Diseño de rodamientos y cojinetes

El diseño de rodamientos y cojinetes hace parte del proceso de ingeniería llevado a cabo para la estructuración y construcción de maquinarias.

facultad de ingeniería
viernes, 29 de julio de 2022
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El diseño de rodamientos y cojinetes parte desde su composición. Son elementos mecánicos que tienen la función de soportar un árbol de transmisión, trabajando como apoyos y permitiendo el giro de este árbol. Los rodamientos cumplen con esta función intercalando un elemento rodante entre dos aros, uno de los cuales permanece en contacto con el árbol de transmisión y el otro con el soporte que los sujeta que, normalmente, permanece estático. Los cojinetes, rodamientos de fricción o chumaceras, no intercalan ningún elemento sólido entre los aros, utilizando un lubricante como elemento separador.

Cojinetes de fricción

Los cojinetes son componentes tribológicos que soportan una carga mientras están en movimiento relativo con otro elemento, por tanto, su capacidad de soportar cargas es moderada, pero son compatibles con rotaciones a altas velocidades. Los cojinetes pueden ser de autolubricantes, que no requieren lubricación externa, con lubricación periódica. Mismos que requieren pequeños aportes de lubricante, hidrostáticos, en los que se introduce lubricante a presión, hidrodinámicos. Son estos en los que el lubricante adquiere presión por el movimiento relativo de rotación entre los elementos del cojinete, y otros como los cojinetes magnéticos y los de flexión.

Se pueden fabricar de metal-polímero, compuesto por un soporte de acero o bronce de alta resistencia, una capa intermedia de bronce poroso sinterizado y un revestimiento antifricción. Este último esta formado por politetrafluoroetileno (PTFE) y material antidesgaste o de cinta extruida de termoplástico; materiales termoplásticos que varían según la temperatura de trabajo, de fibras compuestas reforzadas o metálicos, ya sean monometálicos de acero o bronce. Sean estos bimetálicos de acero con recubrimiento de bronce, o de bronce sinterizado.

El fenómeno de fricción en cojinetes fue primeramente explicado por Petroff, quien supuso que el árbol de transmisión es concéntrico con el aro exterior del cojinete, lo que implica que la película lubricante es uniforme en toda la circunferencia del cojinete. De acuerdo con esta teoría se obtiene un número característico del cojinete o “número de Sommerfeld S” que se define como μN/P en el que se considera el radio del árbol r, la holgura del cojinete c, la viscosidad del lubricante μ, la velocidad de giro del árbol N y la presión sobre el lubricante P.

Variantes

Pero si en el cojinete hay un flujo de lubricante, forma un espacio cuneiforme que obliga al árbol a desplazarse hacia el otro lado. Así, formando un espesor mínimo de la película lubricante h0 que no se encuentra en la parte inferior del cojinete; sino desplazado en el sentido en que gira el árbol, en la línea que une los centros del cojinete y del árbol, separados una distancia e, definiendo una relación de excentricidad. Esta película lubricante presenta unas curvas de distribución de presión, en las cuales esta es mayor en la vertical del centro del árbol y disminuye según se desplaza a los lados, de acuerdo con los experimentos de Tower.

Con base en estos experimentos, Reynolds teoriza sobre el comportamiento de la película lubricante, en régimen hidrodinámico. Esto considerando que esta es muy fina en comparación con el radio de curvatura, por lo que este radio se desprecia. Mientras que el lubricante tiene un comportamiento newtoniano, se desprecian las fuerzas de inercia del lubricante. El fluido es incompresible, la viscosidad del lubricante es constante, la presión no varía en dirección axial z, el flujo de lubricante es laminar, el fluido se adhiere a las superficies sólidas y estas superficies son rígidas.

Rodamientos

Los rodamientos soportan y guían elementos giratorios u oscilantes de máquinas. Transfieren las cargas entre los componentes con una fricción mínima, ya sean cargas radiales. Es decir, cargas que actúan de forma perpendicular al eje del rodamiento, cargas axiales, que soportan cargas que actúan a lo largo del eje, o cargas combinadas. Presentan las ventajas de soportar cargas elevadas y de fijar la posición exacta del apoyo en el árbol. Un rodamiento radial típico se compone de los siguientes elementos:

Aro interior y aro exterior

En los rodamientos axiales se denominan arandelas y están en contacto con los elementos de máquinas que sujetan. Además, entre los que transfieren las cargas, estos elementos giran a diferentes velocidades angulares, siendo habitual que uno de ellos permanezca estático. La presión en el área de contacto de rodadura provoca fatiga, por lo que deben ser lo suficientemente duros como para hacer frente a la fatiga y a las deformaciones plásticas. Estas son resistentes como para soportar las cargas y estables para experimentar cambios muy limitados en sus dimensiones a lo largo del tiempo. Para ello se fabrican de acero endurecido aleado con cromo, generalmente aceros 100Cr6, a los que se somete a procesos de templado.

Elementos rodantes

Pueden ser bolas o rodillos y son los elementos que transfieren la carga entre los aros interior y exterior. Generalmente, son del mismo material que los aros, pero a veces se fabrican de material cerámico para aportar mayor dureza. Las bolas establecen un contacto puntual con los caminos de rodadura de los aros. Esto con una carga elevada la bola se deforma transformando el contacto en un área elíptica. Al ser pequeña genera baja fricción y permite operar a altas velocidades; aunque su capacidad de carga es limitada, para mejorar este aspecto se utilizan rodamientos con doble fila de bolas.

Los rodillos establecen un contacto lineal con los caminos de rodadura, que al someterse a una carga elevada se transforma en rectangular. Esto al tratarse de un área superior al anterior los rodillos soportan cargas más pesadas, pero tienen limitada su velocidad. Los rodillos pueden ser cilíndricos, cónicos, agujas, esféricos o toroidales, según la aplicación.

Jaula o separador

Tiene como función separar los elementos rodantes para reducir el calor por fricción. Mantenerlos uniformemente separados para optimizar la distribución de cargas, guiar los elementos rodantes en la zona sin carga del rodamiento y retener los elementos rodantes en el caso de rodamientos desmontables. Las jaulas pueden ser metálicas, estampadas, metálicas, mecanizadas, de polímeros o con pasadores.

Sellos

Tienen como función prolongar la vida del rodamiento al mantener el lubricante entre los elementos rodantes y evitando la entrada de contaminantes, en los casos en los que se encuentren fuera del cárter de la máquina. Pueden ser del tipo placa de protección cuando las condiciones de trabajo son limpias o las velocidades y temperaturas de trabajo son elevadas, y no permiten que haya más fricción, sello rozante cuando el nivel de contaminación es moderado y existe presencia de agua, sello de baja fricción y sello no rozante cuando a la contaminación moderada se le añade la necesidad de operar a altas velocidades.

Diseño desde la ingeniería

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