El uso de rodamientos de rodillos cilíndricos de gran tamaño en aplicaciones críticas ha motivado el estudio de su capacidad de carga dinámica axial.

Para determinarla capacidad de carga dinámica axial de los rodamientos de rodillos cilíndricos, se deben considerar diferentes criterios que los utilizados para la capacidad de carga radial. Los criterios relevantes son las limitaciones de la aplicación para evitar el desgaste, el sobrecalentamiento, y las adherencias en el contacto de la pestaña, así como la fractura de la misma.

Como resultado de esta labor se ha revisado la actual fórmula SKF sobre la capacidad de carga dinámica axial y se han incorporado nuevos descubrimientos como, por ejemplo, el enfriamiento mediante un flujo de aceite.

Diseño y aplicación
En muchas aplicaciones, los rodamientos de rodillos cilíndricos se usan en la posición libre (diseños N y NU) permitiendo el desplazamiento axial entre eje y soporte dentro del rodamiento, por ejemplo, a causa de la dilatación del eje. Estos rodamientos sólo pueden soportar cargas radiales. Los rodamientos de rodillos cilíndricos con pestañas en ambos aros, interior y exterior, pueden soportar además cargas axiales; los rodamientos de diseño NJ en un sentido y los de diseño NUP o NJ+HJ en ambos sentidos (. 1).

Una carga axial entre los aros interior y exterior se transmite entre las pestañas y los extremos del rodillo (. 2). Las condiciones cinemáticas del contacto de la pestaña siempre comportan un cierto grado de deslizamiento en la zona de contacto (. 3), incrementando la fricción total en el rodamiento. Para paliar este inconveniente, SKF ha mejorado continuamente los perfiles de las pestañas y los extremos de los rodillos. Hoy en día, las pestañas tienen un diseño ligeramente abierto y los extremos de los rodillos están «dotados» con un tipo de perfil logarítmico. Este diseño asegura que la zona de contacto se mantenga cerca del desahogo de la pestaña (salida de herramienta), de modo que se forme una película de lubricante, incluso en caso de inclinación y vuelco de los rodillos. El resultado es una menor fricción por deslizamiento y tensiones mínimas en el desahogo.

Límites de aplicación
La capacidad de carga radial de los rodamientos de rodillos cilíndricos se basa en la teoría «clásica» de la fatiga sub-superficial. Sin embargo cuando las cargas son axiales, deben tenerse en cuenta los siguientes criterios:

• calor de fricción a causa del deslizamiento en el contacto entre el extremo del rodillo/pestaña
• desgaste en las pestañas y los extremos de los rodillos
• daños causados por adherencias en el contacto entre el extremo del rodillo/pestaña (. 4)
• cinemática alterada si la carga axial es excesiva en comparación con la radial
• fractura de la pestaña debida a sobrecarga estática o dinámica
• necesidad de relubricación más frecuente debido a menor duración de la grasa si se aplica una carga axial constante.

Capacidad de carga dinámica axial
La capacidad de carga dinámica axial es un valor permisible para la carga axial que asegura en el rodamiento una temperatura operativa estable superior en 60°C a la temperatura ambiente. Esto significa que el calor generado por fricción dentro del rodamiento es igual a la evacuación de calor a través del eje y el soporte a esa temperatura. Dicho criterio ha demostrado ser un buen indicador de funcionamiento seguro sin adherencias en el contacto de la pestaña, suponiendo condiciones de lubricación adecuadas (relación de viscosidad  2). La fórmula actual del catálogo de SKF se basa en un factor específico de pérdida de calor, constante para todos los tamaños de rodamientos. Un modelo de fricción que tiene en cuenta los perfiles y acabados superficiales específicos de SKF es:

donde:

F_ap    carga axial permisible [kN]
C₀    capacidad de carga estática [kN]
F_r    carga radial real del rodamiento [kN]
n    velocidad de rotación del aro interior [rpm]
d    diámetro de agujero del rodamiento [mm]
D    diámetro exterior del rodamiento [mm]
B    anchura del rodamiento [mm]
k₁, k₂    factores (=> tabla 1)

Nuevos desarrollos
La fórmula del catálogo de SKF (1) se elaboró durante la década de 1980 y ha demostrado concordar excelentemente con los resultados experimentales y la información recibida de usuarios. Sin embargo, durante los últimos años, siguiendo el rápido desarrollo de nuevas cajas de engranajes industriales de mayor tamaño y alta densidad de potencia, en especial para turbinas eólicas, se hicieron patentes las limitaciones de la actual capacidad de carga dinámica axial de los rodamientos de rodillos cilíndricos.

Ahora, en los rodamientos más grandes, parece ser excesivamente optimista un factor específico de pérdida de calor constante para todos los tamaños de rodamiento. Por consiguiente se han establecido nuevos factores basados en resultados experimentales e ISO 15312:2003 para rodamientos con una superficie conductora de calor de A_r > 50.000 mm²: con A_r =  . B . (D + d) (. 5). Insertados en (1) resultan en:

Para A_r = 50.000 mm²:

para A_r > 50.000 mm²:

Refrigeración adicional
En casos en los que la carga axial real supera el valor teórico derivado de (1) o (2), la carga axial permisible puede incrementarse en cierta medida mediante refrigeración. Para un flujo de aceite constante por el rodamiento, con una diferencia de temperatura entre el flujo de aceite entrante y saliente de  [°C] y un caudal por el rodamiento de _s [l/min], la carga axial permisible F_ap.oil [kN] asciende a:

debido a que parte del calor generado dentro del rodamiento es eliminado por el flujo de aceite.

Comparación
En grandes cajas de engranajes industriales se usan típicamente rodamientos de rodillos cilíndricos de la serie NJ 23.. EC, que se
someten a cargas axiales relativamente altas. La . 6 muestra una comparación de la capacidad de carga dinámica axial respecto al tamaño del rodamiento.

Para diámetros de agujero de hasta 85 mm, la fórmula actual del catálogo sigue siendo válida, pero con la diferencia de que la carga axial permisible ahora puede aumentarse aún más mediante la refrigeración con aceite.

Por ejemplo: un rodamiento NJ 2313 ECP puede soportar una carga axial de F_ap.oil = 15 kN, en lugar de F_ap = 9 kN, cuando se enfría con un flujo de aceite de _s = 0,4 l/min a través del rodamiento, y la temperatura del aceite entrante es de  = 20°C por debajo de la temperatura operativa del rodamiento para las condiciones de referencia seleccionadas con F_r = 29 kN y n = 1.600 rpm.

Para los rodamientos de la serie NJ23.. EC con un diámetro de agujero superior a 85 mm, puede verse que la fórmula «anterior» presenta valores bastante altos, por ej. F_ap = 274 kN en un rodamiento NJ 2360 ECMA a F_r = 400 kN y n = 285 rpm que según (2) y (3) sólo podría obtenerse con un flujo de aceite de _s = 11 l/min y  = 20°C.

Cargas axiales alternantes
Asimismo, durante «periodos de tiempo cortos» puede permitirse un valor que duplique el valor F_ap de (1)/(2) si comporta un incremento temporal de la temperatura del rodamiento no superior a 5°C. La carga y velocidad durante este «periodo corto» abarca solamente algunos segundos o puede durar unos pocos minutos dependiendo del tamaño de rodamiento. Como regla empírica, este «periodo corto» puede considerarse como el tiempo durante el cual el rodamiento sometido a una carga axial gira 1.000 revoluciones.

Otros criterios
En aplicaciones de funcionamiento lento sobre todo, no es la energía de fricción ni las adherencias en el contacto de la pestaña lo que limita la capacidad de carga axial de un rodamiento de rodillos cilíndricos, sino la resistencia de la pestaña. En el Catálogo General SKF pueden encontrarse fórmulas sencillas. No obstante, en casos críticos se recomiendan unos cálculos más precisos, por ej. empleando avanzados programas FEA (. 7). Para ello SKF ofrece asesoramiento a través de su departamento de Ingeniería de Aplicaciones.

Resumen y perspectivas
Usando la fórmula adaptada para calcular la capacidad de carga dinámica axial de los rodamientos de rodillos cilíndricos, ahora también es posible obtener una estimación lo suficientemente exacta de la carga axial permisible en rodamientos grandes con una superficie conductora del calor de A_r > 50.000 mm². Se tienen en cuenta las condiciones operativas como la carga radial, velocidad y lubricación, así como la geometría interna de los rodamientos SKF y modelos de fricción. Además, puede considerarse la refrigeración con aceite para calcular el flujo de aceite requerido para una carga axial determinada, o el incremento permisible de la carga axial para un flujo de aceite específico. Debido a que los ingenieros de SKF trabajan continuamente para mejorar los perfiles y materiales, reducir la fricción, etc., esas nuevas fórmulas se revisan continuamente, esperándose que en el futuro conduzcan a valores incluso más altos, que mejorarán el rendimiento.