Curso de Elementos de Máquinas

IV.- COJINETES DE CONTACTO RODANTE Y RODAMIENTO

Video clase sobre tipos y elementos que componen un rodamiento.

Rodamientos (Recuperado de https://youtu.be/2qMTEzWQTjM)

1.- Introducción.

Los Rodamientos son elementos mecánicos que aseguran un enlace móvil entre dos elementos de un mecanismo, uno que se encuentra en rotación con respecto a otro; siendo su función principal el de permitir la rotación relativa. En función del tipo de carga y de la configuración del sistema se definen distintos tipos de rodamientos normalizados que se pueden seleccionar de los catálogos de los fabricantes. Los rodamientos son elementos usados en las máquinas que no se diseñan sino que se seleccionan, por lo que nuestros esfuerzos radican en determinar su vida útil estimada.

El rodamiento tiene como objetivo de reducir significativamente la fuerza de rozamiento entre un eje móvil y su apoyo permitiendo de esta manera que el eje gire con menor esfuerzo al existir menor fuerza de fricción que se oponga a ello y por lo tanto disminuyendo el desgaste propio por fricción de los elementos en contacto.

Rodajes SKF - Inicio (Recuperado de https://youtu.be/v4IEtWQp2o8)

En el proceso general de diseño de los rodamientos, deben considerarse una gran cantidad de factores, tales como rozamiento, transferencia de calor, fatiga de los materiales, resistencia a la corrosión, propiedades de los materiales, forma y tipo de lubricación, tolerancia, velocidades de funcionamiento, tipos de montaje, uso y costo.

Debido a la complejidad de su diseño ya que poseen un alto grado de normalización, el verdadero problema que se presenta en los rodamientos es su selección; para lo cual no deben establecerse reglas rígidas, pues deben considerarse y ponderarse una gran variedad de factores dados por los fabricantes y que varían para cada tipo de rodamiento.

En este capítulo se tomará como referencia principal para fines estrictamente didácticos, la información suministrada por el Catálogo General de la SKF; siendo SKF una organización internacional industrial y comercial mundialmente conocida. (Ver catalogo SKF)

En una transmisión los cojinetes están situados en los soportes (Chumaceras). Generalmente no son visibles desde el exterior, porque están montados dentro de los soportes.

Nota.- Suele denominarse "cojinete" al casquillo de metal blando (latón, bronce... por lo general) normalmente sinterizado y embebido en aceite y "rodamiento" al de acero con elementos móviles (rodillos, bolas o agujas).

2.- Tipos de cojinetes.

Los cojinetes se clasifican en general, según el tipo de rozamiento que experimentan y por el tipo de carga que soportan.

2.1.- Según el tipo de rozamiento.

Se distinguen los cojinetes de fricción o de deslizamiento, y los cojinetes de antifricción o de rodadura. Entre los primeros se cuentan los cojinetes de casquillo completo o buje y los de casquillo partido. Entre los segundos los de bolas o rodillos. Para mayor ilustración, en la figura (Fig. 4.1) se muestran estos dos tipos de cojinetes.

Fig. 4.1

La vieja pregunta de si son mejores los cojinetes de deslizamiento o los rodamientos, puede contestarse en el sentido que cada tipo posee sus propiedades específicas y ninguno de ellos satisface todas las exigencias. En los cojinetes de fricción, la gran superficie de lubricación actúa amortiguando las oscilaciones, los golpes y los ruidos. Esta superficie es también menos sensible a las vibraciones y a la penetración de polvo, permite un juego radial menor, y una tolerancia de ajuste relativamente grande .

Además, los cojinetes de deslizamiento son sencillos en su construcción, fáciles de fabricar, requieren un diámetro menor en el montaje y se adaptan bien a las diversas aplicaciones.

2.2.- Según la carga que soportan.

Sentido de aplicación de las cargas y tipos de cojinetes (más adelante se verá el de los rodamientos).

Fig. 4.2

RODAMIENTOS (Recuperado de https://youtu.be/5juW6ASDyRU)

3.- Rodamientos o cojinetes antifricción.

Es el conjunto de esferas que se encuentran unidas por un anillo interior y uno exterior, el rodamiento produce movimiento al objeto que se coloque sobre este y se mueve sobre el cual se apoya. Los rodamientos se denominan también cojinetes no hidrodinámicos. Teóricamente, estos cojinetes no necesitan lubricación, ya que las bolas o rodillos ruedan sin deslizamiento dentro de una pista. Este deslizamiento genera calor. Para disminuir esta fricción se lubrica el rodamiento creando una película de lubricante entre las bolas y la pista de rodadura.

Los términos cojinete rodante, cojinete antifricción y cojinete de rodamiento se emplea para describir la clase de cojinete en el cual se transfiere la carga principal mediante elementos que experimentan contacto rodante en vez de contacto deslizante. Estos cojinetes generalmente son llamados simplemente Rodamientos.

Algunos tipos de rodamientos (Recuperado de https://youtu.be/YheYU8ixD5c)

Partes de un rodamiento.

¿Cómo funciona el rodamiento de rodillos y el de bolas? Tipos y estimación de su durabilidad (recuperados de https://youtu.be/vibgC6UYBms)

Los rodamientos o cojinetes antifricción, son cojinetes que utilizan bolas o rodillos que giran, moviéndose dentro de un compartimiento formado por dos cilindros o pistas, de tal forma que se sustituye el rozamiento de fricción entre dos superficies planas, por el rozamiento de rodadura entre una superficie plana y una cilíndrica o esférica.

Un rodamiento consta de las siguientes partes:

Aro o anillo exterior
Aro o anillo interior
Cuerpos rodantes
Jaula

Fig. 4.3

Los aros y los cuerpos rodantes se fabrican en acero. Los aros son primeramente torneados, después templados y revenidos, y finalmente rectificados y pulidos.

Los cuerpos rodantes se obtienen por estampación en frío, temple y revenido, y finalmente rectificados y pulidos.

Las jaulas son fabricadas en chapas(generalmente de latón) troqueladas y embutidas, aunque también se pueden encontrar jaulas de latón mecanizadas.

En la figura (Fig. 4.4), se puede observar un rodamiento a bolas con la designación de sus partes componentes. En el agujero (diámetro interior) del anillo interior se introduce a presión el eje del mecanismo, girando el conjunto de anillo interior y eje sobre las bolas o esferas, las que a su vez lo hacen sobre la pista del anillo exterior, estando este último fijado a presión en la caja de alojamiento o encastre del cojinete. Los separadores se utilizan para impedir el contacto de las bolas y absorción de sacudidas producidas por los cambios de velocidades de las mismas. También puede girar el anillo exterior sobre las bolas, permaneciendo fijo el anillo interior, según el diseño y elemento giratorio del mecanismo.

Fig. 4.4 Descripción de un rodamiento típico.

Características:

Se puede hacer un análisis comparativo entre ventajas y desventajas entre los cojinetes de fricción y los rodamientos, pudiéndose mencionar las siguientes: a) un rodamiento presenta escasa resistencia al arranque o comienzo del movimiento, no aumentando significativamente en su estado de funcionamiento, en tanto que en los de fricción el par de arranque es mucho mayor que el de operación, b) los rodamientos son fáciles de lubricar, con grasa en los cojinetes sellados o sistemas simples de lubricación, c) los rodamientos ocupan menor espacio axial, para un determinado diámetro del eje, pero ocupan mayor espacio radial que un cojinete de fricción, d) los rodamientos pueden soportar cargas radiales y axiales combinadas, en tanto que los cojinetes de fricción solo pueden soportar cargas radiales o axiales, debiéndose usar uno para cada caso, e) se detecta por el ruido el comienzo de una la falla en un rodamiento, en tanto que un cojinete de fricción falla repentinamente y sin aviso previo, f) un rodamiento puede usarse en cualquier posición en el espacio y se intercambian más fácilmente que uno de fricción, g) un rodamiento es mucho más ruidoso que un cojinete de fricción, h) las partículas extrañas perjudican menos a un cojinete de fricción que a un rodamiento, i) los cojinetes de fricción tienen mayor capacidad para soportar sobrecargas e impactos, j) los rodamientos son afectados muy poco por las pequeñas desviaciones transversales del eje, no así los cojinetes de fricción, k) los rodamientos debido a la fatiga tienen vida limitada, en tanto que los cojinetes de fricción, si están bien lubricados pueden durar indefinidamente, l) los rodamientos son de costo inicial más alto que los cojinetes de fricción.

Otra característica de los rodamientos es la exactitud de sus dimensiones con tolerancias muy estrechas para un satisfactorio funcionamiento del conjunto.

La fallas frecuentes de estos rodamientos generalmente se dan, de acuerdo a la figura siguiente:

Fig. 4.5.

3.1.- Clasificación de cojinetes antifricción o Rodamientos.

Existen rodamientos de muy variados tipos para adecuarse a las diversas aplicaciones, es muy importante escoger el rodamiento preciso, tomando la decisión en base a criterios tales como: costo, facilidad de montaje, vida útil, dimensiones generales, simpleza del conjunto, disponibilidad de repuestos y tipo de lubricación.

Básicamente hay tres formas de clasificar los rodamientos:

3.1.1.- Según la dirección de la carga que mejor soportan.

a).- Rodamientos Radiales.

Son aquellos que están diseñados para resistir cargas en dirección perpendicular al eje. Constan en forma general de tres piezas: Un aro exterior, un aro interior y un elemento rodante con algún tipo de canastillo o jaula. Por ejemplo, las ruedas de un carro se apoyan en el suelo y reciben la carga en el eje, de esta forma los rodamientos de las ruedas trabajan bajo carga radial.

Fig. 4.6.

Fig. 4.7.

b).- Rodamientos Axiales.

Son aquellos que están diseñados para resistir cargas en la misma dirección del eje. Constan en forma general de tres piezas: Un aro superior, un aro inferior y un elemento rodante con algún tipo de canastillo. Por ejemplo, pensemos en un carrusel, el peso total de esta máquina actúa verticalmente hacia el suelo y debe rotar en torno a un eje vertical al suelo, en esta aplicación debe utilizarse un rodamiento axial de gran diámetro, cuyo aro superior sostenga al carrusel y cuyo aro inferior se apoye en el suelo.

Fig. 4.8.

Fig. 4.9.

c).- Rodamientos de contacto angular.

Son una mezcla de los casos anteriores, se basan en un rodamiento similar al radial con un diseño especial de los aros exterior e interior para soportar cargas axiales mayores que un rodamiento radial simple. Sus aplicaciones son muy amplias, debido a que un eje siempre puede desarrollar cargas eventuales en una dirección inesperada y debido al ahorro que se genera al colocar un solo rodamiento para hacer el trabajo de dos.

Fig. 4.10

d).- Rodamientos Radio-axiales.

Con mayor porcentaje de carga radial, soportando también la carga axial en menor porcentaje.

e).- Rodamientos Axiales-radiales

Con mayor porcentaje de carga axial, soportando también la carga radial en menor porcentaje.

3.1.2.- Según la rigidez del rodamiento.

a).- Rodamientos rígidos.

Son aquellos que no aceptan desalineamientos del eje. Ante un desalineamiento se generan cargas que pueden dañar definitivamente el rodamiento.

Fig. 4.7

b).- Rodamientos rotulados.

Son aquellos que por un diseño especial de los aros permiten que el eje gire algunos grados sin desarmar el rodamiento. Esta característica se logra con una pista de rodadura esférica que permite a las bolas o barriletes desplazarse para acomodarse al desalineamiento del eje. Son muy utilizados en maquinaria pesada debido a la necesidad se prevenir daños frente a las deformaciones de los ejes, cargas provocadas por dilataciones térmicas y cargas dinámicas.

Fig. 4.8

3.1.3.- Según la forma del cuerpo rodante.

Existen diversos elementos rodantes que varían según las aplicaciones. El mas común son las bolas de rodamiento, muy útiles para cargas livianas y medianas. Para cargas mayores se utilizan rodillos y barriletes. Finalmente en cargas axiales se utilizan conos. Algunas aplicaciones en donde el espacio es reducido se usan agujas, que son cilindros largos con diámetros pequeños, Luego:

Fig. 4.9

Fig. 4.10

En la figura (Fig. 4.11) se muestran una serie de rodamientos, los cuales son únicamente indicativos, ya que no se agota la clases de cojinetes antifricción que existen en el mercado, cada uno atendiendo a las exigencias y condiciones específicas de cada servicio para los que son requeridos.

Rodamientos a bolas. a) radial de dos hileras, b) axial y c) de contacto angular.

Rodamientos a rodillos cilíndricos. a) radial, b) axial y c) axial de dos hileras.

Rodamiento a rodillos de barril radial, de bolas a rótula y de rodillos cónicos.

Fig. 4.11

Al catalogar un rodamiento es útil entregar una información completa, indicando los tres conceptos anteriores, por ejemplo: Rodamiento radial rígido de bolas, rodamiento radial rotulado de barriletes, rodamiento axial rígido de conos.

Los rodamientos pueden ser:

Fig. 4.12.- clasificación de los rodamientos.

Fig. 4.13.- Rodamientos especiales.

Afortunadamente los fabricantes de rodamientos han mantenido una numeración estándar en todas las marcas, permitiendo una identificación sencilla de los rodamientos en base a un numero y en ocasiones acompañado de unas letras.

Los rodamientos tienen un amplio campo de aplicaciones, según puede observarse en el siguiente gráfico, donde se muestra la distribución de las ventas de la firma SKF por aplicaciones.

Fig. 4.14

3.1.4.- Designación de Rodamientos: La designación de los rodamientos, está formada por el nombre del rodamiento seguida de la denominación abreviada del mismo. Ésta se compone de una serie de símbolos y cifras los cuales tienen un significado determinado:

Fig. 4.15

- El primer grupo de cifras, indica el tipo de rodamiento, serie de anchura y la serie de diámetros exteriores a los que corresponde.

- El segundo grupo de cifras, está formado por un número característico del diámetro del eje. En la zona de diámetro comprendida entre 20 y 480 mm., se obtiene el diámetro del eje multiplicando a éste grupo por 5.

Ejemplo de designación:

Rodamiento rígido de bolas K 6005 RS NR C2

Prefijo K: Estos prefijos complementan la denominación del rodamiento y atienden a la construcción del mismo:

K: Jaula premontada con cuerpos rodantes.
L: Aro desmontable de rodamientos de rodillos cilíndricos y cónicos.
R: Conjunto de aro y corona de rodillos de los rodamientos derodillos cilíndricos y cónicos, sin los órganos desmontable.
E: Aro ajustado al eje de un rodamiento axial de bolas.
W: Aro ajustado al alojamiento de un rodamiento axial de bolas.

Primer grupo de cifras: Este grupo de números puede tener hasta tres cifras, aunque es posible que se omita la tercera:

Primera cifra: Indica el tipo de rodamiento:

Rodamiento de dos hileras de bolas de contacto angular (0) : esta cifra será omitida siempre.
Rodamiento oscilante de bolas (1): La primera cifra puede omitirse.
Los rodamientos con diámetro interior < 10mm., se designan con tres cifras, la última de las cuales corresponde al diámetro del agujero en mm.
Rodamiento axial de rodillos a rótula y rodamiento oscilante de rodillos (2).
Rodamiento de rodillos cónicos(3).
Rodamiento rígido de dos hileras de bolas (4): La primera cifra (2) de la serie de dimensiones se omite.
Rodamientos axiales de bolas (5).
Rodamiento rígido de bolas(6): El símbolo de tipo (6) y/o la primera cifra(0) de la serie de dimensiones puede ser omitidos.
Rodamiento de bolas de contacto angular (7).
Rodamiento de rodillos cilíndricos (N).
Rodamientos de bolas de cuatro puntos de contacto (QJ).

Segunda cifra: Hace referencia a la serie de ancho (B) del rodamiento.
Tercera cifra: Hace referencia a la serie del diámetro exterior del rodamiento. En ocasiones se omite,(caso de que el rodamiento tenga sólo cuatro cifras).

Segundo grupo de cifras: Hace referencia al diámetro interior del rodamiento (d). Los rodamientos con un diámetro menor de 10 mm., se designan con dos cifras, la última de las cuales corresponde al diámetro del agujero en mm. Para agujeros mayores de 10 mm. se reflejan con las cifras de la siguiente tabla:
Sufijos : Es usual, la inclusión de sufijos en la denominación de los rodamientos. Estos sufijos están normalizados, pero los fabricantes de rodamientos no los utilizan por igual, por lo que es conveniente dirigirse al catálogo correspondiente, a la hora de interpretar un sufijo dado. En general, estos sufijos hacen referencia a algunas características exteriores de los rodamientos: