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Rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto

Imagínese que necesita un rodamiento que pueda soportar cargas axiales en ambas direcciones y que ofrezca una tolerancia muy ajustada en la posición axial del eje. Gracias a su excepcional diseño, los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto de la serie QJ ofrecen esa posibilidad, incluso en una configuración con un espacio axial que ahorra mucho espacio.

Autor: Thomas Forster, Jefe de la oficina de desarrollo Steyr, SKF Österreich

Rodamiento de bolas con contacto angular Otra industria Otros servicios

Resumen

Los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto (rodamientos QJ) son un tipo específico de rodamientos de bolas de contacto angular. En muchas aplicaciones, constituyen una alternativa interesante a un juego emparejado de rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular. Los rodamientos QJ se distinguen por su diseño, que ahorra espacio, por su gama de velocidades y su capacidad de carga. Por ello, se usan mucho en aplicaciones como compresores, bombas y retardadores.

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Un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto (fig. 1) puede soportar cargas axiales en ambas direcciones en combinación con un cierto nivel de cargas radiales y proporciona una tolerancia muy ajustada en la posición axial del eje. Además, ahorra espacio y, por tanto, es una opción excelente en aplicaciones como cajas de engranajes industriales, mecanismos de locomotoras y compresores.

Características técnicas y específicas del diseño
Los rodamientos de bolas estándares de SKF con cuatro puntos de contacto –también denominados rodamientos QJ– constan de un aro exterior enterizo, un aro interior dividido radialmente, un juego de bolas y una jaula guiada por un aro exterior. El diseño de los aros presenta algunos detalles notables (fig. 2). El aro exterior tiene un diseño similar al de los rodamientos rígidos de bolas, pero la geometría de la sección transversal del camino de rodadura es bastante diferente. En un rodamiento rígido de bolas, el camino de rodadura es circular.

El aro exterior de un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto consta de dos caminos de rodadura simétricos. Cada uno tiene una forma circular. La intersección de los dos caminos de rodadura es en el centro del aro, en forma de un punto especial. Su forma también se denomina “arco gótico”. Los centros de los dos círculos de los caminos de rodadura tienen un pequeño desplazamiento en dirección axial (fig. 2). El aro interior está dividido en dos mitades y se ha diseñado siguiendo los mismos principios que el aro exterior. Esto ofrece ventajas en comparación con el diseño de un rodamiento rígido de bolas. El diseño de los caminos de rodadura del aro exterior permite definir independientemente el ángulo de contacto (35° como estándar) y el juego axial. En otras palabras, es posible diseñar un juego axial específico sin modificar la osculación (relación entre la curvatura del camino de rodadura y el diámetro de las bolas).

Un rodamiento con un ángulo de contacto de 35° precisa unos rebordes de camino de rodadura altos y, si tuviera un aro interior enterizo, no podría montarse con un número razonable de bolas. El diseño dividido del aro interior del rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto permite incorporar un número máximo de bolas, solo limitado por el espesor de la barra de la jaula. Por lo general, el procedimiento de montaje consta de 3 etapas:

  • la jaula se inserta en el aro exterior,
  • las bolas se presionan dentro de la jaula,
  • las mitades de aro interior se insertan desde cada lado. Los aros interiores no son del tipo de autorretención. Para evitar que las piezas del rodamiento se suelten durante el transporte y la manipulación, en el agujero se introduce una inserción de plástico.

Teóricamente, una bola tiene cuatro puntos de contacto diferentes con los aros (fig. 3). Esto solo ocurre si se aplica carga radial. En la práctica, puede suceder que esta carga no exista. Los casos más relevantes son los que involucran una carga axial pura (fig. 4a). Entonces solo transfieren carga dos puntos de contacto dispuestos diagonalmente. Si la carga axial cambia de dirección, los dos puntos de contacto se desplazan a la posición contraria. Esto explica por qué este tipo de rodamiento puede soportar cargas axiales en ambas direcciones. También hay aplicaciones con cargas combinadas, pero con una carga axial dominante (fig. 4b). Si se deseara obtener la misma funcionalidad con rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular, sería preciso adaptar dos rodamientos idénticos en una disposición espalda con espalda o cara a cara. Ello significa que con un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto puede obtenerse una disposición que ahorra espacio. Dos rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular pueden sustituirse por uno con cuatro puntos de contacto. Una condición importante es que, para funcionar adecuadamente, los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto precisan que haya una carga axial predominante; SKF recomienda una relación Fa/Fr >1,27.

Los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto de SKF van provistos como estándar con una jaula de latón mecanizada del tipo de ventana (designación con el sufijo MA) (fig. 1a) o con una jaula de poliéter-éter-cetona (polyether-etherketone, PEEK) del tipo ventana moldeada por inyección (designación con el sufijo PHAS) (fig. 1b). Ambas jaulas están conducidas por el aro exterior, lo cual proporciona una buena guía, y permite incrementar el límite de velocidad. El diseño tan específico de la jaula simétrica posibilita incorporar un número máximo de bolas grandes.

La fig. 5 muestra un resumen de las principales características de los rodamientos de la serie SKF QJ.

Valores nominales básicos de carga, duración y velocidad
El diseño tan compacto de un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto puede suscitar la cuestión de si la carga nominal de un juego emparejado de dos rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular podría ser comparativamente mayor. La fig. 6 muestra una comparación de los valores nominales de carga de los rodamientos QJ en la serie de diámetros 2 y 3, y los juegos emparejados correspondientes de rodamientos de bolas con contacto angular en las series 72 B y 73 B, respectivamente. Se observa que casi no hay diferencias entre la capacidad de carga de un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto comparada con la del correspondiente juego emparejado de rodamientos de bolas con contacto angular. En síntesis, se desprende que puede ahorrarse el 50% del espacio axial con un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto.

Sin embargo, también tiene que tomarse en consideración la vida útil nominal básica. El factor clave es la carga dinámica equivalente, calculada a partir de las cargas como:
P = 0,60×Fr + 1,07×Fa
para un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto (ángulo de contacto de 35°)
P = 0,57×Fr + 0,93×Fa
para un juego emparejado de rodamientos de bolas con contacto angular (ángulo de contacto de 40°)

Queda claro que la carga dinámica equivalente del rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto será superior, principalmente debido al menor ángulo de contacto, pero la menor vida útil nominal básica resultante queda compensada con creces por el espacio que ahorra este diseño.

La fig. 7 muestra una comparación de las velocidades límite entre los rodamientos de las series QJ 2 y QJ 3 con respecto a las de juegos emparejados de rodamientos de las series 72 B y 73 B. Se observa claramente un valor nominal de la velocidad aproximadamente el 70% superior. Esto puede explicarse por el menor ángulo de contacto (35° en comparación con 40°), por la alta calidad del material de la jaula (latón sólido o PEEK), por una jaula guiada por el reborde del aro exterior y por las cavidades de jaula con lubricación especial.

Diseño de las piezas adyacentes
En muchas aplicaciones, un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto se combina con un rodamiento radial, como un rodamiento de rodillos cilíndricos. Entonces es fundamental que el rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto solo reciba carga axial. Por ello, el aro exterior del rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto no deberá estar sujeto axialmente ni radialmente, sino montado con juego radial (una separación de 1 a 2 mm) en el soporte (fig. 8). En otro caso, el aro exterior no podría compensar los movimientos térmicos, que causarían fuerzas adicionales no deseadas en el rodamiento. Para evitar la rotación del aro exterior, la mayoría de los rodamientos se suministran con dos ranuras de fijación en el aro exterior. Esto permite conectar el aro exterior y el soporte con un pasador (fig. 8). Si no puede evitarse la fijación axial del aro exterior, como mínimo, este debe centrarse cuidadosamente durante el montaje.

Hay que tener presente que las dos mitades del aro interior siempre precisan fijarse axialmente.

Aplicaciones
Si el espacio de diseño es limitado, o si hubiera cargas axiales altas en ambas direcciones, o las velocidades fueran elevadas, vale la pena considerar el uso de rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto. Estas condiciones suelen presentarse en aplicaciones como bombas, retardadores, compresores, cajas de engranajes industriales o de vehículos, motores de tracción o columnas de dirección. He aquí algunos ejemplos de equipo provisto de rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto:

En todos los sectores industriales se usan compresores de tornillo (fig. 9a) en la compresión de diversos gases a presiones relativamente altas. Puede tratarse de aire, gases agresivos, oxígeno, gases refrigerantes y de otro tipo. El proceso de compresión se lleva a cabo mediante la rotación continua de dos tornillos helicoidales. La presión diferencial entre ambos extremos del tornillo genera fuerzas axiales que, frecuentemente, son soportadas por rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto. La reducida separación entre los dos tornillos, y entre los tornillos y el soporte del compresor, exige disposiciones de rodamientos rígidas y juegos axiales pequeños.

Los retardadores de turbo (fig. 9b) convierten en calor la energía cinética excesiva de los camiones. Esta aplicación requiere rodamientos con límites de velocidad elevados y la capacidad de soportar cambios de velocidad rápidos, una aplicación típica de los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto.

Las bombas multifase (fig. 9c) contribuyen a una explotación más efectiva de los campos petrolíferos que empleando métodos convencionales. Las bombas están situadas en el fondo del mar, e incrementan la presión de la mezcla ascendente de gas y petróleo. Por tanto, los requisitos de confiabilidad son muy altos. Por lo general, las cargas axiales las soportan los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto.

Las multiplicadoras de las turbinas eólicas (fig. 9d) transfieren la energía de la rotación muy lenta del eje principal (unas 18 r. p. m.) a la velocidad del generador, que es alrededor de 100 veces superior. En el eje de alta velocidad, los engranajes helicoidales crean grandes cargas axiales que es necesario soportar. Se usa una combinación de rodamientos de rodillos cilíndricos y de bolas con cuatro puntos de contacto.

En ferrocarriles (fig. 9e), hay dos aplicaciones principales. Las cajas de engranajes y los motores de tracción suelen incorporar una combinación de rodamientos de rodillos cilíndricos y de bolas con cuatro puntos de contacto. Los rodamientos del motor de tracción tienen que protegerse de los daños debidos al paso de la corriente. Una solución común es el uso de rodamientos aislados (INSOCOAT). En los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto con ranuras de fijación tienen que revestirse las mitades del aro interior.

INSOCOAT es una marca registrada del Grupo SKF.

Fig. 1: Rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto, diseño QJ.Fig. 2: Desplazamiento de los caminos de rodadura del aro exterior. Fig. 3: Transmisión de carga teórica en un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto.Fig. 4: Posible transmisión de carga en un rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto.Fig. 5: Despiece y principales características.Fig. 6: Comparación de capacidad de carga dinámica: rodamientos de las series QJ 2 y QJ 3 comparados, respectivamente, con juegos emparejados de rodamientos de las series 72 B y 73 B.Fig. 7: Comparación entre los valores nominales de velocidad: rodamientos de las series QJ 2 y QJ 3 comparados, respectivamente, con juegos emparejados de rodamientos de las series 72 B y 73 B.Fig. 8: Diseño de disposición de rodamientos. El rodamiento de bolas con cuatro puntos de contacto (radialmente libre) soporta la carga de empuje; el rodamiento de rodillos cilíndricos soporta la carga radial.Fig. 9a: Compresor de tornillo.Fig. 9b: Retardador de turbo. Fig. 9c: Bomba multifase.Fig. 9d: Multiplicadora de turbina eólica. Fig. 9e: Aplicaciones en ferrocarriles: motores de transmisión y tracción.

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