ELEMENTOS DE MÁQUINAS: RODAMIENTOS INDUSTRIALES
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República Bolivariana de Venezuela Elementos de Máquinas Ing. Jesús Rivera RODAMIENTOS INDUSTRIALES Integrantes: 1
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Trabajo sobre los rodamientos industriales
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República Bolivariana de Venezuela
Elementos de Máquinas
Ing. Jesús Rivera
RODAMIENTOS INDUSTRIALES
Integrantes:
Gómez Rivas, Claudio Sergio
Más y Rubí Márquez, Alberto
José
1
Maracaibo, abril de 2010
2
INDICEIntroducción
1. Definiciones1.1. Códigos y normas
2. Clasificación de rodamientos2.1. Cojinetes de superficie plana (chumaceras)
2.1.1. Cojinete con lubricación en el límite2.1.2. Cojinete con lubricación por película mixta2.1.3. 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 bolas2.2.1.1.1. Rodamientos rígidos de
una hilera de bolas2.2.1.1.2. 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 básico2.2.1.2.2. Rodamientos obturados2.2.1.2.3. Rodamientos con aro
interior prolongado2.2.1.3. Rodamientos de bolas con contacto
angular2.2.1.3.1. 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 agujas2.2.2. Rodamientos axiales
3. Aspectos generales de los rodamientos3.1. Componentes de un rodamiento
3
3.1.1. Anillos3.1.2. Elementos rodantes3.1.3. Jaulas
4. Duración o vida útil de un rodamiento5. Relación entre carga y vida útil6. Selección de rodamientos
6.1. Solo con carga radial6.1.1. Proceso de selección de los rodamientos
6.2. Cargas combinadas (radial y empuje)6.2.1. Rodamientos de bolas y rodamientos de rodillos
cilíndricos6.2.2. Rodamientos ahusados cónicos y de rodillos
7. Materiales y acabados8. Aspectos importantes sobre el montaje, operación y mantenimiento de
rodamientos8.1. Lubricación8.2. Montaje8.3. Precarga (carga previa)8.4. Alineamiento8.5. Sellos8.6. Rigidez8.7. Velocidades límite8.8. Tolerancias
ConclusionesBibliografíaAnexos
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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
Tipo de Rodamiento Capacidad De Carga Radial
Capacidad de Carga de Empuje
Bola de una hilera Bola de dos hileras Contacto angular Cilíndrico De aguja Esférico Ahusado
Buena Excelente
Buena Excelente Excelente
Buena Excelente
Aceptable Buena
ExcelentePobrePobre
Aceptable / BuenaExcelente
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Fuente: Shigley y Monhke (2003)
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
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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
Capacidad de Carga de Empuje
Bola de una hilera Bola de dos hileras Contacto angular Cilíndrico De aguja Esférico Ahusado
Buena Excelente
Buena Excelente Excelente
Buena Excelente
Aceptable Buena
ExcelentePobrePobre
Aceptable / BuenaExcelente
Fuente: Shigley y Monhke (2003)
4. Especifique la vida de diseño del cojinete, utilizando el cuadro
siguiente.
Vida útil de diseño recomendada para rodamientosUso Vida útil de diseño
L10, hAparatos domésticosMotores para avionesAutomotriz Equipo agrícolaElevadores, ventiladores industriales, engrantes de uso múltipleMotores eléctricos, ventiladores industriales con tolva, máquinas industriales en generalBombas y compresoresEquipo crítico en operación continua las 24 horas
1.000-2.0001.000-4.0001.500-5.0003.000-6.000
8.000-15.000
20.000-30.00040.000-60.000
100.000-200.000
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Fuente: Shigley y Moshke (2003)
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)
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6.2.1. Rodamientos de Bolas y Rodamientos de Rodillos Cilíndricos
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.
29
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 Fe. 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.
30
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
Fa/Co eFa/Fr e Fa/Fr > e
Xi Y1 X2 Y2
0.014*0.0210.0280.0420.0560.0700.0840.1100.170.280.420.56
0.190.210.220.240.260.270.280.300.340.380.420.44
1.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.00
000000000000
0.560.560.560.560.560.560.560.560.560.560.560.56
2.302.151.991.851.711.631.551.451.311.151.041.00
31
(*) 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.
32
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 (3-
8b) 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
Tipo de Carga C1
Constante o permanenteChoques ligerosChoques moderadosChoques fuertes
1.01.52.0
3.0 y mayor
33
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.
34
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.
de carga radial
de cargade empuje
(c) Detalles de los rodamientos(a) Carga y soporte de la flecha
35
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.
Diámetro Interno
Diámetro Externo
Espesor o Ancho a
Factor de empuje, Y
Especificación Básica en cuanto a
carga dinámica, C
1.000 01.500 01.750 02.000 02.500 03.000 03.500 0
2.500 03.000 04.000 04.375 05.000 06.000 06.375 0
0.812 50.937 51.250 01.500 01.437 51.625 01.875 0
0.5830.6900.9700.9751.1001.3201.430
1.711.981.502.021.651.471.76
8 370 12 80021 40026 20029 30039 70047 700
36
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.
37
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.
38
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
Propiedades Físicas
Materiales
Cerámicos (Si3 N4)
Acero52100
Acero Inox.440 C
Acero Herramienta
M50Dureza a temp. Ambiente (HRC) 78 62 60 64Módulo de elasticidad a temp.
39
Ambiente 106 psi 45 30 29 28Temperatura máxima de operación
1.200ºC2.200ºF
180ºC360ºF
260ºC500ºF
320ºC600ºF
Densidad (grm/cm3) 3,2 7,8 7,8 7,6
40
Fuente: Norton, Robert (2004)
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.
41
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.
42
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:
Grupo Tipo de GrasaTango de
Temperaturas de Operación (F)
IIIIIIIVV
De uso general Para alta temperatura Para temperatura media Para baja temperatura Para temperatura en extremo alto
-40-2500-300
32-200-67-225
hasta 540
43
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.
44
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.
45
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.
46
Figura 1. Ilustración del montaje de cojinetes
Figura 2. Tuerca y roldana de seguridad para sujetar cojinetes (SKF Industries, Inc., King of Prusia, Pa).
Cojinetee
Tuerca de Seguridad SeSeguridad
(a)
Cojinete
Rodana de Seguridad
Tacrea deSeguridadd
(b)
B B+L+T
(c)Tuerca de Seguridad Roldana de Seguridad
47
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.
48
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.
Espacio Libre
49
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.
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).
0.001 0.002 0.003 0.004 0.005Desalineamiento, rad
0
0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Fracción de vida del cojinete
50
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.
Figura 4. Tipos de sellado típicos. (Cortesía de New Departure-Hyatt Division, General Motors Corporation)
(a) Sellos de fieltro (b) Sello comercial (c) Sello de laberinto
51
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
52
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.
53
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.
54
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.
BIBLIOGRAFÍA
55
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)
ANEXOS
56
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
57
1.
2.
58
3.
4.
59
5.
6.
60
7.
61
