Cojinetes lisos: análisis tribológico de superficies deslizantes y enfoques basados en el diseño

La fricción suele ser un parámetro de pérdida en los diseños mecánicos que puede provocar un mayor desgaste y fallo de los componentes. Suele deberse al contacto con superficies que se mueven en dirección opuesta. La instalación de cojinetes lisos es una de las formas de facilitar el movimiento de baja fricción entre estos componentes. Pero, ¿cómo funcionan los cojinetes lisos? ¿Cómo se minimiza la fricción con cojinetes lisos y cuáles son los enfoques basados en el diseño para optimizar el movimiento de baja fricción? Este artículo proporciona información sobre el mundo de la tribología (teoría de la fricción) y su importancia para el uso de cojinetes lisos.

¿Qué es la tribología y por qué un análisis tiene sentido para los cojinetes lisos?

La tribología también se denomina teoría de la fricción y, en términos sencillos, trata el comportamiento de fricción de diferentes superficies entre sí. La tribología se distingue en tres áreas centrales: Fricción, desgaste y lubricación.

¿Qué es la fricción?

La fricción es la resistencia al movimiento entre dos partículas o superficies de contacto de un cuerpo. Se hace una distinción general entre fricción externa e interna. La fricción externa incluye fricción estática, fricción deslizante y fricción de rodadura. La fricción interna de un cuerpo, gas o líquido se denomina fricción viscosa y causa la ductilidad del material.

En particular, la fricción externa influye en el comportamiento de desgaste de los materiales y, en la mayoría de los casos, conduce a un desgaste mayor o más rápido. El desgaste es la pérdida progresiva de material debido a una causa mecánica. Se produce cuando el cuerpo frota demasiado o demasiado fuerte. Esto puede suceder, por ejemplo, cuando dos componentes sin protección se tocan entre sí y se mueven simultáneamente entre sí. La fricción y el desgaste son los llamados parámetros de pérdida. El desgaste suele ser evidente por un cambio en la superficie del material. La lubricación se aplica en este punto: Los lubricantes actúan como un agente separador que reduce la fricción. Protegen las superficies de contacto y, por lo tanto, minimizan la fricción y el desgaste. Las partículas de calor y desgaste se eliminan al mismo tiempo.

La principal tarea de los cojinetes lisos es garantizar el movimiento de baja fricción de dos superficies móviles entre sí. Los cojinetes lisos lo hacen posible por el material de los propios cojinetes lisos, el almacenamiento de lubricantes o por una estructura especial. Además de reducir la fricción, el uso de lubricantes también mejora la suavidad y las características generales de funcionamiento de un cojinete. Por lo tanto, un análisis tribológico es bastante útil.

Descripción general de los tipos de desgaste

Hay varios tipos de desgaste inducido por diferentes causas:

• Adhesión: se crea un enlace atómico entre los cuerpos. Causa: Interacción molecular de las diferentes superficies.
• Abrasión: El cuerpo de la base está rayado o micromecanizado. Causa: La rugosidad alcanza su máximo en el cuerpo opuesto, partículas duras en el medio intermedio.
• Reacción triboquímica: Los cuerpos de base y los cuerpos opuestos reaccionan con partículas ambientales y lubricantes. Causa: Las superficies se activan químicamente debido a la fricción. Uno de los modos de desgaste de fallo más comunes.
• Descomposición de la superficie: Se forman grietas, que continúan creciendo hasta que las partículas individuales se desprenden. Causa: Alterne las tensiones en las áreas superficiales del cuerpo.

Lubricantes

Los lubricantes se utilizan para reducir la fricción y la corrosión. La acumulación de una superficie de contacto de refrigerante reduce o evita el contacto directo entre dos elementos de fricción. En la mayoría de los casos, el lubricante se basa en un aceite base, que se adapta a los usos previstos mediante aditivos adicionales. Los lubricantes están disponibles en versiones sólidas, líquidas o gaseosas con diferente viscosidad.

Aceites

Los aceites consisten en un aceite base, p. ej., aceite mineral, éster o poliglicol y varios aditivos. Son buenos conductores térmicos y se pueden utilizar a altas temperaturas y velocidades, por ejemplo, en cojinetes y cadenas simples. Los aditivos se utilizan para ajustar a propósito las propiedades del aceite, por ejemplo, para reducir el desgaste o la corrosión. Los aceites también se pueden utilizar para la limpieza, ya que absorben las partículas de suciedad.

Grasas

Las grasas están hechas de aceite base y un espesante (también llamado jabón). El espesante determina las características de rendimiento. Las grasas permanecen directamente en el punto de lubricación y contrarrestan permanentemente la fricción. Proporcionan protección contra la entrada de humedad y suciedad.

Lubricantes sólidos

Los lubricantes sólidos, p. ej., grafito o sulfuro de molibdeno, se utilizan en forma sólida. Producen una fricción muy baja y tienen una alta resistencia a la temperatura. Los lubricantes sólidos se utilizan, por ejemplo, cuando no se pueden utilizar lubricantes líquidos, como en un entorno de vacío o a temperaturas extremas.

Clases de viscosidad

La viscosidad es una propiedad definida para líquidos y gases (denominados colectivamente líquidos) y representa la fricción interna de los líquidos. La viscosidad es el resultado de las fuerzas atractivas de las partículas en el fluido y se genera por la fricción interna de los fluidos. Por lo tanto, la viscosidad afecta directamente a la fricción. Los aceites de motor, los fluidos de transmisión y los lubricantes industriales tienen clases de viscosidad específicas; por ejemplo, se clasifican según SE (Society of Automotive Engineers) o ISO.

Sin embargo, la viscosidad también depende de la temperatura del lubricante. Por lo tanto, los diferentes niveles de viscosidad suelen indicarse para dos estados. Para aceites de motor como SE 5W-30 o SE 15W-40, el primer número indica fluidez a temperaturas frías y el segundo número indica viscosidad a temperatura de funcionamiento. Por ejemplo, cuanto menor sea el número, más fluido será el aceite.

En términos generales, existen las siguientes viscosidades:

• Baja viscosidad: Materiales altamente líquidos, como agua o gasolina, que fluyen fácil y rápidamente sin resistencia. Se utiliza para cargas de compresión bajas y velocidades altas de deslizamiento.
• Viscosidad media: Materiales viscosos, como aceite de colza o melaza, que fluyen más lentamente y con una resistencia notable.
• Alta viscosidad: Sustancias pastosas, como adhesivos, que son muy gruesas y, por lo tanto, fluyen fuerte y lentamente con alta resistencia. A menudo muestran propiedades plásticas. Se utiliza para cargas de compresión altas y velocidades bajas de deslizamiento.

Fundamentos del cojinete liso

Los cojinetes lisos son robustos y fiables. Las superficies de deslizamiento especiales permiten reducir el movimiento de fricción del componente en contacto. A diferencia de los cojinetes de rodillos, un componente soportado por un cojinete liso se desliza sobre una superficie de cojinete. Las fuerzas que se van a absorber no se distribuyen sobre puntos individuales, como en un cojinete de bolas, sino sobre un área más grande. Como resultado, se pueden absorber fuerzas más altas. Los cojinetes lisos también se caracterizan por un diseño simple que ahorra espacio y propiedades de absorción de ruido y vibración. Los cojinetes lisos se pueden realizar en varias formas, por ejemplo, como casquillos, placas o barras. La fricción de deslizamiento, que actúa contra la fuerza de empuje, se produce durante el movimiento de deslizamiento. Por lo tanto, merece la pena lubricar los cojinetes lisos con un medio intermedio reductor de la fricción.

Esto puede ser, por ejemplo, cualquiera de los siguientes:

• Gas (separa las superficies a temperaturas extremadamente bajas)
• Aceite (p. ej., para cojinetes lisos hidrodinámicos)
• Lubricantes sólidos (p. ej., a altas temperaturas o fuerzas centrífugas)
• Campos magnéticos (p. ej., en salas limpias).

Selección de cojinetes lisos

Hay varios tipos de cojinetes lisos. Por ejemplo, MISUMI tiene cojinetes lisos sin mantenimiento en los que los casquillos se empapan directamente con lubricante o están equipados con lubricante incorporado, o casquillos guía con lubricación. Esto no requiere o solo requiere una relubricación ocasional. Se recomiendan cojinetes lisos sin mantenimiento para cargas de trabajo pesado y condiciones exigentes. Hay varias versiones de material: Bronce sinterizado, fundiciones, aleación de cobre, plástico, así como varias variantes de capas compuestas.

Las formas comunes incluyen:

• Recto: se puede montar fácilmente si no se necesita soporte adicional, p. ej., movimiento axial del eje
• Con brida: Las bridas proporcionan estabilidad y un montaje sencillo
• Versiones a presión (estándar, orificio de tornillo) para conexiones permanentes entre el cojinete y la carcasa, mejor distribución de la carga
• Las arandelas protegen las superficies de los cojinetes y distribuyen la presión uniformemente
• Placas deslizantes: Proporcionan una gran área de contacto para una mejor distribución de la presión y una menor fricción

La siguiente tabla proporciona una descripción general de varias formas:

Como en el ejemplo de aquí, se pueden utilizar cojinetes simples en una palanca de leva:

Consulte nuestro artículo “Cojinetes lisos: ahorro de costes a través de productos rentables” para obtener más información sobre la selección de cojinetes lisos.

Enfoques basados en el diseño para optimizar la lubricación

Existen varios enfoques basados en el diseño para garantizar una lubricación eficaz. En un entorno polvoriento y agresivo, por ejemplo, se recomienda proporcionar cojinetes lisos con un retén. Esto mantiene la función y la lubricación. Cuando se utilizan retenes, una superficie lisa de la superficie deslizante es ventajosa. Al mismo tiempo, una superficie lisa también significa que los aceites no se adhieren bien. La elección del lubricante debe ajustarse en consecuencia.

También se pueden utilizar ranuras para optimizar el rendimiento de lubricación. Las ranuras de lubricación, por ejemplo a lo largo de la superficie deslizante, pueden actuar como depósito para lubricantes y, por lo tanto, garantizar un suministro continuo de lubricante. Cuando se utilizan aditivos sólidos, también se recomienda utilizar ranuras u orificios en la zona de descarga, ya que algunos sólidos tienden a formar pastas, lo que reduce la vida útil del cojinete liso. Dependiendo del lubricante, también se debe seleccionar una forma de ranura adecuada y se deben añadir orificios de lubricación según sea necesario. Los alojamientos en forma de diamante son adecuados para la lubricación con grasa, los tapones esféricos para lubricantes líquidos y aceites lubricantes, y perforaciones u orificios de lubricación cuando se utilizan aceites lubricantes y grasas.

La selección de materiales también puede ser importante para optimizar la lubricación o minimizar la fricción de deslizamiento, incluso sin añadir un lubricante. Las superficies mecánicamente lisas, por ejemplo, tienen un buen comportamiento de cordón, lo que reduce la fricción. Sin embargo, como ya se ha mencionado, los aceites no se adhieren bien en este caso. Los metales sinterizados tienen estructuras y propiedades especiales que facilitan la lubricación. Su estructura porosa favorece la ingesta de lubricante creando un depósito de lubricante. Otro enfoque es utilizar un tratamiento de superficie. Las capas deslizantes de PTFE, grafito o cerámica pueden mejorar la lubricación de los cojinetes lisos. Por ejemplo, la cerámica también ofrece resistencia a altas temperaturas y el PTFE ofrece buena resistencia química, lo que también amplía la gama de aplicaciones de cojinetes lisos.