RODAMIENTOS ANTIFRICCION

GARCIA BICKFORD y ASOCIADOS

CONSULTORES

2006

INTRODUCCION

• Los rodamientos han sido utilizados desde el inicio de la humanidad.

• Su función principal es permitir el movimiento relativo entre las piezas

• El objetivo de esta charla es dar una pequeña introducción a sus principios de diseño y operación

FRICCION

• Fuerza que se opone al movimiento

• Fricción estática• Fricción dinámica• Fricción por rodadura:

– La fricción por rodadura es menor que la fricción por deslizamiento

FRICCION POR DESLIZAMIENTO

FRICCION POR RODADURA

• Dado a que la fricción por rodadura es menor que la fricción por deslizamiento, los rodamientos anti fricción se basan en este principio.

• Los rodamientos utilizan el efecto de rodadura para permitir el movimiento

TIPOS

DE BOLAS

DE RODILLOS

RANURA PROFUNDA

DE CONTACTO ANGULAR

CON SELLO

AUTO ALINEABLES

DOBLE HILERA

AUTO ALINEABLES

DE EMPUJE O CARGA AXIAL

DE EMPUJE AUTO ALINEABLE

CILINDRICOS

ESFERICOS DE EMPUJE

CONOCOS DE EMPUJE

AGUJA

CONOCOS ORDINARIOS

CONICOS DE CONTACTO ANGULAR

UNA CARA

AMBAS CARAS

METALICO

HULE

FABRICANTES(EN EL MERCADO LOCAL)

• SKF

• TIMKEN

• FAG

• PHAFFNIR

• NTN

• KOYO

• OTROS

SELECCION

• CARACTERISTICAS FISICAS– DIAMETRO

INTERIOR– DIAMETRO

EXTERIOR– ANCHO – HOLGURA

• CARACTERISTICAS MECANICAS– CARGA– VELOCIDAD– TEMPERATURA– MEDIO AMBIENTE– VIDA UTIL

EL DISEÑADOR DEBE ESPECIFICARLO TOMANDO EN CUENTA LA CARGA Y LAS CONDICIONES DE TRABAJO

ELEMENTOS

1. Cuna interior

2. Cuna exterior

3. Elementos rodantes

4. Canasta

CUNA INTERIOR

• Esta es la menor de los dos anillos y toma este nombre por la posición que ocupa. Tiene un canal en su exterior, el cual sirve de guía para los elementos rodantes. La superficie de esta guía esta altamente pulida y tiene un acabado “espejo”. La cuna interior se monta sobre la flecha y generalmente está sujeta a movimiento

CUNA EXTERIOR

• La cuna exterior tiene la canal en su interior. Su superficie está igualmente pulida. Este anillo, generalmente está montado sobre la carcaza y permanece estacionario.

• Elementos rodantes:

Los elementos rodantes son los que permiten el movimiento. Sus características físicas se controlan con tolerancias de una micra. (1/1,000.000 de pulgada)

• Canasta

La canasta permite mantener los elementos rodantes en su lugar, la separación entre ellos y su movimiento a lo largo de las cunas

ELEMENTOS RODANTES

• Los elementos rodantes tienen formas geométricas

• El más común de todos es la esfera (bola)

• El rodamiento toma el nombre del elemento rodante

COJINETE DE BOLAS

CILINDRICO

• El cojinete cilíndrico tiene una mayor capacidad de carga.

• En un cojinete de bolas, la carga se aplica en un punto

• En un cojinete cilíndrico, esto se hace sobre una línea.

AGUJASCONICOS

ESFERICOS

TOLERANCIAS

• Todos los rodamientos antifricción están diseñados y construidos bajo un estricto control de calidad.

• La ABMA (Asociación americana de fabricantes de rodamientos) e ISO (Organización de estándares internacionales) tienen definidos los estándares para la fabricación de rodamientos

• Ambos sistemas son compatibles

• A pesar de esto, la forma de clasificación y denominación son diferentes

• Lo mas importante es que mientras mas exactos son los rodamientos, tienen menor fricción y permiten mayores velocidades

TIPOS DE CARGAS

• Cuando una maquina se encuentra en operación, los rodamientos se ven sometidos a diferentes tipos de cargas

radial axial

CARGAS

• Radiales– Son las que se presentan en el plano

perpendicular al eje de rotación de la flecha

• Axiales– Se presentan paralelas al eje de rotación de

la flecha

• Combinadas– Cuando por el tipo de movimiento, se

presentan ambos tipos de cargas

VIDA UTIL

• La vida útil de los rodamientos depende de varios factores:– Carga– Velocidad– Tipo de rodamiento

• Los fabricantes estiman la vida útil de los rodamientos utilizando un prueba estándar y se define como L - 10

• L – 10 se refiere a que el 90% de los rodamientos alcanzaran el tiempo de diseño (horas de uso) o lo excederán

Existen otros factores que afectan el desempeño de los rodamientos y tienen un impacto significativo en la vida util de ellos.

• Temperatura

• Medio ambiente de trabajo

• Lubricación

• Montaje y mantenimiento no apropiados– Contaminación– Desalineación– Deformación

• Se ha estimado que el 95% de fallas prematuras de los rodamientos se deben a alguno de estos factores.

OTROS COMPONENTES

• Con el objeto de lograr una mayor vida útil de los rodamientos, se han incorporado algunos otros componentes a los rodamientos:

• Sellos y Escudos

SELLOS Y ESCUDOS

• Los sellos y escudos no son parte inicial de los rodamientos. Se han agregado para solucionar situaciones especiales

• Deben ser ordenados específicamente

• Los sellos y escudos se usan cuando los rodamientos pueden estar sujetos a contaminación, por el ambiente donde trabajan.

• Normalmente se presentan en rodamientos prelubricados con grasa

ESCUDOS

• El escudo es un disco metálico insertado en un canal en el lado interior de la cuna exterior. No hay contacto entre el escudo y la pista exterior. Los escudos mantienen fuera las partículas de mayor tamaño y son eficaces en una gran cantidad de aplicaciones. Pueden utilizarse en una o ambas caras. Un fabricante de rodamientos los identifica utilizando la letra Z, cuando se usan en una sola cara. ZZ cuando se usan en ambas caras.

SELLOS• Los sellos están disponibles

en distintos materiales y composiciones. El mas común es hule sintético moldeado en una placa de acero. El sello se inserta en una pequeña ranura de la cuna exterior y el labio interior del mismo es moldeado de una forma especial para que haga una función especifica. Cuando se usan sellos, se identifica por la letra L para un solo lado y LL en ambas caras.

• Los sellos pueden ser de contacto o sin contacto

SELLO SIN CONTACTO

• El sello sin contacto esta moldeado de tal forma que nunca entra en contacto con los elementos rodantes. El diseño del labio del sello permite formar, conjuntamente con el aro interior, un espacio donde se acumula la grasa lubricante.

• Esto permite formar un sello de tipo “laberinto” que evita que la contaminación ingrese al rodamiento.

• El uso de sellos de no contacto tiene varias ventajas: – Requiere muy poco torque para rotar– Es altamente resistente a la acumulación de polvo– Su temperatura de operación es muy similar a la de los rodamientos

con escudo– Presenta las ventajas de los escudos con el beneficio de los sellos– Son de gran valor para ser usados en motores eléctricos

• Se les denomina LB o LLB y se caracterizan por que usan un hule sintético de color negro para que sea fácil su identificación.

SELLO DE CONTACTO• Ofrece protección optima

contra el ingreso de polvo y suciedad

• El sello hace contacto con la cara exterior de la cuna interior, de donde toma su nombre: Sello de Contacto.

• El espacio entre el sello y las cunas permiten que se forme un doble laberinto

• El contacto entre las cunas y el sello hacen que estos rodamientos requieran mas torque y operan a temperaturas un poco mayores, al compararlos contra otro tipo de rodamientos

• La identificación de este tipo de rodamientos se hace por la letra U.

• LU significa que el rodamiento tiene un solo sello y LLU que esta sellado en ambas caras

• Generalmente, el hule sintético es de diferente color para diferenciarlos de los sellos in contacto

MODIFICACIONES EN CUNAS EXTERIORES

• La mayoría de las aplicaciones requieren rodamientos lisos en su exterior

• Otros pueden requerir el uso de anillos de retención, por lo tanto requieren un maquinado adicional y se les representa con el sufijo N

• Si el rodamiento se provee con el anillo instalado, entonces se le identifica por NR

• Algunas otras aplicaciones pueden requerir que el rodamiento tenga una placa a modo de extensión de su diámetro exterior

• Estas modificaciones son para el montaje apropiado del rodamiento

MODIFICACIONES DE LA CUNA INTERIOR

• La mayoría de las aplicaciones requieren que la cara exterior de la cuna interior sea plana y esto es lo normal.

• Algunas aplicaciones requieren que el rodamiento sea sujetado por medio de una tuerca, para facilitar las operaciones de mantenimiento

• En estos casos, se emplean cunas cónicas, con una conicidad de 1/12” cada 12”

• A estos rodamientos se les identifica con el sufijo K.

CUNAS

• La cuna es un componente esencial en los rodamientos

• Pueden ser fabricadas utilizando diferentes tipos de materiales y procesos de fabricación

CUNAS DE ACERO PRENSADO

• Las cunas de acero prensado son las mas comunes

• Algunas son de una sola pieza o pueden ser de dos caras

• Se utiliza soldadura de punto, remaches o algún otro método para unir ambas caras

• Son de uso estándar• Si se desea cambiar el material de la cuna se

debe especificar

CUNAS DE NYLON

• Las cunas de nylon son diseñadas de una sola pieza por el método de inyección de plásticos

• El uso de materiales de refuerzo como fibra de vidrio es común

• Cuando se les identifica, usando el sufijo T2

CUNAS MAQUINADAS

• Las cunas maquinadas se fabrican de varios tipos de materiales

• Bronce, acero o fibra fenólica • Tienen mayor control dimensional

Material Código Aplicación

BRONCE G1 Rodamientos cilíndricos

BRONCE L1 Cualquier otro

ACERO AL PLOMO

F3 general

ACERO AL MOLIBDENO

F5 general

FENOLICOS T1 general

DIMENSIONES BASICAS

• D– Diámetro exterior

• d– Diámetro interior

• B– Ancho de cara

• r– Acuerdo

ZONAS DE CARGA

• 3– Bolas

• 4– Canasta

• 5 – Cunas Interiores

ZONAS DE CARGA Y PUNTOS DE CONTACTO

• Cuando un rodamiento soporta cargas radiales, esta se distribuye por una sección, normalmente, un tercio del diámetro (1/3)

• Esta área se define como la zona de carga

• Cada punto o superficie donde se aplica la carga se denominan puntos de contacto

Zona de carga

TIPOS DE RODAMIENTOS

• RADIALES

• AXIALES

RODAMIENTOS RADIALES

• Son LOS MAS CONOCIDOS Y USADO• Son llamados también rodamientos de una sola hilera

de canal profundo (SGDR, sus siglas en ingles e identifican al single row, deep grove)

• Aunque han sido diseñados para soportar cargas radiales, pueden manejar una pequeña carga axial

• Se les denomina también rodamientos de tipo Conrad, quien inventó el método de fabricación

• Sus aplicaciones principales son motores, herramientas de mano, ventiladores, etc.

• Se les clasifica usando un numero 6 en una serie de tres o cuatro dígitos.

RODAMIENTOS TIPO CONRAD

RODAMIENTOS DE CAPACIDAD MAXIMA

• Estos rodamientos han sido diseñados, con las mismas dimensiones que un rodamiento normal, para soportar entre 20% a 35% mas carga dinámica, así como carga estática.

• Esta característica se obtiene al agregar un mayor numero de bolas al rodamiento

• Dado a que el método Conrad no permite un mayor numero de bolas, se le hace una ranura de carga, tanto el la cuna interior como en la exterior, permitiendo el ingreso de las bolas, las cuales se distribuyen de manera uniforme, previo al montaje de la canasta

• Este incremento de carga es, inicialmente, para cargas radiales. Las cargas axiales harán que las bolas puedan salirse por la ranura de llenado

• El indicador usado es BL, seguido por un numero de tres dígitos • Nota: Por las limitaciones que presenta este diseño y las mejoras

que se han realizado en el método Conrad, se ha reducido su uso y es posible sustituirlos sin problemas de operación

RODAMIENTOS DE MAXIMA CAPACIDAD

RODAMIENTOS DE CONTACTO ANGULAR

• Los rodamientos de contacto angular se clasifican como los rodamientos de una sola hilera

• Algunos los llaman erróneamente como rodamientos axiales ya que han sido diseñados para soportar una mayor carga axial.

• Estos rodamientos pueden operar con ángulos de contacto 15°, 30° o 40°

ANGULO DE CONTACTO (grados)

CODIGO

15 C

30 Sin identificar

40 D

DUPLAS DE RODAMIENTOS DE CONTACTO ANGULAR

• Es posible instalar juegos de 2, 3 o mas, ya sea en la misma dirección, para soportar mayores cargas, ya sea en la misma dirección u opuestas

• Las cargas axiales pueden presentarse en ambas direcciones , por lo tanto pueden montarse ya sea espalda contra espalda o cara contra cara

• Cuando una alta carga axial se aplica solo de una dirección, los rodamientos se ponen en tandem.

• Cada rodamiento adicional incrementa la capacidad del juego

RODAMIENTOS DE CONTACTO ANGULAR DE DOBLE HILERA

• El diseño de estos rodamientos incorporan dos filas de bolas en una sola cuna interior y exterior y pueden soportar carga axial, limitada, en ambas direcciones

RODAMIENTOS DE DOBLE HILERAAUTOALINEABLES

• Estos rodamientos permiten montar flechas que por su carga dinámica, presentan deformaciones

• El ángulo máximo de desalineamiento que soportan es menor a 3 grados

RODAMIENTOS DE CARGA AXIAL

• Los rodamientos axiales están diseñados para soportar únicamente carga axial pura. Cuando la carga se encuentra aplicada adecuadamente, los puntos de contacto interno del rodamiento se encuentran alineados en un plano paralelo al eje. Las cargas radiales harán que los elementos rodantes puedan ser desalojados del rodamiento

• Se fabrican en dos configuraciones:• Dirección simple• Doble Dirección

RODAMIENTOS AXIALES DE SIMPLE DIRECCION

• Estos rodamientos consisten en una hilera de bolas que rotan entre las carcazas de la flecha y el montante

• Los elementos de que esta formado son similares a los de los rodamientos radiales: Cunas, elementos rodantes y canasta

• Este tipo de rodamiento, solo puede soportar carga de una dirección

RODAMIENTOS AXIALES DE DOBLE DIRECCION

• Estos rodamientos consisten en dos juegos de elementos rodantes, que se mueven dentro de dos carcazas.

• Se utilizan cuando se presentan cargas axiales de dos direcciones

RODAMIENTOS AXIALES DE CONTACTO ANGULAR DE DOBLE DIRECCION

• Este rodamiento es construido utilizando dos hileras separadas de bolas y cunas exteriores e interiores de diseño especial

• El rodamiento puede manejar cargas en ambas direcciones

• Se diferencia de los otros rodamientos, por que puede manejar cargas con Angulo de contacto de 60°

• Se utilizan en aquellos equipos que requieren de alto grado de exactitud, tales como maquinas herramientas

MATERIALES USADOS EN LA FABRICACION DE RODAMIENTOS

• Los rodamientos anti fricción, generalmente, se fabrican con acero al carbón, tal como el AISI 52100 (cincuenta y dos, cien)

• Uno de los factores que mas influye en la vida del rodamiento es la pureza del material, por medio de procesos sofisticados de manufactura, se logra eliminar la mayor parte de impurezas.

• Luego, el acero es sometido a un proceso de endurecimiento, para llevarlo a valores de 60 a 64 en la escala Rockwell C de dureza

LA HOLGURA INTERNA

• Para cumplir con su función de permitir la rotación libremente, el rodamiento debe tener una holgura interna.

• Esta le permite operar en distintos rangos de temperatura, sobre todo a bajas temperaturas

• La holgura es un factor de diseño y como tal debe ser controlada

• Una holgura inadecuada puede hacer ruidoso al rodamiento

• La holgura se mide en dirección de la carga: Radial y axial

• Cuando se fabrica, la holgura se denomina: “Holgura interna libre”

MEDICION DE LA HOLGURA INTERNA RADIAL

• La ABMA e ISO han establecido cinco clasificaciones distintas de holgura interna

• Estas se denominan, C2, normal (sin clasificación), C3, C4 y C5

• La mayoría de los rodamientos, en uso, tienen holgura C3

• Para especificar un rodamiento, es necesario definir la holgura.

Mínimo (mm)

Hasta (mm)

Diámetro interior

10 18

Holgura Min (µ) Max(µ)

C2 0 9

Normal 3 18

C3 11 25

C4 18 33

C5 25 45

• Nota: Las holguras son medidas en micrones ( milésimas de milímetro)

• Normalmente, los rodamientos se montan sobre la flecha con un ajuste por presión

• Esto hace que se reduzca la holgura libre interna y se obtiene la holgura interna de montaje

• Esta ultima puede reducirse, si el rodamiento es igualmente instalado a presión en una carcaza

• Si este fuera el caso, el calor generado por la fricción hará que el rodamiento se expanda y que se dañe, por lo tanto, no se recomienda que ambas cunas del rodamiento sean montadas a presión

SISTEMA BASICO DE NUMERACION DE RODAMIENTOS

• Usualmente los dos últimos dígitos del numero del rodamiento, indican el diámetro interior del mismo. Los primeros cuatro, deben ser memorizados:

• 00 = 10mm, 01 = 12mm, 02 = 15mm, 03 = 17mm

• Cuando los últimos dos dígitos son 04 o mayores, solamente hay que multiplicar el numero por 5 i.e., 04 = 20mm, 10 = 50mm, y 24 = 120mm.

• El tercer digito de la derecha, usualmente identifica la serie del rodamiento (sección transversal o tipo de servicio). Para cualquier diámetro interior especificado, mientras mas grande sea el numero, mayor será el diámetro exterior

• A manera de ejemplo, consideremos un rodamiento de 50mm de diámetro interior del tipo SRDG

NumeroDiámetro interior (mm)

Diámetro exterior

(mm)

Ancho

(mm)

6010 50 80 16

6210 50 90 20

6310 50 110 27

6410 50 130 31

The NTN Bearing Numbering SystemRodamientos de Bolas, Radiales

The NTN Bearing Numbering SystemRodamientos de bolas de contacto angular

Rodamientos auto alineables

Rodamientos axiales de bolas o rodillos

LUBRICACION

• La lubricación de los rodamientos anti fricción es una de las partes mas importantes para alcanzar el mayor rendimiento de los rodamientos

• Puede usarse aceite o grasa

• Es preferible usar aceite• Depende de las

condiciones de trabajo:– Carga – Velocidad– Temperatura– Medio Ambiente

• Bajo condiciones normales de trabajo, la velocidad y el tamaño del rodamiento son los parámetros mas importantes a considerar

• De utiliza el factor DN• Diámetro medio en

mm por las revoluciones por minuto:

• D = (D + d)/2

FACTOR DN Grado de dureza

0 a 50,000 NLGI 3

50,000 a 125,000 NLGI 2

125,000 a 250,000 NLGI 1

250,000 a 350,000 NLGI 0

Mas de 350,000 Grasas especiales

ACEITE

• Depende de los mismos factores mas el sistema de lubricación empleado

• La viscosidad del aceite esta directamente relacionada con la velocidad y temperatura de operación

• Sistemas de lubricación con aceite:– Perdida:

• Serie• Paralelos

– Recirculación• Salpicadura• presurizados

– Neblina• Aspersión• Nebulización

Volumen de lubricante

• La cantidad de lubricante aplicada a un rodamiento antifricción tiene importancia

• No mas del 30% de su capacidad total

Almacenamiento y manejo

• Empacados• Lubricados• Sin rotación• Eliminar humedad

Montaje

• Uso de herramientas apropiadas

• Evitar:– Calentamiento con

flama– Golpe directo de

martillos