Elementod de Maquinas - Rodamientos industriales

República Bolivariana de Venezuela Elementos de Máquinas Ing. Jesús Rivera

RODAMIENTOS INDUSTRIALES

Integrantes: •

Gómez Rivas, Claudio Sergio

•

Más y Rubí Márquez, Alberto José

Maracaibo, abril de 2010

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INDICE

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Introducción 1. Definiciones 1.1. Códigos y normas 2. Clasificación de rodamientos 2.1. Cojinetes de superficie plana (chumaceras) 2.1.1. Cojinete con lubricación en el límite 2.1.2. Cojinete con lubricación por película mixta 2.1.3. Cojinete con lubricación por película completa 2.2. Cojinetes giratorios de contacto (rodamientos) 2.2.1. Rodamientos radiales 2.2.1.1. Rodamientos rígidos de bolas 2.2.1.1.1. Rodamientos rígidos de una hilera de bolas 2.2.1.1.2. Rodamientos de una hilera de bolas de diseño básico 2.2.1.1.3. Rodamientos con placas de protección o de obturación 2.2.1.1.4. Rodamientos con ranura para anillo elástico 2.2.1.1.5. Rodamientos rígidos de bolas apareados 2.2.1.2. Rodamientos de bolas a rótula (autorregulación) 2.2.1.2.1. Rodamientos de rótula de diseño básico 2.2.1.2.2. Rodamientos obturados 2.2.1.2.3. Rodamientos con aro interior prolongado

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2.2.1.3.

3.

4. 5. 6.

7. 8.

Rodamientos de bolas con contacto angular 2.2.1.3.1. Rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular 2.2.1.3.2. Rodamientos para apareamiento universal 2.2.1.3.3. Rodamientos de rodillos cilíndricos 2.2.1.3.4. Rodamientos de agujas 2.2.2. Rodamientos axiales Aspectos generales de los rodamientos 3.1. Componentes de un rodamiento 3.1.1. Anillos 3.1.2. Elementos rodantes 3.1.3. Jaulas Duración o vida útil de un rodamiento Relación entre carga y vida útil Selección de rodamientos 6.1. Solo con carga radial 6.1.1. Proceso de selección de los rodamientos 6.2. Cargas combinadas (radial y empuje) 6.2.1. Rodamientos de bolas y rodamientos de rodillos cilíndricos 6.2.2. Rodamientos ahusados cónicos y de rodillos Materiales y acabados Aspectos importantes sobre el montaje, operación y mantenimiento de rodamientos

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8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. 8.8. Conclusiones Bibliografía Anexos

Lubricación Montaje Precarga (carga previa) Alineamiento Sellos Rigidez Velocidades límite Tolerancias

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INTRODUCCION El presente trabajo se realizó mediante una investigación a fuentes primarias y secundarias, en el trabajo, se trata el tema de rodamientos industriales, siendo éstos instrumentos cuya finalidad es el mejoramiento de la movilidad interna de las máquinas, así como impedir daños que se puedan generar por el roce entre piezas mecánicas. El objetivo del trabajo es explicar la definición de rodamiento, sus tipos, sus aplicaciones, la fórmula de su vida útil, conocer la nomenclatura utilizada para estas herramientas, explicar los factores a considerar para seleccionar un rodamiento y el análisis las diferentes actividades a considerar para el mantenimiento de los rodamientos.

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1. DEFINICIONES Cojinete: Es un elemento mecánico diseñado para soportar una carga en tanto permite el movimiento relativo entre dos piezas de una máquina (ver la siguiente figura).

Rodamiento: Se emplea para describir la clase de cojinete que soporta a un eje cuya carga principal se transmite a través de elementos que están en contacto rodante y no deslizante. Rodamiento, es el término más comúnmente usado para definir un cojinete (ver siguiente figura).

Duración o Vida Útil de un Rodamiento: Es el número de revoluciones (número de horas de funcionamiento a una velocidad constante dada) que un rodamiento es capaz de soportar antes de presentar los primeros síntomas de fatiga (desconchado) en uno de sus aros o de sus elementos rodantes.

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Capacidad Básica de Carga (C): Es la carga radial constante que puede soportar un grupo de rodamientos, aparentemente idénticos hasta una duración nominal de un millón de revoluciones del aro interior (carga estacionaria y aro exterior fijo). También es llamada capacidad de carga dinámica y se usa siempre para determinar la duración del rodamiento para todas las condiciones de velocidad y carga.

Carga Radial Equivalente (Fr): Es la carga radial estacionaria y constante que, si está aplicada a un rodamiento con anillo interior que gira y con anillo exterior estacionario, daría la misma duración que aquella que el rodamiento alcanzaría en las condiciones reales de carga y de rotación. Capacidad de Carga Estática (Co): Es la carga radial estática que corresponde a una deformación permanente total del elemento rodante y del anillo de 0,0001 del diámetro del elemento rodante. Esta capacidad se usa solamente para verificar si ocurrirá deformación permanente de los elementos rodantes. Nunca se debe usar para calcular la duración del rodamiento. Carga Estática Equivalente (Fe): Es la carga estática radial que, si se aplica, causaría la misma deformación permanente total en el contacto más fuerte con esfuerzo de bola y anillo que aquella que ocurriría en las condiciones reales de carga.

1.1. CÓDIGOS Y NORMAS

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Son todas las regulaciones que rigen cualquier diseño de ingeniería. Indican las pautas a seguir durante el desarrollo de los cálculos. Ejemplo, valores máximos y/o mínimos permitidos, factores de seguridad recomendados, entre otros. Si el miembro que se diseña cae bajo la jurisdicción de un código o norma existente, es obvio que debe elegirse un factor de seguridad o esfuerzo de diseño que satisfaga este código o norma. Algunos ejemplos de instituciones que imponen normas para diseños son: ANSI:

American

Nacional

Standards

Institute

(Instituto

Nacional

Americano de Normas).

AISI: American Iron and Steel Institute (Instituto Americano del Hierro y el Acero).

ASA: American Stantards Association (Asociación Americana de Normas). AFBMA: Anti-friction Bearing Manufactures Association (Asociación de Fabricantes de Rodamientos Anti-fricción). ABEC: Annular Bearing Engineers Committee (Comité de Ingenieros de Rodamientos Anulares).

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BMEC: Ball Manufacturers Engineers Committee (Comité de Ingenieros Fabricantes de Rodamientos de Bolas). ISO: Internacional Standards Organization (Organización de Normas Internacionales). RBEC: Roller Bearing Engineers Committe (Comité de Ingenieros de Rodamientos de Rodillo). 2. CLASIFICACIÓN DE RODAMIENTOS A continuación, se indica una clasificación general de rodamientos basada en los criterios establecidos por las dos principales empresas diseñadoras y fabricantes de rodamientos como lo son: SKF y FAG. Cabe destacar, que esta clasificación está regida de acuerdo al tipo de carga que los rodamientos están soportando en un momento dado, radial, axial o ambas. Para mayores detalles ver los anexos B y C. Los cojinetes están divididos en dos grupos: •

Cojinetes de Superficie Plana (Chumaceras).

•

Cojinetes Giratorios de Contacto (Rodamientos).

2.1. COJINETES DE SUPERFICIE PLANA (CHUMACERAS)

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Un cojinete de superficie plana, es aquel donde dos superficies se mueven en forma relativa, una respecto a la otra sin el beneficio del contacto giratorio, presentando contacto por deslizamiento. El nombre de chumacera se utiliza a veces para cojinetes de superficie plana. En el caso de un cojinete en un eje que rota, la parte del eje que gira donde se encuentra el cojinete recibe el nombre de muñón. La parte fija que soporta la carga es el cojinete (ver siguiente figura).

Los cojinetes de superficie plana se subdividen en tres grupos: 2.1.1. Cojinete con Lubricación en el Límite Existe contacto real entre las superficies sólidas de las partes movible y fija del sistema de cojinetes, si bien hay una película de lubricante. 2.1.2. Cojinete con Lubricación por Película Mixta Una zona de transición entre lubricación en el límite y lubricación por película completa. 2.1.3. Cojinete con Lubricación por Película Completa Las partes movible y fija del sistema de cojinetes están separadas por una película completa de lubricante que soporta la carga. El término lubricación hidrodinámica se suele utilizar para describir este tipo. Estos tres tipos de lubricación pueden encontrarse en un cojinete sin presurización externa de éste. Si al cojinete se le abastece de lubricante presurizado, se le denomina cojinete hidrostático.

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2.2. COJINETES GIRATORIOS DE CONTACTO (RODAMIENTOS) La ventaja más importante de estos rodamientos es que el rozamiento inicial en el arranque no es mucho mayor que en funcionamiento normal, es decir, el coeficiente de rozamiento varía poco con la carga y la velocidad salvo en valores extremos. Esto implica que requieran poco lubricante y poca conservación. Otras características importantes es que ocupan menos espacio axial y más espacio diametral que los rodamientos simples ordinarios; son más silenciosos que éstos pero más caros; algunos tipos de rodamientos pueden estar sometidos a carga radial, carga axial o una combinación de ambas cargas. Estos rodamientos poseen cuatro partes esenciales: aro externo, aro interno, elementos rodantes (bolas, rodillos) y separador. Los cojinetes giratorios de contacto (rodamientos) se dividen en dos grandes grupos: rodamientos radiales y rodamientos axiales dependiendo del tipo de carga que soporten. 2.2.1. Rodamientos Radiales Los rodamientos radiales, son cojinetes de contacto giratorio diseñados para soportar cargas radiales exclusivamente. Pueden estar constituidos por bolas o por rodillos (cilindros). Los rodamientos radiales se dividen en: rodamientos rígidos de bolas, rodamiento de bolas a rótula, rodamiento de bolas con contacto angular, rodamientos de rodillos cilíndricos y rodamientos de agujas. 2.2.1.1. Rodamientos Rígidos de Bolas

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Los rodamientos rígidos de bolas, se usan en una amplia variedad de aplicaciones. Son de diseño sencillo, no desmontables, adecuados para alta velocidad de funcionamiento y requieren poca atención de servicio. Estas características junto con un precio ventajoso hacen del rodamiento rígido de bolas el más popular de todos los rodamientos. Estos rodamientos se dividen en: 2.2.1.1.1. Rodamientos Rígidos de una Hilera de Bolas Los rodamientos rígidos de una hilera tienen caminos de rodaduras profundos y sin interrupciones, así como un alto grado de oscilación entre las bolas y las gargantas. Esto hace posible que soporten cargas axiales considerables en cualquiera de los dos sentidos, incluso a altas velocidades. Los rodamientos rígidos de una hilera de bolas son adecuados para una amplia variedad de aplicaciones y por consiguiente, se fabrican con un gran número de tamaño y diseños. Los rodamientos rígidos de dos hileras de bolas, tienen un diseño similar a los de una hilera. Carecen de escotes de llenados y por tanto pueden absorber cargas axiales en ambos sentidos. 2.2.1.1.2. Rodamientos de una Hilera de Bolas de Diseño Básico Los rodamientos rígidos de una hilera de bolas de diseño básico, es decir, abiertos por los dos lados, son producidos en varias series y en una gama muy amplia de diámetros.

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Por razones de fabricación, estos rodamientos del diseño básico, que también se fabrican con placas de protección o de obturación pueden tener ranuras en los rebordes del aro exterior para alojar las placas de protección o de obturación.

2.2.1.1.3. Rodamientos con Placas de Protección o de Obturación Los rodamientos con placas de protección o de obturación, son fabricados como estándar de los tamaños más usuales rígidos de una hilera de bolas con placas de protección (obturaciones no rozantes) o de obturación (obturación rozantes y de bajo rozamiento), en uno o en ambos lados. Los rodamientos con placas de protección o de obturación en ambos lados vienen lubricados de fábrica con una grasa de base lítica que tiene buenas propiedades antioxidantes y que permite usar los rodamientos a temperaturas de funcionamiento comprendidas entre -30 y +110 ºC. Los rodantes están lubricados por vida y no necesitan mantenimiento. Estos rodamientos no se deben calentar antes del montaje, ni se deben lavar por ningún motivo. 2.2.1.1.4. Rodamientos con Ranura para Anillo Elástico

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Los rodamientos rígidos de bolas con ranura para anillo elástico en el aro exterior simplifican el diseño de la disposición del rodamiento en muchos casos, ya que pueden ser retenidos en el alojamiento mediante un anillo elástico. El método de fijación axial es sencillo y ahorra espacio. Los anillos elásticos adecuados se indican en las tablas de rodamiento y pueden suministrarse separados o ya montados en los rodamientos. 2.2.1.1.5. Rodamientos Rígidos de Bolas Apareados Para aquellas aplicaciones en las cuales la capacidad de carga de un solo rodamiento resulta inadecuada o cuando el eje ha de fijarse axialmente en ambos sentidos con un determinado juego interno, bajo pedido de la necesidad puede suministrarse rodamientos rígidos de una hilera de bolas apareados. Los rodamientos se emparejan durante su fabricación de forma que cuando se montan uno junto a otro, se obtiene (sin emplear suplementos de reglaje ni otros medios de ajuste), un reparto uniforme de la carga. Según los requisitos, las parejas pueden suministrase en las tres disposiciones alternativas según la necesidad. 2.2.1.2. Rodamientos de Bolas a Rótula (Autorregulación) Los rodamientos de bolas a rótula tienen dos hileras de bolas con un camino de rodadura esférico común en el aro exterior. Esta última característica confiere al rodamiento la propiedad de ser autoalineable, lo que permite desviaciones angulares del eje con relación al soporte. Son por tanto, especialmente adecuados para aplicaciones en las cuales se pueden producir desalineaciones por errores de montaje o por flexión del eje.

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Los rodamientos de bolas a rótula del diseño tienen una capacidad de carga mayor que los diseños originar debido a las mejoras realizadas en el diseño interno. Esto hace que sean adecuados para un campo de aplicaciones más amplio en comparación con sus predecesores y permiten usar el mismo tamaño de rodamiento para soportar mayores cargas o a igualdad de cargas, permite incrementar la eficacia de funcionamiento y prolongar la duración del rodamiento. Estos rodamientos se dividen en: 2.2.1.2.1. Rodamiento de Rótula de Diseño Básico Los rodamientos de bolas de rótula del diseño básico se suministran con agujero cilíndrico o con agujero cónico. Para los rodamientos de bolas a rótula con agujero cónico poseen unos manguitos adecuados para fijar los rodamientos fácil y rápidamente a ejes lisos o escalonados. Los manguitos de fijación se suministran completos con tuercas y dispositivos de retención. 2.2.1.2.2. Rodamientos Obturados Los rodamientos de bola a rótula en versión obturado se suministran con placas de obturación rozantes en ambos lados. Las placas de obturación están hechas de caucho sintético resistente al aceite y al desgaste, tienen un refuerzo de chapa de acero. El campo de temperatura de funcionamiento para las placas de obturación es de -40 a +120 ºC. El diámetro exterior de la placa de obturación queda alojado en una ranura del aro exterior proporcionando una obturación hermética sin deformación, mientras que el labio de la placa de obturación ejerce una ligera presión contra un rebaje del aro interior.

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2.2.1.2.3. Rodamientos con Aro Interior Prolongado Los rodamientos de bolas a rótula con aro interior prolongado, se emplean en aplicaciones con ejes redondos fabricados y calibrados comercialmente. El agujero de estos rodamientos, con una tolerancia especial, permite un fácil montaje y desmontaje. Este tipo de rodamientos se fija axialmente por medio de espigas o prisioneros, los cuales encajan en una ranura existente en uno de los lados del aro interior, impidiendo al mismo tiempo que este último gire sobre el eje. 2.2.1.3. Rodamientos de Bolas con Contacto Angular Los rodamientos de bolas con contacto angular tienen los caminos de rodaduras de sus aros interior y exterior, desplazados uno a otro en la dirección del eje del rodamiento. Esto significa que son particularmente adecuados para soportar cargas combinadas, es decir, cargas radiales y axiales actuando simultáneamente. La capacidad de carga axial de los rodamientos de bolas contacto angular aumenta al aumentar el ángulo de contacto ∝, que se define como el ángulo que forma la línea que une los puntos de contacto entre la bola y los caminos de rodadura, a lo largo de la cual se transmite la carga de un camino de rodadura al otro, con una línea perpendicular al eje del rodamiento. En el caso de los rodamientos de una hilera de bolas, la magnitud del ángulo de contacto se indica por un sufijo en la designación. Además, estos rodamientos se dividen en:

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2.2.1.3.1. Rodamientos de una Hilera de Bolas con Contacto Angular Los rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular pueden soportar cargas axiales en un sentido solamente. Una carga radial aplicada sobre el rodamiento da lugar a una fuerza que actúa en el sentido axial que debe ser contrarrestada, por lo que puedan ajustarse contra un segundo rodamiento. Los rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular tienen un resalte alto y otro bajo en cada aro, que permiten la incorporación de un gran número de bolas y que da al rodamiento una capacidad de carga relativamente alta. Su ángulo de contacto es de 40º y por tanto, estos rodamientos son adecuados para cargas axiales elevadas. Son de diseño no desmontable y pueden funcionar a velocidades relativamente altas. 2.2.1.3.2. Rodamientos para Apareamiento Universal Estos rodamientos están especialmente fabricados de forma que cuando se montan al azar uno junto a otro, se obtiene, sin emplear suplementos de reglaje ni otros medios de ajuste, un juego axial predeterminado o un reparto uniforme de la carga. El montaje por pareja se usa cuando la capacidad de carga del rodamiento individual resulta inadecuada o cuando la disposición de rodamiento debe soportar cargas axiales en ambos sentidos.

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En una disposición en tándem, las líneas de cargas son paralelas y las cargas radial y axial se dividen por igual entre los dos rodamientos. La pareja de rodamiento sólo puede absorber las cargas axiales en un sentido, por lo que generalmente se monta un tercer rodamiento contra ellos para soportar la carga axial en sentido contrario. 2.2.1.3.3. Rodamientos de Rodillos Cilíndricos Los rodillos cilíndricos hay de muchos tipos y tamaño, siendo la mayoría de ellos de una sola hilera de rodillos con jaula; aunque también se fabrican de una o dos hileras completamente llenos de rodillos y de rodillos cilíndricos cruzados. El programa de fabricación incluye también de una y de dos hileras de rodillos cilíndricos de precisión para su aplicación en máquinas-herramienta y rodamientos de dos y o más hileras de rodillos cilíndricos para trenes de laminación y otras aplicaciones en la industria pesada. Todos los rodamientos de rodillos cilíndricos se fabrican con la más moderna tecnología. La geometría del contacto entre los rodillos y los caminos de rodadura ha sido ampliamente mejorada mediante la introducción del perfil logarítmico que proporciona una óptima distribución de la carga en el rodamiento. Los acabados optimizados de las superficies favorecería formación de la película de lubricante y el correcto movimiento de rodadura de los rodillos cilíndricos. 2.2.1.3.4. Rodamientos de Agujas

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Los rodamientos de agujas son de rodillos cilíndricos cuyos rodillos se caracterizan por ser finos y largos en relación a su diámetro, por lo que se les denomina agujas. A pesar de la sección transversal tan pequeña de estos rodamientos, son particularmente adecuados para aquellas disposiciones en las que se presenta un espacio radial limitado. Las agujas tienen un perfil ligeramente bombeado hacia los extremos, lo que da lugar a una línea de contacto modificada entre las agujas y los caminos de rodaduras que permite evitar los daños por cargas en los bordes.

2.2.2. RODAMIENTOS AXIALES Los rodamientos axiales, son rodamientos que soportan cargas axiales de empuje y pueden estar constituidos por bolas, rodillos cónicos, rodillos cilíndricos cortos o rodillos esféricos que ruedan en caminos esféricos y por consiguiente son a rótula. Estos rodamientos pueden estar soportados rígidamente, o bien uno de los aros puede estar soportado en un asiento esférico para que sea de autoalineación. Casi ningún rodamiento axial de empuje es capaz de soportar carga radial, los que son capaces de hacerlo soportan cargas cuya magnitud es mínima. En consecuencia, el diseño y la selección de tales cojinetes dependen solo de la magnitud de la carga axial de empuje y de su vida útil de diseño. Estos rodamientos pueden ser de bolas con una hilera, de bolas con dos hileras, de cilindros, de rodillos cónicos, de rodillos esféricos y ahusados.

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Se anexa el cuadro donde se plantea una comparación entre los rodamientos más usados en la industria. Comparación de tipos de rodamientos

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Tipo de Rodamiento

Capacidad De Carga Radial

Capacidad de Carga de Empuje

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Bola de una hilera Bola de dos hileras Contacto angular Cilíndrico De aguja Esférico Ahusado Fuente: Shigley y Monhke (2003)

Buena Excelente Buena Excelente Excelente Buena Excelente

Aceptable Buena Excelente Pobre Pobre Aceptable / Buena Excelente

3. ASPECTOS GENERALES DE LOS RODAMIENTOS El fin que debe cumplir un rodamiento es soportar una carga en tanto permite el movimiento relativo entre dos piezas de una máquina. El tipo más común de rodamiento soporta una flecha (eje) giratoria, que resiste cargas radiales simples, cargas axiales o una combinación de ambas, es decir, de empuje. Algunos rodamientos están diseñados para soportar sólo cargas de empuje. Casi todos los rodamientos se emplean en aplicaciones o usos que implican rotación, pero algunos se utilizan en aplicaciones de movimiento lineal. 3.1. Componentes de un Rodamiento Los componentes de un rodamiento en general son el anillo o pista de rodamiento interno, el anillo o pista de rodamiento externo y las piezas giratorias (bolas, rodillos, agujas). Por lo regular, el anillo exterior es fijo y se sostiene mediante la carcasa de la máquina. El anillo interno es presionado contra la flecha (eje) giratoria y por lo tanto gira junto con ésta. Así, las bolas (rodillos) giran entre el anillo interno y el externo. La trayectoria de la carga es a partir de la flecha, hacia el anillo interno, hacia las bolas (rodillos), hacia el anillo externo, y por último hacia la carcasa.

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La presencia de las bolas o rodillos permiten un giro muy suave, con baja fricción de la flecha. El coeficiente de fricción típico para un rodamiento en general es entre 0,001 y 0,005 aproximadamente. La presencia de sellos, lubricantes en exceso o cargas poco comunes hace que se incrementen estos valores.

Partes principales de un rodamiento de bolas de una hilera 3.1.1. Anillos Los anillos o aros interior y exterior de un rodamiento en general están hechos normalmente de acero SAE 52100, endurecido de 60 a 67 Rocrwell “C”. Los anillos o aros se fabrican para propósitos especiales en materiales como acero inoxidable, cerámica y plásticos. Estos materiales se usan junto con los distintos materiales para anillos en que la corrosión es un problema. 3.1.2. Elementos Rodantes 24

Los elementos rodantes, bolas o rodillos, se hacen normalmente del mismo material y tienen el mismo acabado que los anillos. Otros materiales para elementos rodantes, como el acero inoxidable, cerámica, monel y plásticos, se usan junto con los distintos materiales para anillos en que la corrosión es un problema. 3.1.3. Jaulas

Las jaulas, llamadas algunas veces separadores o retenes, se emplean para proveer espacios entre los elementos rodantes. Las jaulas se proporcionan en una amplia variedad de materiales y de construcción. Las jaulas de acero prensado, de remaches o remachadas, son muy comunes. Las jaulas sólidas maquinadas se usan en donde se requieren mayores resistencias o altas velocidades. Se fabrican de bronce o de materiales del tipo plástico sintético. A altas velocidades, el tipo sintético trabaja más silenciosamente y con mínima fricción.

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4. DURACIÓN O VIDA ÚTIL DE UN RODAMIENTO Si un rodamiento se mantiene limpio y bien lubricado, se monta y se sella contra la entrada de suciedad o polvo, se conserva en esta condición y es operado a temperaturas razonables, entonces la fatiga del material será la única causa de falla. Puesto que esto corresponde a muchos millones de aplicaciones de esfuerzo, se aplica a tal consideración el término: duración o vida útil del rodamiento. La duración o vida útil de un rodamiento en particular, se define como el número total de revoluciones, o el número de horas de giro a una velocidad constante dada, de operación del rodamiento para que se desarrolle el tipo de falla considerado. En condiciones ideales, la falla por fatiga consistirá en una astilladura o descascarado de las superficies que soportan la carga. La norma de la Anti-Friction Bearing Manufacturesr Association (AFBMA) indica que el criterio de falla es la primera evidencia de aparición de la fatiga. Sin embargo, se observa que la duración efectiva con frecuencia se usa como definición de la duración de la fatiga. El criterio de falla utilizado por los laboratorios de la compañía Timken es el descascarado o picadura en una zona de 0,01 pulg2. Pero Timken señala que la vida útil o efectiva puede extenderse considerablemente más allá de este punto.

5. RELACIÓN ENTRE CARGA Y VIDA ÚTIL

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No obstante, que para fabricarlos se utilicen aceros muy resistentes, todos los rodamientos tienen una vida útil limitada y en algún momento presentan fallas por fatiga debido al considerable esfuerzo por contacto al que se le somete. Sin embargo, como es obvio, cuando más ligera sea la carga más prolongada será su vida útil y viceversa. La relación entre carga, P, y vida útil, L, para rodamientos se puede establecer en los siguientes términos de acuerdo a la AFBMA: L2 / L1 = (P1 / P2)K

(3-1)

Donde: K=3,0 para rodamientos de bola y K=10/3 para rodamientos de rodillos, L es vida, en millones de revoluciones u horas de trabajo a una velocidad constante dada “n” (RPM). La AFBMA ha establecido una designación de carga estándar para rodamientos en los cuales no interviene la velocidad. Esta designación se llama capacidad básica de carga C. La capacidad básica de carga se define como la carga radial constante que puede soportar un rodamiento mientras cumple una vida útil especificada de un millón de revoluciones (L10). 6. SELECCIÓN DE RODAMIENTOS 6.1. SÓLO CON CARGA RADIAL

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La selección de un rodamiento toma en cuenta la capacidad de carga, como se analizó, al igual que la geometría del rodamiento que asegurará que puede instalarse en forma conveniente en la máquina. En primer lugar, se consideran rodamientos no montados que sólo soportan cargas radiales. Después, se considerarán rodamientos no montados que soportan una combinación de carga radial y carga de empuje. El término no montado se refiere al caso en el que el responsable del diseño debe prever la aplicación correcta del rodamiento en el eje o flecha y dentro de la carcasa. Por lo general, el rodamiento se selecciona una vez que el diseño de la flecha ha avanzado hasta el punto en el que se ha calculado el diámetro mínimo que se necesita para la flecha. 6.1.1. Proceso de Selección de los Rodamientos 1. Especifique la carga de diseño o equivalente en el rodamiento. El método para calcular la carga equivalente cuando sólo se aplica una carga radial, Fr, toma en cuenta cuál de las dos pistas de bolas, externa o interna, es la que gira. Fe = V * Fr

(3-7)

Al factor V se le llama factor de rotación y toma en cuenta el valor de 1.0 si la pista de rodamientos interna es la que gira, el caso más común. Si la pista de rodamientos externa gira, utilice V = 1.2. 2. Calcule el diámetro mínimo aceptable de la flecha que limitará el tamaño del diámetro interno del cojinete.

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3. Seleccione el tipo de cojinete, utilizando el cuadro como parámetro. Tipo de Rodamiento

Capacidad De Carga Radial Bola de una hilera Buena Bola de dos hileras Excelente Contacto angular Buena Cilíndrico Excelente De aguja Excelente Esférico Buena Ahusado Excelente Fuente: Shigley y Monhke (2003)

Capacidad de Carga de Empuje Aceptable Buena Excelente Pobre Pobre Aceptable / Buena Excelente

4. Especifique la vida de diseño del cojinete, utilizando el cuadro siguiente. Vida útil de diseño recomendada para rodamientos Uso Vida útil de diseño L10, h Aparatos domésticos 1.000-2.000 Motores para aviones 1.000-4.000 Automotriz 1.500-5.000 Equipo agrícola 3.000-6.000 Elevadores, ventiladores industriales, engrantes de uso múltiple 8.000-15.000 Motores eléctricos, ventiladores industriales con tolva, máquinas industriales en general 20.000-30.000 Bombas y compresores 40.000-60.000 Equipo crítico en operación continua las 24 horas 100.000-200.000 Fuente: Shigley y Moshke (2003)

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5. Determine el factor de velocidad y el factor de vida útil, si dispone de tales tablas para el tipo de cojinete que se seleccionó. Se usará la siguiente figura.

6. Calcule la especificación básica de carga dinámica que se requiere, C, a partir de la ecuación (3-1), (3-3) o (3-4). 7. Identifique un conjunto de cojinetes potenciales que tengan la especificación básica de carga dinámica que se necesita. 8. Seleccione el cojinete que tenga la geometría más conveniente, considerando también costo y disponibilidad. 9. Determine las condiciones de montaje, como diámetro del asiento en la flecha y tolerancia, diámetro interior de la carcasa y tolerancia, medios para ubicar axialmente el cojinete y necesidades especiales como sellos o guardas.

6.2. CARGAS COMBIANADAS (RADIAL Y EMPUJE) 6.2.1. Rodamientos de Bolas y Rodamientos de Rodillos Cilíndricos

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Cuando sobre un rodamiento se ejercen cargas radiales y de empuje, la carga equivalente es la carga radial constante que generaría la misma vida útil especificada para el cojinete que la carga combinada. El método para calcular la carga equivalente Fe, lo establece la AFBMA y adopta la forma de: Fe = V * X * Fr + Y * Fa

(3-8)

Donde: Fe = Carga equivalente. V = factor de rotación (como se define). Fr = Carga radial aplicada. Fa = Carga de empuje aplicada. X = Factor radial. Y = Factor de empuje.

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Los valores de X y Y varían en función del diseño específico del rodamiento y de la magnitud de la carga radial en relación a la carga de empuje. Para cargas de empuje relativamente pequeñas, X=1 y Y=0, por tanto, la ecuación de carga equivalente se revierte a la forma de la ecuación (3-7) para cargas radiales puras. Para indicar la carga de empuje límite,-para la cual este es el caso, los fabricantes indican un factor al que le llaman e. Si la relación es Fa/Fr > e, se debe utilizar la ecuación (3-8) para calcular F e. Si es Fa/Fr < e, se emplea la ecuación (3-7). El cuadro 3-2 muestra un conjunto de datos para un rodamiento de bolas de hilera única, ranura profunda. Observe que tanto e como Y dependen de la relación Fa/Co donde Co es la especificación básica de carga estática para un rodamiento en particular. Esto presenta dificultades porque el valor de Co no se conoce hasta que se ha seleccionado el rodamiento. Por consiguiente, se aplica un método sencillo de ensayo y error. Si a un rodamiento se le aplica una carga de empuje significativa junto con una carga radial, realice los pasos siguientes: 1. Suponga un valor de Y a partir del cuadro 3-2. El valor Y=1.50 resulta razonable, ya que está a la mitad del rango de valores posibles. 2. Calcule Fe = V . X . Fr + Y . Fa. 3. Calcule la especificación básica de carga dinámica, C, que se necesita, a partir de la ecuación (3-1), (3-3) o (3-4). 4. Seleccione un cojinete potencial que tenga un valor de C cuando menos igual al valor que se requiere. 5. Calcule Co para el cojinete que se seleccionó.

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6. Calcule Fa / Co. 7. Determine e, a partir del cuadro de factores radiales y de empuje. Factores radiales y de empuje para cojinetes de hilera única, ranura profunda

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Fa/Co

e

Fa/Fr ≤ e Xi

Fa/Fr > e Y1

X2

Y2

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0.014* 0.021 0.028 0.042 0.056 0.070 0.084 0.110 0.17 0.28 0.42 0.56

0.19 0.21 0.22 0.24 0.26 0.27 0.28 0.30 0.34 0.38 0.42 0.44

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56

2.30 2.15 1.99 1.85 1.71 1.63 1.55 1.45 1.31 1.15 1.04 1.00

35

(*) Utilice 0.014 si Fa/Co < 0.014 8. Si Fa/Fr > e, calcule entonces Y a partir del cuadro de Factores radiales y de empuje. 9. Si el nuevo valor de Y es distinto al que se supuso en el paso 1, repita el proceso. 10. Si Fa/Fr < e, utilice la ecuación (3-7) para calcular Fe y proceda igual que lo haría para una carga radial simple. Otro método usado para seleccionar rodamientos con cargas radiales y (de empuje) es el establecido por la empresa SKF. Cuando una componente axial de carga está presente en adición a la radial, la carga radial equivalente P es el mayor de los valores dados por las dos ecuaciones siguientes: P= V1 Fr

(3-8a)

P= XV1 Fr + YFa

(3-8b)

Donde: Fr= Componente radial de carga. Fa= Componente axial de carga. X = Factor radial del cuadro 3-1a. Y= Factor axial o de empuje del cuadro 3-1a, determinado del valor de Fa/iZD2.

36

V1= Factor de rotación en el anillo guía, igual a la unidad para rotación del anillo interior y 1.2 para rotación del anillo exterior. Las ecuaciones (3-8a) y (3-8b) se aplican a cojinetes de contacto radial y angular pero no a cojinetes con ranura de relleno. Un factor C1 de servicio puede insertarse en las ecuaciones (3-8a) y (38b) para tomar en cuenta cualquier condición de impacto a que pueda estar sometido el cojinete. P= C1 V1 Fr

(3-8c)

P= C1 (XV1 Fr + YFa)

(3-8d)

Los valores de C1 dependen del juicio y experiencia del diseñador, pero el cuadro siguiente puede servir como guía. Factor de Choque e Impacto

37

Tipo de Carga

C1

38

Constante o permanente Choques ligeros Choques moderados Choques fuertes

1.0 1.5 2.0 3.0 y mayor

39

La carga de impacto sobre un cojinete no debe exceder la capacidad estática dada en la tabla A-5, ya que de otra manera el anillo guía puede dañarse por brinelación de las bolas. Esta carga puede excederse un poco si el cojinete está girando y la duración de la carga es suficiente para que el cojinete efectúe una o más revoluciones completas mientras actúa la carga.

6.2.2. Rodamientos Ahusados Cónicos y de Rodillos La figura 3-2 muestra dos rodamientos ahusados que soportan una flecha con una combinación de carga radial y axial. El diseño del eje (flecha) es tal que a la carga de empuje se le opone el rodamiento del lado izquierdo. Sin embargo, una característica peculiar de este tipo de rodamiento consiste en que una carga radial en uno de los rodamientos origina también un empuje en el rodamiento del lado opuesto; al analizar el rodamiento hay que tomar en cuenta esta característica. Es necesario, asimismo, determinar con cuidado donde tiene lugar la reacción radial. La parte (b) de la figura siguiente muestra una dimensión “a” que se encuentra mediante la intersección de una línea perpendicular al eje del rodamiento y a la línea central del eje. La reacción radial en el rodamiento actúa a lo largo de este punto. La distancia “a” se reporta en la tabla de datos correspondientes a los rodamientos. A continuación, se presenta una figura, donde se muestra la instalación de rodamientos ahusados.

40

de carga radial

de carga de empuje

(a) Carga y soporte de la flecha

(c) Detalles de los rodamientos

Ejemplo de instalación de rodamientos ahusados. La Anti-Friction Bearnings Manufacturers Association (AFBMA, Asociación de Fabricantes de Rodamientos Antifricción) sugiere el método siguiente para calcular cargas equivalentes en un rodamiento de rodamientos ahusados. FeA = 0.4FrA + 0.5 YA/YB FrB + YATA

(3-9)

FeB = FrB Donde: FeA = carga radial equivalente en el rodamiento A. FeB = Carga radial equivalente en el rodamiento B. FrA = Carga radial aplicada en el rodamiento A. FrB = Carga radial aplicada en el rodamiento B. TA = Carga de empuje en el rodamiento A. YA = Factor de empuje para el rodamiento A a partir de tablas. YB = Factor de empuje para el rodamiento B a partir de tablas. 41

El cuadro a continuación muestra un conjunto abreviado de datos provenientes de un catálogo para ilustrar el método para calcular cargas equivalentes. Para los varios cientos de diseños de cojinetes de rodamientos ahusados disponibles en el mercado, el valor de empuje varía desde un valor tan bajo como 1.07 hasta uno tan alto como 2.26. En problemas de diseño, por lo general, es necesario utilizar un procedimiento de ensayo y error.

Datos para los rodamientos ahusados y cónicos.

42

Diámetro Interno

Diámetro Externo

Espesor o Ancho

a

Factor de empuje, Y

Especificació n Básica en cuanto a carga dinámica, C

43

1.000 0 2.500 0 0.812 5 0.583 1.71 8 370 1.500 0 3.000 0 0.937 5 0.690 1.98 12 800 1.750 0 4.000 0 1.250 0 0.970 1.50 21 400 2.000 0 4.375 0 1.500 0 0.975 2.02 26 200 2.500 0 5.000 0 1.437 5 1.100 1.65 29 300 3.000 0 6.000 0 1.625 0 1.320 1.47 39 700 3.500 0 6.375 0 1.875 0 1.430 1.76 47 700 Nota: Dimensiones en pulgadas. Carga C en libras para una vida útil L10 de un millón de revoluciones Al utilizar las ecuaciones para cargas equivalentes correspondientes a rodamientos ahusados hay que observar una recomendación. Si, a partir de la ecuación (3-9), la carga equivalente en el cojinete A es menor que la carga radial aplicada, tendrán que utilizarse las ecuaciones siguientes: Si FrA < FrA, entonces sea FeA = FrA y calcule FeB. FeB = 0.4 FrB + 0.5 YB/YA FrA – YBTA

(3-11)

Para cojinetes de bola de contacto angular, en los que el diseño de las pistas o pistas de rodamientos da por resultado una trayectoria de carga similar a la de los rodamientos de rodamientos ahusados, se utiliza un análisis similar.

7. MATERIALES Y ACABADOS La carga en un rodamiento se ejerce sobre un área reducida. Los esfuerzos que se producen por contacto son considerables, sin que importe el tipo de rodamiento. Los esfuerzos por contacto de 300.000 psi no son raros en los rodamientos disponibles en el mercado. Para soportar estos altos esfuerzos, las bolas, los anillos y las jaulas se fabrican de acero muy duro y resistente o de cerámica que presente las mismas características.

44

El material que más se utiliza para fabricar rodamientos es el acero AISI 52100 que tiene alto contenido de carbono, entre 0,95% y 1.10%, junto con cromo, de 1.30% a 1.60%, 0.25% a 0.45% de manganeso, 0.20% a 0.35% de silicio y otros elementos de aleación en cantidades mínimas pero controladas. Las impurezas se reducen al mínimo con todo cuidado para obtener un acero en extremo limpio. El material se endurece en la superficie en un rango de 58 a 65 en la escala Rockwell C para darle la capacidad de resistir un alto esfuerzo debido al contacto. El acero de herramientas se utiliza algunas veces para rodamientos, en particular M1 y M50, ya que puede permitir que aumente su temperatura hasta alrededor de 540 ºC sin que pierda demasiada dureza. Los metales no férricos se utilizan para rodamientos por alguna determinada razón; también se fabrican rodamientos de bolas en plástico fenolíticos (y de otros plásticos, como nylon, teflón). El vidrio tiene alguna aplicación para bolas; y en condiciones de temperatura excepcionalmente elevada el material Pyroceran es muy prometedor. Si las piezas son de diferentes materiales, los coeficientes de dilatación térmica adquieren importancia con respecto a los juegos u holguras. El endurecimiento en la superficie mediante carburización se emplea con aceros como AISI 3310, 4620 y 8620 para obtener la alta dureza superficial que se necesita en tanto se mantiene el núcleo duro y resistente.

45

En algunos rodamientos que se someten a cargas más ligeras o en un entorno corrosivo se utilizan piezas de acero inoxidable AISI 440C. Las piezas giratorias y otros componentes pueden fabricarse de materiales cerámicos como nitruro de silicio (Si3 N4). En tanto, que su costo es mayor que el del acero, las cerámicas ofrecen ventajas importantes, tales como, escaso peso, alta resistencia y alta capacidad térmica hacen que se prefieran para usarlos en motores aeroespaciales, la industria militar y otras aplicaciones demandantes (Ver cuadro No.2-2) Es importante destacar que los diámetros de los elementos giratorios en un determinado rodamiento sean muy aproximadamente los mismos, es decir, con una tolerancia de 1,27 a 2,54 micras (50 a 100 micropulgadas), e incluso menor para aplicaciones de gran exactitud; como en instrumentos y circunstancias de alta velocidad. Cuando existe una diferencia de dimensiones, la carga no está bien distribuida entre los elementos y los mayores soportan esfuerzos excesivos. El acabado de la superficie es el más uniforme o liso posible para procesos comerciales.

Propiedades Físicas de los Materiales de los Rodamientos

46

Materiales Propiedades Físicas Dureza a temp. Ambiente (HRC) Módulo de elasticidad a temp. Ambiente 106 psi Temperatura máxima de operación

Cerámicos (Si3 N4)

Acero 52100

Acero Inox. 440 C

Acero Herramienta M50

78

62

60

64

45

30

29

28

1.200ºC 2.200ºF

180ºC 360ºF

260ºC 500ºF

320ºC 600ºF

47

Densidad (grm/cm3) 3,2 Fuente: Norton, Robert (2004)

7,8

7,8

7,6

8. ASPECTOS IMPORTANTES SOBRE EL MONTAJE, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE RODAMIENTOS En esta sección se analiza la lubricación de rodamientos, su montaje, carga previa, rigidez, operación ante cargas variables, sellado, velocidad límite, tipos de tolerancias y sugerencias para obtener una vida útil prolongada en los rodamientos. 8.1. LUBRICACIÓN Las funciones de la lubricación en una unidad de rodamiento son las que se indican enseguida: 1. Proporcionar una película de baja fricción entre las piezas giratorias y las pistas del rodamiento y en los puntos en que hay contacto con jaulas, superficies de guía, sujetadores y demás. 2. Proteger a los componentes del rodamiento en contra de la corrosión. 3. Contribuir a que se disipe el calor de la unidad del rodamiento. 4. Ayudar a dispensar las sustancias contaminantes y la humedad de los rodamientos.

48

Los rodamientos de contacto giratorio casi siempre se lubrican con aceite, o

bien,

mediante

grasa.

Bajo

temperaturas

ambiente

normales

(aproximadamente 21 ºC [70ºC]) y velocidades relativamente bajas, de menos de 500 rpm, la grasa es aceptable. A velocidades o temperaturas ambiente más altas, se requiere utilizar lubricación por un flujo continuo de aceite, quizá sea necesario enfriar el aceite en forma externa. Los aceites que se utilizan en la lubricación de rodamientos son, en general, puros, minerales, y estables. En condiciones en las que las velocidades son más bajas y las cargas más ligeras, se utiliza aceite menos denso. Ante cargas más pesadas y velocidades más altas o una combinación de ambos factores, se utilizan aceites más pesados, hasta SAE 30. Un límite superior recomendable en cuanto a temperatura del lubricante es 160ºF. La selección del aceite o grasa indicada depende de muchos factores, por consiguiente, es necesario analizar cada aplicación con el fabricante del rodamiento. En general, una viscosidad de entre 70 y 100 SUS (Saybolt Universal Seconds) debe mantenerse a la temperatura de operación del lubricante en el rodamiento.

49

En algunas aplicaciones críticas, como el uso de rodamiento en turbinas y dispositivos de muy alta velocidad, el aceite lubricante es bombeado a presión hacia una carcasa cerrada en la que se aloja el rodamiento donde el aceite es dirigido hacia los propios elementos giratorios. También se proporciona una trayectoria controlada de regreso. Se le da seguimiento a la temperatura del aceite en el colector y se controla mediante intercambiadores de calor o refrigeración para mantener la viscosidad del aceite dentro de límites aceptables. Tales sistemas ofrecen una lubricación confiable y aseguran que se elimine el calor en los rodamientos. Las grasas que se emplean en rodamiento son mezclas de aceites lubricantes y agentes que los hacen más espesos, por lo regular detergentes como litio o bario. Los detergentes actúan como conductores para el aceite que se extrae en el punto en que se necesita dentro del rodamiento. A veces se agregan aditivos que evitan la corrosión o la oxidación del propio aceite. En las clasificaciones de las grasas se especifican temperaturas de operación a las que se someterán éstas, según las define la AFBMA y que se describen a continuación:

50

Grupo

Tipo de Grasa

Tango de Temperaturas de Operación (F)

51

I II III IV V

De uso general Para alta temperatura Para temperatura media Para baja temperatura Para temperatura en extremo alto

-40-250 0-300 32-200 -67-225 hasta 540

52

Fuente: AFBMA (Asociación de Fabricantes de Rodamientos Antifricción). 8.2. MONTAJE Hasta ahora, en la selección de un rodamiento para un uso en particular, se han considerado la capacidad para soportar carga de los rodamientos y el diámetro interior. Si bien los anteriores son los parámetros más críticos, en el uso exitoso de un rodamiento hay que tomar en cuenta su montaje correcto. Los rodamientos son elementos mecánicos de precisión. Es necesario ejercer extremo cuidado en su manejo, instalación y lubricación. Las consideraciones más importantes al montar un rodamiento, son las siguientes: El diámetro del asiento en la flecha y tolerancia respectivas. El diámetro interno de la carcasa y sus tolerancias correspondientes. El diámetro del hombro en la flecha contra el cual se ubicará la pista de rodamientos interna del rodamiento. El diámetro del hombro en la flecha que se prevé para ubicar la pista de rodamientos externa. El radio de los chaflanes en la base de la flecha y de los hombros en la flecha. Los medios a que se recurre para mantener el rodamiento en su sitio.

53

En una instalación típica, el diámetro interior del rodamiento hace una ligera interferencia de ajuste en la flecha, y el diámetro exterior de la pista de rodamientos externa hace un ajuste de esparcimiento muy justo en el diámetro interno de la carcasa. Para asegurar una operación y vida útil adecuada, las dimensiones de montaje deben ser controladas en función de una tolerancia de sólo unos cuantos milésimos de pulgadas. Casi todos los catálogos especifican las dimensiones límites tanto para el diámetro del asiento en la flecha como para el diámetro interno de la carcasa. A su vez, el catálogo especificará los diámetros de hombro que se desean para la flecha y la carcasa los cuales proporcionarán una superficie segura contra la cual se coloca el rodamiento, en tanto se asegura que la flecha sólo estará en contacto con la pista de rodamientos interna y el chaflán de la carcasa sólo estará en contacto con la pista de rodamientos externa. La tabla A-1 incluye estos valores (Ver Anexos). El radio de chaflán que se especifica en el catálogo es el radio máximo permisible en la flecha y en la carcasa que dejará libre el radio externo en las pistas del rodamiento. Utilizar un radio en extremo grande no permitirá que el rodamiento asiente en forma ajustada contra el hombro. Desde luego, el radio real del chaflán debe hacerse lo más grande posible hasta un máximo para reducir al mínimo la concentración de tensiones en el hombro.

54

Los rodamientos pueden retenerse en sentido axial mediante muchos métodos. Tres de los métodos más comunes emplean anillos de retención o sujeción, casquetes en los extremos y tuercas de seguridad. La figura 1 ilustra una disposición posible. Observe que, en el caso del rodamiento del lado izquierdo, el diámetro de la flecha es un poco más pequeño a la izquierda del asiento del rodamiento. Esto permite que el rodamiento se deslice con suavidad a lo largo de la flecha hasta el lugar en el que debe ser presionado. El anillo de sujeción para la pista de rodamientos externa se puede incorporar como parte de la pista de rodamientos externa y no como una pieza separada. El rodamiento del lado derecho se mantiene en la flecha con una tuerca de seguridad roscada que se atornilla en el extremo de la flecha. Para el diseño de tuercas de seguridad estándar véase la figura 2. La lengüeta interna en la roldada de seguridad entra en una ranura en la flecha, y una de las lengüetas externas se dobla hasta entrar en una ranura en la tuerca después que esta última asienta para evitar que la tuerca retroceda. El casquete exterior no sólo protege al cojinete sino también retiene la pista de rodamientos externa en su sitio. Hay que tener cuidado para asegurar que los rodamientos no se fuercen demasiado. Si ambos rodamientos se mantienen apretados, cualquier cambio en dimensiones debido a expansión térmica o a la acumulación de tolerancias no favorables provocará que los rodamientos se traben y puede conducir a que se presenten cargas inesperadamente peligrosas en los rodamientos. Es pertinente darle a un rodamiento ubicación total en tanto se permite que el otro flote en forma axial.

55

Cojinete

e

Tuerca de Seguridad

SeSeguridad

Figura 1. Ilustración del montaje de cojinetes

(a)

Cojinete

Rodana de Seguridad Tacrea de Seguridadd

B

B+L+T (b)

Tuerca de Seguridad

(c)

Roldana de Seguridad

Figura 2. Tuerca y roldana de seguridad para sujetar cojinetes (SKF Industries, Inc., King of Prusia, Pa).

56

8.3. PRECARGA (CARGA PREVIA) El objeto de la precarga es eliminar la holgura interna que se tiene comúnmente en los rodamientos a fin de aumentar la duración a la fatiga, y disminuir la pendiente o inclinación del eje en el rodamiento. La figura 4-3 muestra un cojinete típico en que la holgura se ha exagerado para lograr mayor claridad. La precarga de cojinetes de rodillos cilíndricos puede obtenerse por: 1. Montaje del rodamiento en un eje o manguito cónico para expandir al aro interior. 2. Utilización de un ajuste de interferencia para el aro exterior. 3. Uso de un rodamiento con el aro exterior precontraído sobre los rodillos.

57

Espacio Libre

Espacio libre en un rodamiento de la clase “off-the-shelf”; se muestra exagerado para mayor claridad En ejes horizontales, casi siempre se utilizan resortes a los que a veces se les da ajustes axiales de la deflexión de resorte para ajustar la cantidad de carga previa. Cuando existen limitaciones de espacio, se sugiere utilizar roldadas Belleville, ya que proporcionan fuerzas muy considerables con deflexiones mínimas. Se pueden utilizar calzas para ajustar la deflexión real y la precarga que se obtiene. En ejes verticales el peso del ensamble del eje quizás sea suficiente para proporcionar la precarga necesaria.

8.4. ALINEAMIENTO Con base en la experiencia general con los rodamientos; como se expresa en los catálogos de los fabricantes, el desalineamiento permisible en los rodamientos de rodillos cónicos y de rodillos cilíndricos se limita a 0.001 rad. Con rodamiento de bolas esféricos, el desalineamiento no debe exceder de 0.0087 rad. Pero en el caso de rodamiento de bolas con ranura profunda, el intervalo permisible de desalineamiento es de 0.0035 a 0.0047 rad.

58

La duración de un rodamiento disminuye significativamente cuando se exceden los límites del desalineamiento permisible. La figura 4-4 indica que hay aproximadamente 20% de pérdida en la duración o vida por cada 0.001 rad de la inclinación o pendiente del eje neutro más allá de 0.001 rad. Asimismo, si existe cualquier grado de desalineamiento, es buena práctica proporcionar un factor de seguridad aproximadamente igual a 2 para tener en cuenta posibles incrementos durante el montaje.

1.0

Fr ac ci ón de vi da de l co jin et e

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0 0

0.001

0.002 0.003 0.004 Desalineamiento, rad

0.005

Efecto del desalineamiento sobre la vida útil de cojinetes de contacto de línea 8.5. SELLOS Para evitar la entrada de polvo y materias extrañas y retener el lubricante, el montaje de un rodamiento debe incluir un sello. Los tres tipos principales de sellado son con sello de fieltro, con sello comercial y con sello de laberinto (Figura 4).

59

Los sellos de fieltro pueden usarse en la lubricación por grasa cuando las velocidades son bajas. Las superficies en roce o frotamiento deben tener un alto pulimento. Los sellos de fieltro deben protegerse contra el polvo y la suciedad colocándolos en ranuras maquinadas o utilizando piezas estampadas de metal como broqueles o cubiertas. El sello comercial es un dispositivo que consta del elemento de frotamiento y, generalmente, un respaldo de resorte que está retenido por una cubierta de lámina metálica. Estos sellos, por lo general, se colocan por ajuste a presión dentro de un hueco ensanchado en la cubierta del rodamiento. Puesto que desarrollan la acción de sellado por roce, no deben ser utilizados en aplicaciones de alta velocidad. El sello de laberinto es especialmente eficaz para aplicaciones de alta velocidad y puede emplearse con aceite o grasa. Algunas veces se usa con aditamentos. Por lo menos deben emplearse tres ranuras y éstas deben hacerse en el hueco del cojinete o en su parte exterior. La holgura puede fluctuarse entre 0.010 y 0.040 in, según la velocidad y la temperatura.

(a) Sellos de fieltro

(b) Sello comercial

(c) Sello de laberinto

Figura 4. Tipos de sellado típicos. (Cortesía de New Departure-Hyatt Division, General Motors Corporation)

60

8.6. RIGIDEZ La rigidez es la deflexión que sufre un rodamiento en particular cuando soporta una carga específica. Por lo regular, la rigidez radial es muy importante porque afecta el comportamiento dinámico del sistema del eje giratorio. En términos generales, cuando más blando sea el rodamiento (baja rigidez), menor será la velocidad crítica del ensamble del eje. La rigidez se mide en las unidades que se utilizan para resortes, como libras por pulgadas o newton por milímetro. Desde luego, los valores de rigidez son muy considerables, entre 500.000 y 1.000.000 Lbs/Pulg., resultan razonables. Cuando se requiera información de este tipo, hay que consultar con el fabricante, ya que rara vez se incluye en los catálogos estándar. 8.7. VELOCIDADES LÍMITE

61

Casi todos los catálogos incluyen velocidades límite para cada rodamiento. El exceder estos límites puede dar por resultado temperaturas de operación excesivamente altas debido a la fricción entre las jaulas que soportan a las piezas que giran. Por lo general, la velocidad límite es más baja para rodamientos grandes que para los pequeños. Además, un rodamiento en particular tendrá una velocidad límite más baja conforme se incrementan las cargas. Si se ejerce especial cuidado, ya sea en la fabricación de la jaula del rodamiento o bien en su lubricación, los rodamientos son capaces de operar a velocidades más altas que aquellas que se enumeran en el catálogo. Para tales aplicaciones hay que consultar al fabricante. Utilizar piezas giratorias de cerámica cuya masa es más reducida quizá dé por resultado velocidades límite más altas.

8.8. TOLERANCIAS En la industria de los rodamientos se reconocen diferentes tipos de tolerancias para adaptarlas a las necesidades de la amplia variedad de equipos en los que se emplean rodamientos giratorios de contacto. En general, todos los rodamientos son piezas de maquinaria de precisión y deben considerarse como tales. Como se señaló antes, el rango general de tolerancias es del orden de unas cuantas diezmilésimas de pulgada. Los tipos estándar de tolerancias se definen mediante ABEC, como se identifica enseguida. ABEC 1: Rodamientos de bolas radiales estándar y de rodamientos o giratorios.

62

ABEC

2:

Rodamientos

de

rodamientos

para

instrumentos

de

semiprecisión. ABEC 5: Rodamientos de bolas radiales y de rodamientos de precisión. ABEC 5P: Rodamientos de bolas para instrumentos de precisión. ABEC 7: Rodamientos de bolas radiales de alta precisión. ABEC 7P: Rodamientos para instrumentos de alta precisión. En casi todos los usos se utilizan tolerancias ABEC 1, acerca de las cuales los catálogos casi siempre incluyen información. Para los vástagos o mandriles de herramientas mecánicas, que por lo general necesitan rodamientos extrasuaves y precisos se usan los tipos ABEC 5 o ABEC 7.

63

CONCLUSIONES Con la realización del trabajo, concluimos diferentes aspectos: •

El rodamiento industrial es un elemento mecánico diseñado para aliviar considerablemente la fricción en los puntos de movimientos rotacionales

•

Existe una gran variedad de rodamientos que se clasifican dependiendo del tipo de aplicación que se le va a dar.

•

Existe una nomenclatura, con los tipos de rodamientos y sus debidas especificaciones.

•

Algunas fallas producidas se deben a la mala utilización o poco mantenimiento de los rodamientos.

•

Es importante realizar mantenimiento preventivo en los rodamientos, ya que, una falla puede conllevar a un gasto económico fuerte. Por eso, se deben tomar en cuenta los factores que influyen en el rodamiento como la lubricación, alineamiento, montaje, entre otras.

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BIBLIOGRAFÍA • Rivera, Jesús, “Principios y lineamientos para la selección de rodamientos industriales”, Maracaibo, Venezuela, 2008. • Spotts y Shoups, “Elementos de máquinas”, editorial prentice hall. Séptima edición (2005)

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ANEXOS A continuación se muestran las tablas mencionadas en el desarrollo del trabajo, en el siguiente orden: 1. Tabla A-1 (datos para la selección de cojinetes bola, de hilera única, ranura profunda) 2. Tabla A-2 (The Timken Company Bearning Selection Handbook, edición revisada de 1986) 3. Tabla A-3 (Dimensiones y capacidades de carga para cojinetes de bolas con una sola fija, serie 02, de cojinetes de contacto angular y ranura profunda) 4. Tabla A-4 (Dimensiones y capacidades de carga básica para cojinetes de rodillos cilíndricos) 5. Tabla A-5 (Dimensiones y clasificaciones por carga básica para cojinetes de bolas tipo Conrad de una sola hilera radial) 6. Identificación de rodamientos SKF 7. Tipos de rodamientos

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1.

2.

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3.

4.

68

5.

6.

69

7.

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