¿Qué es un rodamiento axial de bolas y cómo funciona?

Comprender la configuración básica y el principio de funcionamiento de los rodamientos axiales de bolas es esencial para una aplicación adecuada. El término "simple" en este contexto normalmente se refiere a rodamientos sin características de montaje integrales o disposiciones de alojamiento complejas.

Construcción Básica

Un rodamiento axial de bolas consta de tres componentes principales: dos arandelas (pistas) y un conjunto de bolas y jaula. La arandela del eje tiene un orificio que encaja en el eje giratorio, mientras que la arandela de la carcasa tiene un diámetro exterior que encaja en una carcasa estacionaria. El conjunto de bolas y jaula se encuentra entre estas arandelas, con las bolas rodando en ranuras talladas en las caras de las arandelas.

El ángulo de contacto, normalmente de 90 grados con respecto al eje del rodamiento, significa que estos rodamientos están diseñados para soportar cargas axiales puras. Tienen una capacidad muy limitada para cargas radiales y generalmente no son adecuados para aplicaciones con componentes de fuerza radial importantes.

Las bolas están espaciadas y guiadas por una jaula, que mantiene un espaciado uniforme, evita el contacto entre bolas y guía las bolas a través de la zona de carga. El diseño de la jaula es particularmente importante en aplicaciones de alta velocidad, donde las fuerzas centrífugas sobre las bolas se vuelven significativas.

Principio de funcionamiento

Cuando el eje gira, la arandela del eje gira con él. Las bolas ruedan entre la arandela del eje y la arandela estacionaria de la carcasa, transmitiendo la carga axial de un componente al otro y minimizando la resistencia a la fricción.

A diferencia de los rodamientos radiales, donde la distribución de la carga alrededor de la circunferencia es relativamente uniforme, los rodamientos axiales concentran la carga en las bolas directamente en línea con la fuerza aplicada. Esta concentración de carga afecta los requisitos de lubricación y la generación de calor.

A altas velocidades, las fuerzas centrífugas hacen que las bolas se presionen contra el diámetro exterior de la ranura de la arandela de la carcasa, lo que puede aumentar la fricción y la generación de calor. Este fenómeno influye tanto en las elecciones de diseño como en las limitaciones de velocidad.

tipos de Rodamientos de bolas de empuje

Cojinetes axiales unidireccionales: Acomodan la carga axial en una sola dirección. Consisten en una arandela de eje, una arandela de carcasa y un conjunto de jaula y bolas. Estos requieren un segundo rodamiento para empuje opuesto o deben usarse donde las cargas están consistentemente en una dirección.

Cojinetes axiales de doble dirección: acomodan cargas axiales en ambas direcciones. Utilizan dos arandelas de carcasa con una arandela de eje central y dos conjuntos de bolas y jaula. Estos son más complejos pero pueden manejar cargas de empuje inversas sin componentes adicionales.

Alineación de cojinetes de empuje: incluya una superficie de asiento esférica en la arandela de la carcasa para acomodar la desalineación inicial entre el eje y la carcasa. Esta característica compensa los errores de montaje o la deflexión del eje.

¿Qué materiales se utilizan en los rodamientos axiales de bolas de alta velocidad?

La selección de materiales para rodamientos axiales de bolas que funcionan a altas velocidades implica equilibrar la resistencia, la resistencia a la fatiga, las características de desgaste y las propiedades térmicas. Los diferentes componentes cumplen diferentes funciones y, por lo tanto, utilizan diferentes materiales.

Materiales de la lavadora

El acero para rodamientos SAE 52100 es el material común para las arandelas de rodamientos de empuje en aplicaciones generales. Este acero de endurecimiento total, que contiene aproximadamente un 1,0 por ciento de carbono y un 1,5 por ciento de cromo, alcanza una dureza de 58-65 HRC después del tratamiento térmico. Ofrece resistencia a la fatiga y características de desgaste para temperaturas de funcionamiento de hasta aproximadamente 150 °C.

Se pueden utilizar aceros cementados como SAE 4320 u 8620 para rodamientos de empuje más grandes o aquellos sujetos a cargas de impacto. La carcasa cementada proporciona una superficie dura y resistente al desgaste, mientras que el núcleo resistente absorbe los impactos sin fracturarse. Esta combinación es valiosa en aplicaciones como transmisiones de automóviles donde se producen cambios repentinos de carga.

Los aceros de alta temperatura, como el acero para herramientas M50, se especifican cuando las temperaturas de funcionamiento superan la capacidad de 52100. M50 mantiene una dureza de hasta aproximadamente 315 °C, lo que lo hace adecuado para motores de aviones y aplicaciones automotrices de alto rendimiento donde la generación de calor es significativa.

Los aceros inoxidables como el 440C brindan resistencia a la corrosión para aplicaciones que involucran humedad o ambientes corrosivos. Si bien su vida útil es ligeramente inferior a la del 52100 en condiciones ideales, los aceros inoxidables superan a los aceros para rodamientos estándar cuando, de lo contrario, la corrosión iniciaría una falla prematura.

Materiales de bolas

Las bolas de acero cromado (SAE 52100) son estándar para aplicaciones y brindan un buen rendimiento a un costo moderado. Se fabrican según estrictos estándares de redondez, acabado superficial y consistencia de tamaño.

Las bolas de acero inoxidable (440C) se utilizan donde se requiere resistencia a la corrosión, como en equipos de procesamiento de alimentos o aplicaciones al aire libre.

Las bolas cerámicas de nitruro de silicio (Si3N4) se utilizan cada vez más en rodamientos axiales de alta velocidad. Las ventajas de las bolas de cerámica incluyen:

Menor densidad (aproximadamente un 40 por ciento más ligero que el acero), lo que reduce las fuerzas centrífugas en la pista exterior a altas velocidades.

Mayor dureza, proporcionando resistencia al desgaste.

Menor coeficiente de fricción, reduciendo la generación de calor.

Resistencia inherente a la corrosión, eliminando los problemas de oxidación.

Mayor módulo de elasticidad, aumentando la rigidez.

La principal desventaja es el mayor costo, lo que limita las bolas cerámicas a aplicaciones donde sus ventajas específicas justifican el gasto.

Materiales de la jaula

Las jaulas de acero formadas a partir de estampados de acero con bajo contenido de carbono son comunes en aplicaciones de gran volumen. Son fuertes y duraderos, pero pueden ser más ruidosos que las alternativas de polímeros. Las jaulas de acero mecanizadas brindan precisión para aplicaciones de alta velocidad.

Las jaulas de latón (mecanizadas o estampadas) ofrecen buena resistencia, lubricidad natural y funcionamiento silencioso. A menudo se utilizan en aplicaciones de mayor rendimiento donde las consideraciones de ruido y fricción son importantes.

Las jaulas de polímero hechas de poliamida (nylon) rellena de vidrio o PEEK son cada vez más comunes. Estos materiales ofrecen baja fricción, amortiguación de ruido y peso ligero. PEEK se utiliza donde se requieren temperaturas más altas o resistencia química.

¿Cómo se lubrican los rodamientos axiales de bolas de alta velocidad?

La lubricación es fundamental para los rodamientos axiales de bolas, particularmente a altas velocidades donde la generación de calor y la formación de una película lubricante se vuelven desafiantes. La elección del método de lubricación y del tipo de lubricante afecta significativamente la vida útil y el rendimiento del rodamiento.

Mecanismos de lubricación

La función principal de la lubricación en los cojinetes de empuje es separar los elementos rodantes de las pistas de rodadura con una fina película de lubricante, evitando el contacto de metal con metal. El espesor de la película de lubricación elastohidrodinámica (EHL) depende de la velocidad, la carga, la viscosidad del lubricante y la temperatura.

A altas velocidades, las fuerzas centrífugas pueden desviar el lubricante de las superficies de contacto, lo que dificulta el mantenimiento de una lubricación adecuada. Se debe suministrar lubricante al rodamiento de manera constante y en cantidad suficiente para mantener la película separadora.

La generación de calor aumenta con la velocidad y el lubricante también debe servir como refrigerante, alejando el calor de los contactos del rodamiento.

Lubricación con grasa

La grasa es el método de lubricación común para muchas aplicaciones de rodamientos de empuje porque es simple, no requiere un sistema de suministro externo y ayuda a sellar el rodamiento contra contaminantes.

Para aplicaciones de alta velocidad, las grasas especiales están formuladas con:

Aceites base de viscosidad adecuada para mantener el espesor de la película a temperaturas de funcionamiento. Los aceites sintéticos (polialfaolefinas, ésteres o siliconas) se utilizan a menudo por su rango de temperatura más amplio y su mejor estabilidad.

Espesantes como complejo de litio, poliurea o sulfonato de calcio que proporcionan la estructura de la grasa sin interferir con la lubricación.

Aditivos que incluyen compuestos antidesgaste, inhibidores de oxidación y preventores de corrosión.

La cantidad de llenado de grasa debe controlarse cuidadosamente. Demasiada poca grasa provoca fallos de lubricación; demasiada grasa provoca agitación, lo que aumenta la temperatura y el consumo de energía. Los rodamientos de alta velocidad suelen utilizar entre el 20 y el 35 por ciento del espacio libre, menos que otras aplicaciones.

Lubricación con aceite

Para velocidades muy altas o condiciones de operación severas, a menudo es necesaria la lubricación con aceite. El aceite puede eliminar el calor de manera más efectiva que la grasa y se puede suministrar continuamente para mantener el lubricante fresco en los contactos.

La lubricación por baño de aceite es simple pero tiene limitaciones de velocidad porque las pérdidas por agitación aumentan con la velocidad.

La lubricación por niebla de aceite proporciona una fina pulverización de partículas de aceite en aire comprimido, lo que proporciona una lubricación eficaz con una agitación mínima. Este método es común en husillos de máquinas herramienta de alta velocidad.

La lubricación por chorro de aceite dirige una corriente de aceite directamente al rodamiento, proporcionando tanto lubricación como enfriamiento. Este método se utiliza en aplicaciones exigentes de alta velocidad, como los motores de turbina de gas.

La lubricación aceite-aire proporciona cantidades medidas con precisión de aceite en pulsos de aire, combinando eficiencia con una agitación mínima.

Consideraciones para la selección de lubricantes

La viscosidad a la temperatura de funcionamiento es la propiedad crítica. El lubricante debe ser lo suficientemente viscoso para formar una película adecuada bajo carga, pero no tan viscoso como para que las pérdidas por agitación sean excesivas.

La estabilidad térmica es esencial porque los rodamientos de alta velocidad generan una cantidad significativa de calor. El lubricante debe resistir la oxidación y la descomposición a temperaturas elevadas.

Se debe verificar la compatibilidad con los materiales de los cojinetes, en particular con las jaulas y sellos de polímero.

Para las industrias de procesamiento de alimentos, farmacéutica u otras industrias reguladas, los lubricantes deben cumplir con los estándares de certificación adecuados.

¿Cuáles son las limitaciones de velocidad y cómo se determinan?

Todos los rodamientos tienen índices de velocidad y exceder estos límites provoca fallas rápidas. Comprender las limitaciones de velocidad ayuda a seleccionar y aplicar correctamente los rodamientos.

Definiciones de clasificación de velocidad

Los fabricantes proporcionan clasificaciones de velocidad basadas en pruebas estandarizadas. La velocidad de referencia térmica es la velocidad a la que el rodamiento alcanza el equilibrio térmico en condiciones de funcionamiento definidas. La velocidad límite es la velocidad mecánicamente permitida considerando el diseño de la jaula, la lubricación y otros factores.

Las clasificaciones de velocidad generalmente se expresan en revoluciones por minuto (RPM) y varían según el tamaño, el diseño, el método de lubricación y las condiciones de carga del rodamiento.

Estas clasificaciones suponen condiciones ideales que incluyen montaje, alineación, lubricación y cargas moderadas adecuados. Las aplicaciones del mundo real pueden requerir una reducción de potencia según las condiciones operativas reales.

Factores que afectan la capacidad de velocidad

Tamaño del rodamiento: los rodamientos más grandes tienen velocidades superficiales más altas para una velocidad de rotación determinada, lo que genera más calor y aumenta las fuerzas centrífugas. La capacidad de velocidad generalmente disminuye a medida que aumenta el tamaño del rodamiento.

Diseño de jaula: La jaula debe soportar fuerzas centrífugas y guiar adecuadamente las bolas a altas velocidades. Los rodamientos de alta velocidad suelen utilizar jaulas mecanizadas con una geometría de cavidad precisa en lugar de jaulas estampadas.

Material de la bola: Las bolas de cerámica, al ser más ligeras que el acero, generan fuerzas centrífugas más bajas, lo que permite velocidades de funcionamiento más altas para un tamaño de rodamiento determinado.

Método de lubricación: La lubricación con aceite generalmente permite velocidades más altas que la grasa porque proporciona un mejor enfriamiento y tiene menores pérdidas por agitación.

Magnitud y dirección de la carga: cargas más altas, particularmente cargas combinadas que difieren de la intención de diseño del rodamiento, reducen la velocidad permitida.

Grado de precisión: los rodamientos de mayor precisión (ABEC 7, 9 o P4, P2) con tolerancias más estrictas pueden funcionar a velocidades más altas que los rodamientos de precisión estándar.

Consecuencias de la operación con exceso de velocidad

Operar un rodamiento de empuje por encima de su velocidad nominal provoca varios mecanismos de falla:

La generación excesiva de calor puede degradar el lubricante, provocar fallas en la película y contacto entre metales.

Las fuerzas centrífugas elevadas pueden provocar que las bolas patinen, donde las bolas se deslizan en lugar de rodar, generando calor y desgaste.

Las tensiones en la jaula pueden exceder los límites del material y provocar la fractura de la jaula.

La expansión térmica puede reducir los espacios internos, provocando fricción y calor adicionales en una condición desbocada.

La falta de lubricante puede ocurrir cuando las fuerzas centrífugas arrojan el lubricante lejos de los contactos críticos.

Consideraciones de aplicación

Al seleccionar un rodamiento de empuje para funcionamiento a alta velocidad, el diseñador debe considerar no sólo la capacidad de velocidad inherente del rodamiento sino también la capacidad del sistema para gestionar el calor y mantener la lubricación.

Es posible que se requiera enfriamiento mediante circulación de aceite, flujo de aire o disipadores de calor.

El monitoreo de la temperatura del rodamiento durante el funcionamiento proporciona una indicación de si el rodamiento está funcionando dentro de sus límites térmicos.

Para aplicaciones de velocidad variable, se deben controlar las tasas de aceleración para permitir que el lubricante establezca las películas adecuadas antes de alcanzar la velocidad máxima.