4.- 4.- Cojinetes de fricción o deslizamiento
4.1.- Introducción.
Son elementos de máquina construidos en forma de casquillos o bujes de un metal o aleación diferente a la del árbol o eje, seleccionado de tal manera que presente un coeficiente de rozamiento (f) lo más bajo posible. En algunos casos es posible agregar un lubricante, de forma tal que el elemento móvil se desplace sobre una película de dicho material, evitándose así que las superficies entren en contacto.
Cuando una superficie metálica se desplaza con respecto a otra, por esmerado que sea el trabajo de pulimentación, aunque parezca lisa y suave a simple vista, en realidad está formada por rugosidades y asperezas casi mecroscópicas, las caules entran en contacto, se enganchan, desgarran y triruran, originándose así el rozamiento, por el cual el material se desgasta, la temperatura sube y las piezas se calientan, se dilatan y llegan incluso a fundirse, pudiendo producirse el denominado gripado.
El engrase o lubricación consiste en interponer entre las superficies con movimiento relativo una película de aceite sobre la que se desplazan.
Se puede afirmar, que salvo en casos muy particulares, cuando existe movimiento relativo entre los elementos de una máquina es precisa la lubricación.
Lubricar es hacer resbaladiza una cosa. para ello se usan los lubricantes, gracias a los cuales se reduce el rozamiento entre las piezas, disminuyendo así el desgaste, el calentamiento y la disponibilidad de agorrotamiento de los elementos.
Video: Ensamble del rodamiento de fricción.
|
El cojinete de fricción esta basado en el deslizamiento entre piezas mientras que el rodamiento son cojinetes que utilizan elementos rodantes para disminuir la fricción, ya que su rozamiento es menor que en el de deslizamiento. Los cojinetes de deslizamientos son básicamente anillos cilíndricos de forma tubular, con o sin collar, interpuestos entre un árbol y su alojamiento, con la finalidad de facilitar el movimiento de rotación, soportando cargas y reduciendo las pérdidas por fricción. Por lo general están montados en el agujero con apriete y el árbol desliza en él. Cuando el cojinete dispone de un collar soporta esfuerzos axiales. Los cojinetes de fricción están construidos a partir de materiales que presentan baja de fricción (bronce, estaño, plomo, grafito, Teflón, Politetrofluoretileno, poliamida, Babbit, etc), pueden utilizarse seco o con lubricación. Los cojinetes de deslizamiento tienen muchas aplicaciones debido a la gran gama de condiciones de cargas y temperaturas bajo las cuales pueden trabajar. Por lo tanto, cada diseño requiere que sea estudiado con detenimiento, quedando pocas posibilidades para las generalizaciones. |
Fig. 4.16 |
4.1.- Tipos de Cojinetes.
4.1.1.- Según su Lubricación.
Cojinetes con Lubricación Límite.– Existe un contacto real entre las superficies sólidas de la pieza móvil y la pieza estacionaria, aunque presente una capa de lubricante.
Cojinetes con Lubricación Hidrodinámica.– La pieza móvil y la pieza estacionaria del sistema están separadas por una película completa de lubricante que soporta a la carga.
4.1.1.- Según el Material de Fabricación
Cojinetes de Materiales Metálicos.– En este grupo tenemos los cojinetes fabricados de: Bronces colados (En nombre de bronce se aplica a varias aleaciones de cobre con estaño, plomo, zinc o aluminio, solos o en combinación. Ejemplos: Bronce al plomo, bronce colado SAE CA932, Bronces al estaño y bronces al aluminio), Babbitt (Pueden ser a base de plomo o a base de estaño: nominalmente tienen 80% del metal principal), Aluminio y Zinc.
Cojinetes de Materiales Sinterizados.– También llamados autolubricantes, son obtenidos por sinterización (compresión de metales, generalmente bronce, en polvo a elevada temperatura), los cuales deja una alta porosidad en el material (porosidades entre 15 y 35% en volumen).
Los poros contienen lubricante que, bajo el efecto centrífugo del movimiento, es aspirado y formado un cojín de aceite. Al paro, el lubricante reanuda su lugar por capilaridad.
Fig. 4.17
Cojinetes Compuestos.– Ellos pueden funcionar tanto seco como con un ligero engrase al montaje bajo velocidades periféricas inferiores a 3 m/s. Están constituidos por 3 capas diferentes. La base es una chapa de acero cubierta de una capa de bronce sinterizado. La superficie que frota puede ser en resina acetal (POM) o en Politetrofluoretileno (PTFE) con adición de un lubricante sólido: plomo, grafito, bisulfuro de molibdeno MoS2….
Fig. 4.18
Cojinetes Plásticos o Poliméricos (nylon, PTFE, acetal….).– on utilizados, sobre todo, cuando es necesario tener una gran resistencia química (ácidos, bases…). Inconvenientes: baja resistencia que limita su capacidad de carga y un escaso coeficiente de conductividad térmico que impiden una buena evacuación de las calorías.
PTFE - Politetrafloruroetileno
|
PA – Poliamida PPS – Sulfuro de polifenileno PVDF – Floruro de polivinilideno |
PEEK – Polieteretercetona PEI – Polieterimida PES – Polietersulfona |
4.2.- Cojinetes con Lubricación Limite o "Secos".
4.2.1.- Pérdidas por Fricción.
Consideremos el árbol 2, de radio R y el cojinete 1. Estos se someten a las siguientes acciones mecánicas exteriores.
Fig. 4.19
Donde:
Cm: Par torsor mínimo que implica la rotación de 2/1. (N.m)
F: Fuerza radial sobre el árbol 2. (N)
F1/2: Acción mecánica del cojinete 1 sobre el árbol 2 (N), quién se divide en un componente normal al contacto (N) y un componente tangencial (T).
Durante la rotación en régimen permanente (velocidad constante y deslizamiento de 2/1) hay equilibrio de los momentos y resultados.
En caso de utilización de cojinetes con collares, es necesario añadir el par de fricción del árbol contra el hombro.
Fig. 4.20
Se puede entonces determinar la potencia perdida por fricción:
P = Cf x W
Donde:
P: Potencia expresada en Vatio (W)
Cf : Par de fricciones (N.m)
W : Velocidad angular (en rad/s)
Esta potencia corresponde a la energía que es necesario disipar para cada unidad de tiempo en forma de calor. El calor se disipa:
Por el armazón: Superficie de intercambio importante, escasa subida de la temperatura.
Por el árbol: Superficie de intercambio limitada, subida de la temperatura.
La subida de la temperatura modifica:
Los juegos de funcionamiento (riesgo de agarrotamiento por insuficiente juego inicial).
Las calidades del lubricante.
Las características físicas de los materiales.
4.2.2.- Dimensión de los Cojinetes "Secos".
Para elegir un cojinete es necesario determinar tres parámetros:
d - Diámetro interior: fijado por el diámetro del árbol utilizado en la conexión pivote.
L - Longitud del cojinete.
Tipo de cojinete.
Una vez que este diámetro d se conoce, es posible conocer la velocidad periférica V.
Donde:
V – Velocidad periférica (m/s)
n – Velocidad de giro (r.p.m.)
d – Diámetro de giro (mm)
|
El procedimiento de cálculo varía sensiblemente de una familia al otro y de un fabricante al otro. Para elecciones precisas utilizar los documentos fabricantes. Sin embargo estos cálculos (duración de vida, longitud del cojinete…) obligan regularmente a introducir los conceptos de presión diametral P y de producto PV. Este factor es determinante en la dimensión del cojinete. Su valor permite medir la capacidad del material para soportar la energía generada por la fricción. En caso de rebasamiento, la temperatura del transporte aumenta y la destrucción es rápida.
|
Fig. 4.21 |
Tabla 4.22: Un valor práctico de diseño para PV es la mitad del valor admisible
Por otro lado, tenemos fabricantes que ofrecen diagramas P vs V, en vez de dar información de producto PV. Estos diagramas ayudan a los cálculos requeridos, tomando para el diseño, el sector definido bajo la curva.
Gráfico N0 4.22
4.2.3.- Montaje.
Fig. N0 4.23
4.3.- Cojinetes de Deslizamiento Hidrodinámicos.
Se asemejan a los cojinetes secos con una diferencia fundamental: en funcionamiento normal no hay nunca contacto metal sobre metal entre el árbol y el cojinete, excepto al comienzo. La velocidad tangencial del árbol por acción de la rotación, a condición de que sea suficiente, crea una fuerza de sustentación hidrodinámica comparable al esquí náutico o al hidrodeslizamiento. Permanentemente una película de aceite separa las dos superficies respectivas (régimen hidrodinámico). El desgaste entonces es prácticamente nulo y la fuerzas de fricciones reducidas.
Fig. N0 4.24
La alimentación en aceite debe ser suficiente para compensar las fugas laterales. El grosor más bajo de la película de aceite (h0) varía entre 0.008 mm. y 0.020 mm. Las alimentaciones (canal de llegada, surco de engrase) se colocan generalmente en la zona donde hay depresión.
Tabla 4.25
4.4.- Las ventajas de utilizar cojinetes de fricción en lugar de rodamientos son:
Fig. 4.2
Son más aptos para el funcionamiento a velocidades elevadas, a causa de su poca durabilidad debido a que los elementos rodantes están sometidos a tensiones elevadas y variables.
Menor tamaño radial.
Menor peso.
Su instalación es más sencilla.
Mayor tolerancia a los choques.
Son menos ruidosos.
Las propiedades que se desean tener en los cojinetes son:
Resistencia.- Porque el cojinete debe soportar la carga que se aplica y transmitirla a la estructura. La carga varía a lo largo del tiempo por lo que debe tener resistencia estática y a fatiga.
Susceptibilidad a la incrustación.- Es la capacidad del material para mantener elementos contaminantes en el cojinete sin provocar daños en el muñón que gira. Por tanto, es conveniente utilizar un material blando.
Resistencia a la corrosión.- Dependiendo de la atmósfera en que se encuentre.
A continuación enseñamos la nomenclatura de algun tipo de piezas que se utiliza para el ensamblaje:
Flange Bearing.
Fig. 4.3
Oil Hole/Oil Groove: agujero y ranura para lubricar con aceite.
Half Bearing.
Fig. 4.4
Chamfer: bisel.
Notch: muesca.
Joint face: cara a unir.
Plain Bush.
Fig. 4.5
Los cojinetes comunes son diseñados para tener en cuenta una carga radial con alguna carga axial limitada. "TODOS LOS COJINETES SON LUBRICADOS".
Ver ejemplos de fallas de cojinetes por falla de Lubricación:
Fallas de Lubricacion en Centrales Termoelectrica (Recuperado de https://youtu.be/7PgCu2JuQPk?si=-KtrozLSoTxJAbwR)
Ver tambien fallas de cojinetes de fricción en Motores de combustión interna.
Inicio