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Cojinetes de bolas: distribución de carga para cojinetes de rodillos
Los cojinetes de bolas y otros cojinetes de rodillos se instalan en numerosas máquinas. Los cojinetes instalados transfieren las fuerzas radiales o axiales que se producen en el alojamiento de la máquina y, por lo tanto, permiten el uso de varios componentes móviles. Las fuerzas que se producen y la carga resultante en el cojinete ya deben determinarse durante el proceso de diseño. La distribución de la carga en el cojinete y la geometría del punto de contacto correspondiente son cruciales para la vida útil prevista, la función y la eficiencia del cojinete. En este artículo, veremos la carga ejercida sobre un cojinete de rodillos y cómo la geometría de la superficie de contacto afecta a la distribución de la carga en el cojinete de rodillos.
Fundamentos de los cojinetes de rodillos
Los cojinetes de rodillos son cojinetes giratorios que guían las piezas móviles entre sí y las sujetan contra los componentes circundantes. Durante este proceso, absorben las fuerzas y las transfieren como un elemento de conexión entre los componentes inactivos y en movimiento. Sus principales funciones son transportar y guiar los componentes que se mueven entre sí. En este caso, no se ejercen fuerzas insignificantes sobre las superficies del cojinete de rodillos y los elementos de rodadura.
Cargas ejercidas sobre cojinetes de rodillos en contacto con componentes
La carga principal de los cojinetes de rodillos suele ser perpendicular al plano de contacto. Esta carga se concentra dentro del cojinete de rodillos en superficies de contacto comparativamente pequeñas entre el cuerpo de rodadura y el anillo interior o exterior. Las fuerzas incidentes conducen a una compresión superficial, que depende, entre otras cosas, de la forma de la carrera y el cuerpo rodante y también de la dirección de la fuerza y el número de elementos rodantes bajo carga al mismo tiempo. La compresión resultante de la superficie afecta a la vida útil y al desgaste, así como a la capacidad de carga máxima permitida del cojinete. Para una mejor apreciación, el alcance de la compresión en las superficies que soportan presión puede determinarse utilizando las ecuaciones de Hertz.
La compresión Hertz describe la distribución de presión local que se produce en la superficie de contacto de dos cuerpos curvos bajo carga. Utilizando los cálculos, se puede determinar el área de superficie que soporta presión, la deformación y la carga superficial. Para el cálculo ideal, se asumen las siguientes condiciones: un comportamiento de material lineal-elástico, las superficies de contacto son comparativamente pequeñas, el contacto es sin fricción y la presión se ejerce verticalmente. En la práctica, estas condiciones no siempre se cumplen con precisión en los cojinetes de rodillos, pero la fórmula de Hertz aún proporciona resultados suficientemente precisos para evaluar la compresión máxima del área. Sobre la base de estos, los cojinetes de rodillos se pueden diseñar mejor y también se puede determinar la carga máxima para los cojinetes de bolas.
Impacto de la geometría de la superficie de contacto en la distribución de la carga
La geometría de la superficie de contacto cambia en función de la geometría de carrera y los tipos de elementos rodantes utilizados. Tiene una influencia directa en la distribución de la carga. Por ejemplo, se forma un contacto puntual para bolas, mientras que se forma un contacto lineal para elementos rodantes cilíndricos. El contacto puntual conduce a una compresión bajo carga. Tanto la bola como la pista se deforman elásticamente. Esta deformación crea una superficie de contacto elíptica con diferente distribución de compresión. La compresión está en su máximo (deformación máxima) en el centro de la superficie de contacto creada por la deformación y luego disminuye hacia fuera.
El contacto puntual que se produce en el cojinete de bolas ranurado crea una compresión de superficie comparativamente alta. Por lo tanto, los cojinetes de rodillos cilíndricos o los cojinetes cilíndricos son más recomendables para cargas radiales elevadas. El contacto lineal de los elementos rodantes cilíndricos distribuye la presión sobre una superficie mayor. Los elementos rodantes y los anillos rodantes se deforman incluso con cojinetes cilíndricos de rodillos bajo carga. Debido a la forma de los elementos rodantes, la carga de compresión termina abruptamente en los extremos de los elementos rodantes, de modo que se producen picos de presión en estos puntos.
Los rodillos de tambor se utilizan, por ejemplo, para evitar la discontinuidad abrupta de la carga compresiva. Para los rodillos de tambor simétricos, la superficie exterior está ligeramente curvada sobre la longitud del cilindro, lo que crea una distribución elíptica de la presión. En el caso de cojinetes cilíndricos no simétricos, la carga compresiva se desplaza mínimamente hacia la curvatura más grande. Esto, por ejemplo, permite compensar las desalineaciones.
Otros tipos de elementos rodantes con contacto lineal incluyen el rodillo cónico y el elemento rodante en forma de aguja. La dirección de carga en un rodillo cónico corresponde al ángulo cónico. Se pueden acomodar cargas axiales y radiales. La desalineación también permite absorber cargas combinadas particularmente altas. Para los elementos rodantes en forma de aguja, los picos de presión en el extremo se minimizan por el contacto lineal extendido gracias a la forma de la aguja.
Instrucciones para diseñar cojinetes de bolas
El diseño del cojinete influye significativamente en el funcionamiento y la vida útil de los cojinetes de bolas. El movimiento relativo de un anillo de cojinete puede tener un efecto negativo en la vida útil. El movimiento suele deberse a un montaje incorrecto: El anillo del cojinete no está alineado correctamente o no está bien fijado. Por lo tanto, durante el montaje, es esencial asegurarse de que la fijación de los anillos (anillo interior y anillo exterior) del cojinete de rodillos y también las arandelas del eje o el orificio de la carcasa estén correctamente instalados. No permita que se deslicen bajo carga.
Pero no solo una instalación demasiado suelta, sino también una instalación excesivamente ajustada puede tener consecuencias negativas: Si los anillos de los cojinetes están demasiado apretados o deformados debido a una fuerza excesiva durante el montaje, esto conduce a una distribución desigual de la carga. Pueden producirse picos de carga que provoquen un fallo prematuro del material y el riesgo de agrietamiento. Un anillo de cojinete deformado puede crear nuevas superficies de contacto para la fricción y la generación de calor, lo que también afecta negativamente a la vida útil.
Además de garantizar el ajuste correcto, también debe definirse el tipo de carga deseado antes de la instalación. Como alternativa, se puede evaluar a qué tipo de carga estará expuesto el anillo. El tipo de carga define cómo se fija o mueve el anillo del cojinete en relación con la fuente de carga y qué asiento del cojinete seleccionar. Hay los siguientes tipos:
- Carga circunferencial: Se produce una carga circunferencial en el cojinete cuando el anillo está se mueve en relación con la dirección de carga. Todo el anillo se somete a tensión una vez durante la revolución. Si el asiento está suelto, el anillo puede migrar, por lo que debe seleccionarse un asiento ajustado.
- Carga puntual: Se produce una carga puntual en el cojinete cuando el anillo se coloca en relación con la dirección de carga. El mismo punto está constantemente bajo carga. Incluso cuando el asiento está suelto, el anillo no migra.
La siguiente tabla muestra diferentes casos de carga de cojinetes radiales:
| Caja de carga | Esquema simplificado | Descripción | Ajuste |
|---|---|---|---|
| Anillo exterior: Carga de punto |  |
Anillo interior: circunferencial Carcasa y carga: estacionaria |
ajuste fijo: anillo interior ajuste suelto permitido: anillo exterior |
 |
Anillo interior: fijo Anillo exterior: Carcasa y carga: circunferencial |
||
| Anillo interior: Carga de punto |  |
Eje y carga: estacionarios Anillo exterior circunferencial |
ajuste fijo: anillo exterior ajuste suelto permitido: anillo interior |
 |
Eje y carga: circunferencial Anillo exterior: estacionario |
Ambos tipos de carga tienen diferentes aplicaciones. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la carga circunferencial será la opción de distribución de carga uniforme prevista. Las tolerancias para cojinetes y asientos de cojinetes en general se pueden encontrar en nuestro blog de ajustes ISO y tolerancias para ejes y orificios.
Soluciones basadas en el diseño para cojinetes fijos y flotantes
Para los cojinetes de rodillos, hay dos configuraciones de cojinetes comunes: Cojinetes flotantes y cojinetes fijos. Los cojinetes fijos están diseñados para absorber fuerzas radiales y también axiales. Bloquear el eje en la dirección axial evita que se mueva. Los cojinetes fijos adecuados incluyen cojinetes de bolas de contacto angulares de doble fila. Los cojinetes flotantes se utilizan exclusivamente para absorber las fuerzas radiales. Ambos tipos de cojinetes suelen disponerse de manera que puedan absorber estas cargas y compensar los cambios térmicos en la longitud del eje o la carcasa soportados. Los cojinetes flotantes adecuados incluyen cojinetes de rodillos cilíndricos y cojinetes de agujas. El piñón de rodillo puede moverse a lo largo del anillo de rodadura del cojinete sin costillas.
Las dos figuras siguientes muestran la distribución de carga diferente al instalar un cojinete de bolas de ranura con una precarga diferente (ajuste):
Se debe utilizar un mínimo de dos cojinetes para soportar un eje. Tales cojinetes múltiples consisten en un cojinete fijo y cualquier número de cojinetes flotantes. Los cojinetes flotantes de un eje giratorio están diseñados para absorber fuerzas radiales a la vez que permiten el movimiento axial. Por lo tanto, la expansión térmica del eje y la carcasa puede equilibrarse.
Las siguientes instrucciones se aplican al diseñar el cojinete y el ajuste:
- Compruebe la alineación del eje: Para un desplazamiento de eje, los cojinetes oscilantes son una opción (en el rango de compensación del cojinete oscilante).
- Garantice una distribución óptima de la carga y una distribución uniforme en los elementos rodantes (los anillos no deben deslizarse en la dirección circunferencial, teniendo en cuenta los cojinetes fijos y flotantes).
- Asegure el descentrado y la planicidad.
Factores de influencia en el rendimiento y la vida útil de los cojinetes de rodillos
Además de la correcta instalación, otros parámetros afectan el rendimiento y la vida útil de los cojinetes de bolas y cojinetes de rodillos. Como ya se ha mencionado, la distribución dinámica de la carga del cojinete también influye. A continuación, veremos en detalle la capacidad de carga dinámica para cojinetes y cojinetes de bolas, así como la capacidad de carga estática. También mostraremos cómo calcular la capacidad de carga dinámica y estática para los cojinetes. A continuación, también consideraremos brevemente la temperatura como un ejemplo para otros factores de influencia.
Influencia de la capacidad de carga dinámica y estática
Los cojinetes de bolas pueden describirse por la capacidad de carga dinámica y estática. La clasificación de carga dinámica C se utiliza para calcular la vida útil nominal de un cojinete bajo la influencia de una carga X. La norma según ISO 281 es que el cojinete se utiliza durante al menos 1 millón de revoluciones. La capacidad de carga estática C0 a su vez indica la carga máxima que se puede ejercer en el cojinete en reposo sin deformación permanente (o una deformación máxima de 1/10000). Cuanto mayor sea la capacidad de carga dinámica, mayores serán las cargas que pueden actuar sobre el cojinete en funcionamiento. Cuanto mayor sea la capacidad de carga estática, mejor estará protegido el cojinete contra la deformación bajo cargas pesadas.
El fabricante suele especificar la capacidad de carga dinámica. Se calcula la carga dinámica del cojinete, que luego se compara con la clasificación de carga dinámica. La carga dinámica del cojinete se calcula de la siguiente manera:
P = X \times F_{r} \times F_{a} \times Y
- P = Carga dinámica del cojinete en N
- Fr = fuerza radial en N
- Fa = fuerza axial en N
- X = factor de carga radial
- Y = factor de carga axial
- Los factores de carga X e Y dependen del tipo de cojinete seleccionado y la relación de Fr y Fa (normalmente las especificaciones del fabricante)
La clasificación de carga dinámica C debe ser mayor o igual que la carga de cojinete dinámico P determinada; de lo contrario, existe el riesgo de sobrecarga del cojinete. La capacidad de carga estática C0 se puede calcular de la siguiente manera:
C_{0} = P_{0} \times S_{0}
- C0 = Capacidad nominal de carga estática en N
- P0 = Carga de cojinete estática equivalente
- S0 = Factor de seguridad de carga estática, según el modo de funcionamiento y los requisitos de suavidad
La carga del cojinete se ve afectada por diferentes temperaturas. Las altas temperaturas reducen la resistencia del material de los elementos rodantes y las pistas. Con este fin, hay factores de degradación que deben tenerse en cuenta para usos en condiciones de temperatura más altas al diseñar cojinetes de rodillos.
