipo de cojinete con contacto de rodadura. Eso facilita el diseño de su incorporación en muchos tipos de equipos y componentes, tales como bombas, juntas universales, instrumentos de precisión y electrodomésticos. El seguidor de leva de la figura14-5(b) es otro ejemplo donde la operación antifricción de los rodamientos de agujas se puede incorporar, y se requiere poco espacio radial. Como con otros rodamientos de rodillos, lascapacidades de  empuje y desalineamiento son malas.

Rodamientos de rodillos esféricos

El rodamiento de rodillos esféricos (figura 14-6) es una forma de cojinete autoalineante, llamado así porque existe una rotación real de la pista exterior en relación con los rodillos y con la pista interior, cuando existen desalineamientos angulares. Esto causa la excelente calificación de capacidad de desalineamiento, y al mismo tiempo se conservan, en forma virtual, las mismas calificaciones por la capacidad de carga radial.

Rodamientos de rodillos cónicos

Los rodamientos de rodillos cónicos (figura 14-7) están diseñados para tomar cargas apreciables de empuje y también grandes cargas radiales, lo que redunda en excelentes calificaciones para ambas. Con frecuencia se usan en rodamientos de rueda de vehículos y equipos móviles, y en maquinaria pesada con grandes cargas inherentes de empuje. La sección 14-2 contiene información adicional acerca de su aplicación. Las figuras 8-25, 9-36, 10-1 y 10-2 muestran cojinetes de rodillos cónicos aplicados en reductores de velocidad con engranes.

PROBLEMA MODELO

 Procedimiento para seleccionar un rodamiento. Sólo carga radial

Usando la gráficas de la figura 14-12, el resultado sería el siguiente:

SELECCIÓN DE

RODAMIENTOS:

CARGAS

RADIALES

Y DE EMPUJE,

COMBINADAS

Cuando sobre un rodamiento se ejercen, al mismo tiempo, cargas radiales y de empuje, la carga equivalente es la carga radial constante que produciría la misma duración nominal del rodamiento que la carga combinada. El método de cálculo de la carga equivalente, P, para esos casos, se presenta en el catálogo del fabricante, y tiene la forma

P =VXR + YT         (14-6)

donde 

P = carga equivalente

V = factor por rotación (como se definió)

R = carga radial aplicada

T = carga de empuje aplicada

X = factor radial

Y = factor de empuje

Procedimiento

para seleccionar

un rodamiento.

Cargas radial

y de empuje

Vida de los cojinetes

Cuando rotan la bola o el rodillo de los cojinetes de contacto, se desarrollan esfuerzos de contacto en el anillo interior, en el elemento rodante y en el anillo exterior. Como la curvatura de los elementos en contacto en la dirección axial es diferente de la curvatura en la dirección radial, las ecuaciones de los esfuerzos son mucho más complicadas que las ecuaciones de Hertz que se presentaron en el capítulo 3. Si un cojinete está limpio y se lubrica de manera apropiada, si está montado y sellado para evitar la entrada de polvo y suciedad, si se mantiene en esta condición y si se hace funcionar a temperaturas razonables, entonces la fatiga del metal será la única causa de falla. Puesto que la fatiga del metal implica muchos millones de aplicaciones de esfuerzo que se han soportado con éxito, se necesita una medida cuantitativa de la vida. Las medidas comunes son:

• El número de revoluciones del anillo interior (el anillo exterior está inmóvil) hasta que se presenta la primera evidencia tangible de fatiga.

• El número de horas de uso a una velocidad angular estándar hasta que se advierte la primera evidencia tangible de fatiga.

El término que comúnmente se emplea es vida del cojinete, que se aplica a cualquiera de las medidas que se mencionaron. Es importante darse cuenta que, como en todo tipo de fatiga, la vida según se definió anteriormente es una variable estocástica y, como tal, tiene distribución y parámetros estadísticos asociados. La medida de la vida de un cojinete individual. Se define como el número total de revoluciones (u horas a una velocidad constante) de operación del cojinete hasta que se presente el criterio de falla. Bajo condiciones ideales, la falla por fatiga consiste en el descascarado de las superficies de soporte de la carga. La norma de la American Bearing Manufacturers Association (ABMA) establece que el criterio de falla es la primera evidencia de la fatiga. El criterio de fatiga de los laboratorios de la compañía Timken consiste en el descascarado o picadura de un área de 0.01 pulg2. Asimismo, Timken también señala que la vida útil del cojinete se puede extender mucho más allá de este punto.

Lo anterior es una definición operacional de la falla por fatiga de cojinetes de rodamiento. La vida nominal es un término sancionado por la ABMA que emplean la mayoría de los fabricantes de cojinetes. La vida nominal de un grupo de cojinetes de bolas o de rodillos prácticamente idénticos se define como el número de revoluciones (u horas a una velocidad 11-2 constante) que 90 por ciento de un grupo de cojinetes alcanza o excede, antes de que se desarrolle el criterio de falla. Los términos vida mínima, vida L10 y vida B10 también se utilizan como sinónimos de vida nominal. La vida nominal es la ubicación del décimo percentil de la distribución de revoluciones a la falla del grupo de cojinetes.

La vida media (mediana) es la vida del cincuentavo percentil de un grupo de cojinetes. El término vida promedio se ha empleado como sinónimo de la vida media, lo cual contribuye a la confusión. Cuando se prueban muchos grupos de cojinetes, el valor de la vida media se encuentra entre 4 y 5 veces el valor de la vida L10. Cada fabricante de cojinetes elegirá una vida nominal específica a la cual se reportan las

capacidades de carga de sus cojinetes. La vida nominal más utilizada es de 106 revoluciones.

La Timken Company es una excepción muy bien conocida, establece para sus cojinetes 3 000 horas a 500 rev/min, que implica 90(106) revoluciones. En realidad, estos niveles de vida nominal son bastante bajos para los cojinetes actuales, pero como la vida nominal es un punto de referencia arbitrario, en general los valores tradicionales se han mantenido.