Cojinete mecánico

En mecánica , un cojinete es un dispositivo destinado a guiar un conjunto en rotación, es decir, permitir que una pieza gire con respecto a otra a lo largo de un eje de rotación definido. Por tanto, el rodamiento es un rodamiento . En comparación con los cojinetes lisos , el cojinete permite tener una resistencia muy baja al giro mientras soporta fuerzas significativas. Lo podemos encontrar en cafeteras, monopatines, patinetes, coches ...

El primer rodamiento conocidos fecha I er  siglo . Se utilizó para el funcionamiento de la rotonda del cenatio .

Principios de diseño de una conexión de pivote con cojinetes

El mecanismo considerado comprende dos subconjuntos que deben girar entre sí; por tanto, estamos en presencia de un enlace pivote . La conexión se realiza entre dos partes cilíndricas:

Los cojinetes se interponen entre el eje y el cubo.

Las fuerzas del mecanismo tienden a mover el eje con relación al cubo. Nos distinguimos :

Los rodamientos están hechos para resistir fuerzas radiales, con la excepción de los rodamientos axiales de bolas. Para que los rodamientos no se deslicen bajo el efecto de fuerzas axiales, deben estar bloqueados por obstáculos como hombros o espaciadores.

Los diferentes tipos de cojinetes se distinguen por su capacidad para:

así como por su eficiencia, su compacidad y por supuesto el costo total de implementación (costo de rodamientos, costo de mecanizado de piezas, costo de montaje, facilidad de reemplazo).

Rodamiento de bolas

Presentación concreta

Un rodamiento de bolas tiene la forma de dos anillos coaxiales entre los cuales se colocan bolas, ligeramente lubricadas y separadas por una jaula.

Los materiales utilizados dependen de la aplicación para la que esté diseñado el rodamiento, pero generalmente debe ser muy resistente a la compresión. Es por eso que a menudo elegimos acero o cerámica (Si 3 N 4, SiCo ZrO 2).

Contrariamente a la creencia popular, el objetivo principal de la lubricación no es reducir la fricción entre las bolas y los anillos; el lubricante se utiliza aquí, sobre todo, para evitar el agarrotamiento de los distintos componentes. Además, un exceso de lubricante dificulta el movimiento y provoca un calentamiento que es muy perjudicial para la vida útil del componente.

Como el rodamiento no está sellado en principio , se debe tener cuidado de protegerlo del polvo y otros cuerpos extraños que podrían alojarse en el mismo, acelerando su desgaste y reduciendo su eficiencia. Sin embargo, los rodamientos a menudo están equipados con bridas para evitar tener que sellar. Para un rodamiento de tipo convencional, el sellado se logra mediante sellos de labios.

Existe un estándar ABEC popular para medir la calidad de los rodamientos, que está siendo reemplazado gradualmente por un estándar ISO .

La conexión mecánica equivalente entre los dos aros de un rodamiento depende del tipo de elementos rodantes y de la disposición de los contactos de estos elementos con los aros. La conexión local obtenida entre el eje y su alojamiento también depende de la forma en que el rodamiento se fija al eje y al orificio . Para lograr una conexión de pivote , a menudo es necesario utilizar dos cojinetes, siendo una de las soluciones isostáticas la combinación de una rótula y un lineal anular .

Elementos rodantes

Por abuso de lenguaje usamos la misma designación, "rodamiento de bolas" para nombrar todo tipo de rodamientos. Sin embargo, deben distinguirse por la forma de los elementos rodantes:

Montaje de un rodamiento de bolas

El ensamblaje de los elementos de un rodamiento de bolas no parece obvio a la vista del objeto. Es una operación delicada (no debes dañar las piezas) pero no difícil. Además, un rodamiento es un componente que no se puede reparar. Los elementos están emparejados (seleccionados para que encajen lo mejor posible). Por tanto, la siguiente tabla describe la operación de montaje durante la fabricación de este componente, que de ningún modo corresponde a una ayuda para la implementación de este componente.

Para los rodamientos de rodillos cónicos y los rodamientos axiales, es posible separar los anillos y la jaula. Por lo tanto, este problema de montaje no surge.

Pasos Dibujo Descripción
1 re Paso de rodamiento de bolas 1.jpg Las bolas están dispuestas contiguas en la pista de rodadura del anillo exterior. Su espaciamiento final estará garantizado por la jaula (media jaula en el fondo)
2 nd Paso de rodamiento de bolas 2.jpg A continuación, se puede acoplar el anillo interior. El número de elementos rodantes está parcialmente limitado por esta restricción de montaje. Demasiados el anillo no puede entrar, por lo que el montaje no es posible, incluso si en la posición final teórica las piezas parecen tener suficiente espacio.
3 rd Paso de rodamiento de bolas 3.jpg El anillo interior se centra naturalmente presionando las bolas mientras se engancha radialmente en el arco que forman. Por lo tanto, no debe exceder los 180 ° (una vez más limitación del número de bolas).
4 º Paso de rodamiento de bolas 4.jpg Las bolas finalmente se separan para tomar la distribución circular final correspondiente a la jaula rodante.
5 º Paso de rodamiento de bolas 5.jpg Las dos partes de la jaula se unen a cada lado y luego se ensamblan remachando, pegando o soldando según los tamaños, calidades o fabricantes.

Familias de rodamientos

Los rodamientos se distinguen por la forma y disposición de los elementos rodantes. Cada modelo tiene su propio rendimiento específico y por lo tanto un uso específico.

Por ejemplo, los rodamientos de rodillos soportan cargas más altas en comparación con los rodamientos de bolas (de tamaño equivalente) porque el contacto de los elementos rodantes con los anillos es lineal. Sin embargo, aceptan frecuencias de rotación más bajas. Las jaulas de agujas son menos voluminosas pero requieren una preparación de arena (enfriamiento).

Rodamiento de bolas de contacto radial (o contactos rectos)

Los rodamientos de bolas de contacto radial, también llamados rodamientos rígidos de bolas, son los rodamientos más comunes: son más baratos y más compactos. Pueden admitir una rótula entre 2 y 16 ' , pero solo toleran cargas axiales moderadas.

Para ambientes agresivos (humedad, polvo), se utilizan rodamientos sellados: están sellados por bridas de polímero o chapa. Luego se engrasan de por vida.

Rodamiento de bolas tipo RBTC (componente de pista de rodamiento reforzado)

Los rodamientos de bolas tipo RBTC son rodamientos de bolas utilizados en el campo del ciclismo.

De hecho, son rodamientos de contacto radial que pueden ser: de bolas, de rodillos o de agujas. Estos cojinetes, a diferencia de los cojinetes anulares, no tienen un sello o sello protector. Sin embargo, siguen siendo muy populares en el mundo del ciclismo en pista por su facilidad de mantenimiento.

Rodamiento de bolas autoalineable

Es un rodamiento de bolas de dos hileras, cuya pista exterior es esférica. Este rodamiento acepta un giro significativo, de 2 a 4 ° .

Cojinete de bolas de contacto angular

Para este tipo de rodamiento, el contacto entre la bola y las pistas se produce a lo largo de un eje inclinado con respecto al plano normal al eje de rotación del eje. Por tanto, el eje de rotación de las bolas está inclinado con respecto al eje de rotación del eje. Este contacto oblicuo permite sufrir fuerzas axiales importantes, pero en una sola dirección; por lo tanto, se montan en pares, en oposición (en O o X, ver más abajo Rodamiento de rodillos cónicos ). Por otro lado, solo aceptan un ligero giro, del orden de 1 a 2 ' , lo que implica un gran cuidado en cuanto a mecanizado o ajuste (alineación).

Los ángulos de contacto típicos son 15 ° , 25 ° y 40 ° .

Los rodamientos de bolas de contacto angular de dos hileras, que aceptan grandes cargas axiales en ambas direcciones, se pueden utilizar solos, por ejemplo, para un eje corto. No aceptan ningún giro.

Rodamiento de rodillos cónicos

Soportan importantes fuerzas axiales y radiales. Debido a la disposición de los contactos rodantes, los anillos pueden desprenderse por traslación axial. Por tanto, no plantean los mismos problemas de montaje que los rodamientos de bolas.

Constituyen una rótula equivalente (unilateral) entre los anillos. Altamente rígido, este tipo de componente es ideal para guías de alta precisión que deben soportar cargas pesadas (pivote de rueda de vehículo, husillos de máquina).

Para guiar un eje, como los rodamientos de bolas de contacto angular, generalmente se asocian en pares en oposición. Dependiendo de la disposición de los componentes, obtenemos un conjunto denominado O o X :

Cada cojinete constituye una rótula, la asociación de los dos da un pivote , cuya rigidez es tanto mayor cuanto más distantes los centros de empuje. Como este montaje en oposición no permite la constitución de una conexión isostática, existe la necesidad de un ajuste durante el montaje, para su correcto funcionamiento. Por tanto, su implementación es más cara.

Por razones tecnológicas (ajuste de los anillos y su asentamiento y ajuste del juego), el montaje en X se suele utilizar en el caso de un eje giratorio con respecto a la carga radial que sufre la conexión. El montaje en O se utiliza en el caso de una carcasa giratoria.

Rodamiento de rodillos cilíndricos

Soportan una ligera desalineación. Hay dos tipos de rodamientos de rodillos:

Rodamiento de rodillos esféricos

Debido a la forma y disposición de los rodillos, estos rodamientos aceptan un gran pandeo relativo de los dos anillos (varios grados). Por lo tanto, son ideales para guiar ejes muy largos, para los que es imposible alinear los tramos cuando se fabrican, como para guiar el eje de la hélice de un barco.

Cojinete de agujas

Parece un rodamiento de rodillos, pero sus elementos rodantes tienen un diámetro mucho menor (en comparación con su longitud). Por tanto, tiene la ventaja de ser menos voluminoso, lo que resulta ventajoso cuando el espacio radial es pequeño: es la solución adoptada para conectar los travesaños de una junta cardánica con los dos cubos.

Hay rodamientos completos con ambos anillos, pero también modelos con solo el anillo exterior, o solo la jaula que sostiene los elementos rodantes. En este caso, las duelas deben tener suficiente dureza. Por tanto, el rodamiento no es el único componente de desgaste.

El tipo de jaula es más resistente, especialmente a altas velocidades. Se utiliza por ejemplo en bulones de pistón de motores de dos tiempos , la baja lubricación no permite el uso de cojinetes .

Se detiene

Este tipo de cojinete solo soporta fuerzas axiales. Se utilizan además de otros rodamientos que soportan las cargas radiales de la conexión.

Se distingue entre topes de efecto simple que solo soportan fuerzas en una dirección, y topes de doble efecto que soportan cargas en ambos sentidos.

Al igual que con los rodamientos convencionales, los elementos rodantes pueden ser bolas, rodillos o agujas. Los rodamientos axiales de bolas solo admiten velocidades de rotación bajas. Los rodamientos axiales de agujas o rodillos soportan cargas más pesadas que los rodamientos de bolas.

El plato cíclico de un helicóptero se basa en este tipo de componente en el control de la elevación de las palas.

Implementación

El uso de rodamientos en la realización de una conexión pivotante , requiere el respeto de reglas que garanticen un buen comportamiento del conjunto. Las opciones están totalmente dictadas por las condiciones de funcionamiento del mecanismo: tamaño, fuerzas transmitidas, frecuencias de rotación, vida útil.

Representación y esquematización

Siendo de uso bastante común, y sus formas requiriendo un trabajo importante si se quiere respetar las convenciones del dibujo técnico , la representación de los cojinetes adopta, en cuanto al tornillo , convenciones particulares sobre los esquemas y sobre los planos. Además, esta representación esquemática facilita la lectura del plano (identificación rápida de la pieza) y el montaje de rodamientos asimétricos.

Los contornos de los anillos se dibujan como si el rodamiento fuera de una sola pieza, y un símbolo identifica el tipo de elemento rodante, la disposición de los contactos de guía y las opciones (sellado). En general, las propiedades del componente se recuerdan en la nomenclatura.

Desde el punto de vista de las conexiones cinemáticas  :

Los cojinetes de agujas permiten muy poco giro (del orden de dos minutos de ángulo) y nada impide que los anillos se muevan radialmente entre sí. por lo que se modelan, en lo que respecta al estudio de la isostaticidad, mediante conexiones lineales anulares.

Montaje de rodamientos

Bajo la acción de la carga radial, los aros de un rodamiento giratorio tienden a girar sobre su asiento o en su alojamiento, lo que provoca un desgaste prematuro del asiento. Por tanto, es necesario unir los anillos a los elementos del conjunto (eje, carcasa) para que se conviertan en parte integrante del mismo.

Regla 1 El anillo que gira en relación con la dirección de la carga radial debe estar bien ajustado . El anillo fijado en relación a la dirección de la carga debe estar libre.

Entonces, en el marco del marco de la máquina:

Regla 2 Los rodamientos normalmente se montan en pares.

Tener dos rodamientos permite soportar pares radiales (pares que tienden a doblar el eje). Además, la mayoría de los cojinetes permiten una holgura denominada "pivote" (excepto los cojinetes de agujas); Por tanto, para poder guiar en traslación, es decir, imponer efectivamente la dirección del eje de conexión, se requiere un mínimo de dos cojinetes.

Para montajes cortos, opcionalmente es posible utilizar un solo rodamiento de agujas, siempre que la carga radial esté centrada en el rodamiento, o un rodamiento de contacto angular con doble hilera de bolas.

Para conjuntos muy largos que soportan grandes cargas radiales, se pueden instalar más de dos cojinetes.

Regla 3 Si el sistema no está sometido a una carga axial (o una carga axial débil), entonces uno de los cojinetes está totalmente inmovilizado en traslación por obstáculo (hombros o espaciadores); el anillo montado deslizante del otro rodamiento no tiene ningún obstáculo en la traslación, pero el anillo montado firmemente está inmovilizado por un obstáculo.

Esto hace posible tener un conjunto isostático. En particular, esto permite una cierta flexibilidad en el montaje (las tolerancias de mecanizado no necesitan ser demasiado ajustadas), y permite tolerar la expansión (el sistema se calienta durante el funcionamiento). El conjunto completamente inmovilizado está modelado por una rótula, el rodamiento cuyo anillo se desliza en traslación está modelado por una conexión lineal anular.

Regla 4 Si el sistema está sometido a cargas axiales significativas, normalmente se utilizan cojinetes montados en oposición; se trata entonces de rodamientos de bolas de contacto angular o de rodamientos de rodillos cónicos (los dos rodamientos se modelan luego mediante una rótula). Si la carga es muy grande y en una dirección, también es posible combinar un rodamiento de bolas y una bola de empuje.

Tolerancias de ajuste

Conjunto de eje giratorio

La carga gira en relación con el anillo interior.

La carga se fija en relación con el anillo exterior.

Ejemplo: cojinete de rueda motriz en un automóvil (la carga es vertical al suelo y el anillo interior es impulsado por el cardán)

En este caso, el anillo interior debe ajustarse firmemente (o pegarse) al eje.

El ajuste puede ser del tipo k6 en el eje (consulte las recomendaciones del fabricante, la tolerancia del eje depende del tipo de rodamiento y del caso de carga).

El anillo exterior está montado de forma deslizante en la carcasa.

El ajuste puede ser del tipo H7 en la carcasa (Ver recomendaciones del fabricante).

Conjunto de cubo giratorio

La carga gira en relación con el anillo exterior.

La carga se fija en relación con el anillo interior.

Ejemplo: lavadora rodante cuando la ropa no está bien distribuida en el tambor. (el anillo interior gira con el tambor)

En este caso, el anillo interior debe montarse de forma deslizante, el ajuste puede ser del tipo g6 en el eje. (Consulte las recomendaciones del fabricante)

El anillo exterior está montado firmemente (o pegado).

El ajuste puede ser del tipo N7 (consulte las recomendaciones del fabricante).

Esperanza de vida

La variación de las tensiones en contacto con los elementos rodantes de los anillos provoca un desgaste por fatiga . La teoría de Hertz permite una estimación bastante precisa de este efecto. La vida útil de un rodamiento es el número de revoluciones que puede realizar antes de que aparezcan los primeros signos de astillado, es decir, el deterioro del estado de la superficie de las pistas de rodadura o de los propios elementos rodantes. Este astillado puede provocar un agarrotamiento neto de la conexión, o incluso la destrucción del rodamiento y, por tanto, de las piezas que guía.

Determinamos el número de rodamientos (en%) que se puede esperar que alcancen una vida útil específica. Este porcentaje es la fiabilidad, también podemos acercarnos a él con la probabilidad de que un rodamiento alcance esta vida útil. Estas medidas las establecen los propios fabricantes o los organismos de normalización. A partir de estos registros estadísticos, se puede evaluar la confiabilidad de un modelo de rotación.

Esta confiabilidad R viene dada por una ley de Weibull  :

donde L es la vida útil instalada, R la proporción de rodamientos que pueden alcanzar L y L 10 la vida nominal expresada en millones de revoluciones.

Esta ley implica que el 90% de los rodamientos alcanzan al menos L 10 .

Para una confiabilidad superior al 96%, esta ley ya no es válida porque, en el extremo, una confiabilidad del 100% daría una vida útil cero (es aproximadamente 0.025⋅L 10 ) y luego usamos esta ley:

donde α ≃ 0.025 <.

Para calcular L 10 usamos

L 10 = (C / P) 3 para un rodamiento de bolas

o

L 10 = (C / P) 10/3 para un rodamiento de rodillos

donde C es la carga dinámica básica (dada por el fabricante) y P la carga radial equivalente soportada.

Para calcular P para un rodamiento de bolas , debemos obtener las cargas radial y axial, respectivamente F r y F a . También necesitamos los datos del fabricante e , X e Y:

si F a ≤ e × F r entonces P = F r  ; si F a ≥ e × F r entonces P = X × F r + Y × F a .

La degradación por fatiga es el modo "normal" de desmantelamiento; solo se refiere a los cojinetes instalados de acuerdo con las normas de montaje, lubricación y medioambientales recomendadas. Cuando un rodamiento está mal adaptado, su desgaste puede ser mucho más rápido: fallas de lubricación, holguras mal ajustadas, un entorno agresivo, funcionamiento con choques son factores agravantes.
La vida útil real puede ser mucho menor que la calculada en casos particulares de uso, como
: un montaje muy rápido (aceleración muy importante) si la jaula de bolas es del tipo estampada remachada, porque la jaula puede separarse en varias piezas, y las piezas destruirán los elementos rodantes: una jaula monobloque mecanizada puede solucionar el problema a pesar de un menor número de bolas;
- el paso de una corriente eléctrica significativa entre los anillos interior y exterior, por ejemplo en el caso de soldadura eléctrica si la pinza de tierra para soldar no está colocada en el lugar correcto;
- corrosión de los anillos por condensación después del transporte en avión, debido a la muy baja temperatura en la bodega;
- la anisotropía del material utilizado para los anillos: si, por ejemplo, por razones de coste, se mecanizan a partir de chapa plana en lugar de barra cilíndrica, las diferentes características según la dirección pueden ser causa de averías prematuras en servicio;
...

Algunos fabricantes

SKF (líder mundial), Schaeffler (marcas INA y FAG, n o  2 en todo el mundo), Timken Company , NSK Ltd , NTN (que compró SNR ) y JTEKT juntos representan el 60% del mercado mundial de rodamientos en 2016. Otros fabricantes: Minebea (rodamientos en miniatura), KRX Engineering (rodamientos ROULTEX), WIB (rodamientos de bolas de precisión), Jesa (made-to- medir rodamientos de bolas + inyección de plástico).

Bibliografía

Notas y referencias

  1. "  Comedor giratorio de Néron  " , en Info-Histoire.com ,26 de junio de 2015(consultado el 22 de septiembre de 2020 ) .
  2. http://www.lyc-vernant-sevres.ac-versailles.fr/wp-content/uploads/sites/382/2020/07/La-salle-a%CC%80-manger-tournante-de-la -Domus-Aurea-Copy-copy.pdf
  3. Véase la Wikibook dedicada a la tribología , que se ocupa en particular con los modos de daños en los cojinetes .
  4. http://forums.futura-sciences.com/technologies/224292-montage-roulements-xo.html
  5. Teixido 2000 , p.  129-134
  6. Teixido 2000 , p.  71
  7. Fuente: Bases técnicas Rodamientos Diseño de rodamientos, INA FAG, http://medias.schaeffler.de/medias/fr!hp.tg.cat/tg_hr*ST4_1652155275;bxkmWfuvXPN9#ST4_1652157963
  8. "  Bearings  " en SKF (consultado el 9 de octubre de 2017 ).

Ver también

Artículos relacionados

enlaces externos

Videografia

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