Ingeniería

Juegos de rodamientos resistentes para cargas leves

Los rodamientos de bolas de contacto angular tienen normalmente un ángulo de contacto de 40°. Ahora SKF ha ampliado su gama de este producto con una nueva serie de 25°. Por primera vez, esto permite producir fácilmente juegos de rodamientos asimétricos, lo que proporciona grandes ventajas en la vida útil de aplicaciones cargadas axialmente, como bombas o motores eléctricos. De este modo, se solucionan los bien conocidos problemas de las cargas mínimas de una forma altamente efectiva.

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Cada rodamiento tiene un ángulo de contacto que transfiere las fuerzas dentro del rodamiento. El ejemplo más simple es un rodamiento rígido de bolas. En este caso, el ángulo de contacto de las cargas radiales puras es 0°. Como comparación, un rodamiento de bolas de contacto angular tiene un ángulo de contacto mayor de 0°.

Cuanto mayor sea este ángulo de contacto, más elevada será la capacidad de carga axial del rodamiento. En casos extremos, hay un ángulo de contacto de 90°: un rodamiento axial puro. Por ello los rodamientos de bolas de contacto angular abarcan desde radiales puros hasta axiales puros. En consecuencia, pueden absorber una combinación de cargas radiales y axiales.

Más opciones con un ángulo de contacto más pequeño y mejor jaula

Recientemente SKF ha introducido una gama más amplia de rodamientos de una hilera de bolas de contacto angular y jaula de latón, cuyo ángulo de contacto es inferior al habitual de 40°. Debajo se presenta una vista general de la nueva gama de rodamientos de bolas de contacto angular de 25° (sufijo AC):

El menor ángulo de contacto reduce ligeramente la capacidad de carga axial, pero esto proporciona otras ventajas. En determinadas condiciones, por ejemplo, es posible alcanzar velocidades hasta un 20% más elevadas que con un ángulo de contacto de 40°. A ello contribuyen las condiciones cinemáticas más favorables del rodamiento, que reducen al mínimo el componente de deslizamiento y, por lo tanto, se genera menos calor. Además, el menor ángulo de contacto asegura mayor rigidez axial, lo que es una ventaja en aplicaciones en las que predomine la carga radial.

SKF también ha optimizado la jaula de latón para las versiones de 25° y 40°. Ahora la mayor resistencia del material y la forma mejorada de la jaula hacen que sea aún más resistente y que además pueda funcionar a velocidades más elevadas.

A pesar de esos avances, la jaula ocupa menos espacio que su predecesora, por lo que se dispone de más volumen para el lubricante, y así se prolongan los intervalos de lubricación. Además, la nueva jaula de latón reduce en un 15% los niveles de vibración y ruidos.

Aplicaciones y disposiciones

Las aplicaciones más comunes de los rodamientos de bolas de contacto angular son bombas, compresores y motores eléctricos. Estas unidades, equipadas con los rodamientos de bolas de contacto angular mejorados de SKF, pueden funcionar con mucha mayor fluidez y alcanzar una vida útil más prolongada.

En dichas aplicaciones, los rodamientos de una hilera de bolas de contacto angular suelen instalarse (como mínimo) en pares. El motivo es porque cuando un rodamiento de bolas de contacto angular está sometido a una carga axial o radial pura, su ángulo de contacto genera inevitablemente una correspondiente fuerza radial o axial. Debido al diseño, las fuerzas axiales solo pueden absorberse por un solo rodamiento en un sentido, el cual puede averiarse si se carga en el sentido opuesto.

Debido a que en la mayoría de las aplicaciones se presentan fuerzas axiales en ambos sentidos, las fuerzas opuestas debe absorberlas un rodamiento que las contrarreste. La forma más simple de rodamientos emparejados es con unidades de dos hileras de bolas de contacto angular en una “disposición en O” fija (siguiendo la forma esbozada por las líneas del ángulo de contacto). Los rodamientos universales de una hilera de bolas de contacto angular también pueden combinarse de diferentes formas, tanto en disposiciones en O como en X.

Rodamientos de bolas de contacto angular emparejados

Cuando los rodamientos de bolas de contacto angular se instalan en pares, se dispone de varias opciones para seleccionar una precarga u holgura de rodamiento determinadas. El método más común es usando los rodamientos llamados “universalmente emparejables” (también denominados “rodamientos universales”). Los rodamientos universales tienen la ventaja de que ya están adaptados entre sí de fábrica, de modo que se obtiene una precarga/holgura determinadas cuando se montan en bloques. El intersticio de bloque inicial entre sus aros interior y exterior se cierra trabando los rodamientos.

Con objeto de obtener la fuerza de precarga/holgura de rodamiento exactas, se precisa una tolerancia muy limitada de solo unos pocos micrómetros para valores residuales y voladizo.

Por consiguiente, los rodamientos universales simplifican considerablemente el montaje. Los demás métodos de montaje convencionales comportan una labor significativamente mayor. Por ejemplo, la precarga del rodamiento también puede ajustarse insertando aros distanciadores especiales en el soporte o el eje. Sin embargo, para ello, hay que hacer una ardua labor de medición de los rodamientos y fabricar aros distanciadores individuales para cada par de rodamientos.

Con el fin de reducir los costos de montaje, los nuevos rodamientos de bolas de contacto angular AC con un ángulo de contacto de 25° ya están disponibles en versiones de pares universales en concordancia con la clase SKF Explorer. A pedido, también pueden obtenerse en diferentes clases de precarga y holgura de rodamiento.

Juegos de rodamientos combinados

Con frecuencia en los juegos de rodamientos de bolas de contacto angular, la fuerza axial domina en un sentido. Este puede ser el caso, por ejemplo, en los ventiladores o las bombas que giran principalmente en un sentido. En dichas aplicaciones, un rodamiento de bolas de contacto angular absorbe la fuerza axial, mientras que el segundo rodamiento del mismo tipo, el llamado “rodamiento de apoyo” no soporta carga.

Sin embargo, los rodamientos precisan siempre de una determinada carga mínima para que funcionen sin fricción, y existe un alto riesgo de que dicha carga mínima sea demasiado baja en el rodamiento sin carga. Esto puede causar una perturbación en el comportamiento rotativo de las bolas (con movimientos deslizantes en el contacto rodante). El resultado es lo que se denomina “adherencia de metal”, que conduce a un incremento de la temperatura y a la falla prematura del rodamiento debido a daños en la superficie y/o rotura de la jaula.

Ventajas de los juegos de rodamientos combinados

Anteriormente, en esas aplicaciones con carga axial dominante en un lado, se han instalado juegos de rodamientos consistentes en dos rodamientos idénticos de una hilera de bolas de 40°. No obstante, no es una disposición óptima, puesto que el gran ángulo de 40° es más susceptible a tener problemas de carga mínima cuando no soporta carga.

La nueva serie con un ángulo de contacto de 25° permite ahora la producción de juegos de rodamientos asimétricos de 40° y 25°. Este par de rodamientos ofrece importantes ventajas. En los juegos de rodamientos asimétricos, la fuerza axial dominante es absorbida mediante el gran ángulo de contacto (B = 40°), mientras que el rodamiento sin carga con un ángulo de contacto más pequeño (AC = 25°) reduce el riesgo de adherencia, debido a que incrementa el umbral de la fuerza de elevación. La fuerza de elevación es la fuerza axial externa en la que un rodamiento de apoyo en un juego de rodamientos precargado queda completamente sin carga y ya no se garantiza la carga mínima precisa.

Concretamente esto significa que, con el ángulo de contacto más pequeño, de 25°, el rodamiento de apoyo tiene menos falta de carga cuando está sometido a la misma carga externa. Esto reduce radicalmente el riesgo de fallas prematuras del rodamiento, lo que incrementa la confiabilidad operativa.

Desviación y distribución de fuerzas en juegos de rodamientos asimétricos precargados

Las ventajas de un juego de rodamientos asimétrico con respecto a la distribución de la carga interna pueden ilustrarse utilizando el ejemplo de un juego de rodamientos precargado compuesto de dos rodamientos de bolas de contacto angular en una disposición en O, que está sometida a una fuerza axial pura F (flecha roja). El rodamiento con un ángulo de contacto de 40° absorbe la fuerza axial, mientras que un rodamiento con un ángulo de contacto de 25° no recibe carga a causa de la fuerza axial.

El sistema de coordenadas representa la desviación en el eje x y la fuerza en el y. La curva de color verde muestra el rodamiento con un ángulo de contacto de 25°, y la azul, el rodamiento con un ángulo de contacto de 40°. La posición 1 marca la relación de cargas sin carga externa. La posición 2 muestra las relaciones de carga con una fuerza axial externa F1 en el nivel de la fuerza de elevación del rodamiento de 40°. La posición 3 refleja las relaciones de carga con una fuerza axial externa F2 en el nivel de la fuerza de elevación del rodamiento de 25°.

Posición 1: Relaciones de carga después del montaje sin carga externa

En la intersección entre las líneas azul y verde (exactamente en el eje y), no se aplica fuerza externa. Ambos rodamientos solo se cargan con la precarga seleccionada. En este ejemplo, una fuerza de precarga Fprecarga = 1 se supone como simplificación.

Posiciones 2 y 3 en general: Relaciones de carga cuando se aplica una fuerza axial externa además de la precarga

Cuando se aplica una fuerza axial externa F además de la precarga, hay que desplazarse desde la intersección en el centro hasta la derecha en este diagrama. La fuerza F carga el rodamiento de 40° (azul) además de la fuerza de precarga seleccionada, por lo que la curva azul asciende. Al mismo tiempo, la fuerza F descarga el rodamiento de 25° (verde), por lo que la curva verde desciende.
Tan pronto como la curva verde toca el eje x, se usa la precarga y el rodamiento queda sin carga. Esto tiene que evitarse a toda costa.
La curva gris discontinua se usa como comparación con un rodamiento de apoyo de 40°. Muestra la desviación en el caso de un juego de rodamientos convencional con ángulos de contacto idénticos (40°+40°).

Posición 2 en detalle: Fuerza F1(40°) y fuerza F1(25°)

Aquí la diferencia entre un juego convencional (40°+40°) y un juego asimétrico (40°+25°) queda especialmente clara. La fuerza externa es exactamente la misma en ambos casos (F1(40°) = F1(25°) = 2,8 x Fprecarga). Sin embargo, la desviación de los juegos de rodamientos es diferente.

La fuerza F1(40°) está representada por una línea discontinua, la fuerza F1(25°), por una línea continua. Con un juego convencional de dos rodamientos de 40°, el punto de la fuerza de elevación ya se alcanzaría en ese punto. Esto puede verse en la curva gris discontinua, que muestra la desviación de un rodamiento de apoyo de 40° que cruza el eje x. Aquí la precarga se usa completamente (intersección de las líneas discontinuas, recuadro amarillo). Este punto es alrededor de 2,8 veces más elevado que la fuerza de precarga.

Con el juego asimétrico, no obstante, todavía hay una determinada precarga residual en el rodamiento cuando se aplica la misma fuerza. En tal caso, la curva verde sigue estando sobre el eje x (intersección de líneas continuas, recuadro amarillo).

Posición 3 en detalle: Fuerza F2

Aquí se muestra la fuerza de elevación del rodamiento de apoyo de 25°. Es evidente que la fuerza F2 es significativamente mayor que la F1. Concretamente, este punto es alrededor de 5,2 veces más elevado que la fuerza de precarga. Esto significa que el juego de rodamientos asimétrico puede absorber una fuerza axial de casi el doble –en comparación con un juego de rodamientos homogéneo– sin dejar sin carga el rodamiento de apoyo.

Por consiguiente, el rodamiento de 25° es mucho más apropiado como unidad de apoyo.

Conclusión

La nueva generación de rodamientos de bolas de contacto angular de 25° de SKF representa una solución ideal como rodamiento de apoyo. Sobre todo en aplicaciones con una fuerza axial dominante en un sentido, se recomienda incluir en el diseño un juego de rodamientos asimétrico para prevenir problemas por no alcanzarse la carga mínima y para evitar fallas prematuras de los rodamientos.

Además, los rodamientos con un ángulo de contacto de 25° también pueden usarse en aplicaciones en las que se precisen velocidades altas y/o una mayor rigidez axial.

Utilizado correctamente, el juego de rodamientos también puede diseñarse con una precarga menor, o mayor holgura axial si se emplean rodamientos con un ángulo de contacto de 25°; de esta manera, se obtienen menores presiones de contacto interno y, por consiguiente, una vida útil más prolongada y menos fricción en el rodamiento.

La ampliación de la gama de rodamientos de bolas de contacto angular de SKF con ángulos de contacto de 25° abre nuevas posibilidades a los diseñadores para proporcionar un apoyo óptimo en una extensa variedad de aplicaciones. El servicio de consultoría técnica de SKF también puede ofrecer asesoramiento en la selección de los rodamientos más apropiados en proyectos individuales.