Comprender la fricción producida en los rodamientos contribuye a ahorrar energía y a optimizar el rendimiento de éstos. Por este motivo, SKF ha presentado un modelo de fricción más avanzado, que ayudará a los ingenieros a seleccionar el rodamiento más adecuado para cada aplicación.

 

La capacidad de comprender y modelar las diferentes fuentes de fricción es un factor esencial en el proceso de optimización, y en la selección de rodamientos para una aplicación determinada. SKF ha decidido presentar un modelo más avanzado para el cálculo de la fricción en los rodamientos. Una de las principales características de este nuevo modelo de SKF, es la separación de las fuentes de fricción auténticamente físicas en el rodamiento: la rodadura, el deslizamiento, las obturaciones y las pérdidas de energía debidas a la agitación del aceite. Esta característica no sólo permite a los ingenieros calcular la fricción, sino también comprender mejor la función del rodamiento en una aplicación concreta.
La función principal de los rodamientos es transmitir el movimiento con fricción baja. Para esto, los rodamientos utilizan principalmente el propio mecanismo de rodadura, que energéticamente es más eficiente que el de deslizamiento pero que también genera fricción. La rodadura implica superficies de interacción pequeñas (“contactos”), y altas concentraciones de carga. Debido a ello y a la deformación elástica del acero, es inevitable un cierto deslizamiento. En los rodamientos aparecen otras fuentes de pérdidas de energía debido a la lubricación con grasa, que en general requiere el uso de obturaciones rozantes, o bien con aceite, que en muchos casos requiere un baño lubricante. Además de su repercusión económica, las pérdidas de energía también afectan notablemente el funcionamiento y la vida útil del rodamiento, puesto que aumentan la temperatura de funcionamiento y reducen la viscosidad del lubricante.
En un rodamiento hay cuatro fuentes físicas de fricción:

Fricción por rodadura

Las pérdidas de fricción por rodadura siempre están presentes en los contactos por rodadura (en seco o lubricados). Existen varias fuentes de fricción. Se gasta energía al introducir el lubricante en el contacto y al rechazar el exceso (proceso de lubricación elastohidrodinámico). Las pérdidas por histéresis elástica en el acero (disipación de energía en el proceso de deformación) e incluso las fuerzas de adhesión entre las superficies, son mecanismos que pueden generar fricción por rodadura. Esto, además del hecho de que el contacto puramente por rodadura sólo es una idealización matemática puesto que, en realidad, todo contacto por rodadura experimenta microdeslizamiento a causa de la deformación de las superficies. Sin embargo el microdeslizamiento, se considera como una fuente de fricción por deslizamiento.
Para explicar el momento de fricción por rodadura, M_rr, primero debe determinarse la distribución de la carga en los distintos contactos de los elementos rodantes. Esto depende de las cargas externas, F_r radial y F_a axial, y de la geometría del rodamiento (tipo y tamaño del rodamiento, número y tamaño de los elementos rodantes). Conociendo la contribución de cada contacto, éstas se suman. En el modelo de fricción de SKF, la influencia de la carga del rodamiento en la resistencia a la rodadura se tiene en cuenta en las variables G_rr, y la geometría del rodamiento se resumen con los factores R₁, R₂ y R₃.
La resistencia a la rodadura también es afectada por otros dos factores: el factor de reducción por cizallamiento y calentamiento en la entrada de los contactos y el factor de reducción por reabastecimiento cinemático de lubricante.

La reducción por cizallamiento y calentamiento en la entrada de los contactos, se produce debido a que no todo el lubricante presente en la entrada de los contactos consigue entrar; parte del mismo recirculará en la entrada debido al flujo inverso. Esta recirculación produce cizallamiento en el lubricante y genera calor, ya que la temperatura reduce considerablemente la viscosidad del lubricante; una menor viscosidad en la entrada de los contactos, significa una película de menor espesor y, por tanto, menos resistencia a la rodadura. Este efecto se tiene en cuenta en el modelo de fricción de SKF mediante el factor de multiplicación .

La reducción por reabastecimiento cinemático se produce cuando las altas velocidades o altas viscosidades del lubricante obstaculizan el abastecimiento del mismo en la pista de rodadura después de haber pasado un elemento rodante, debido a que el lubricante no tendrá el tiempo suficiente para regresar de los bordes al centro de la pista. Este reabastecimiento cinemático, puede reducir la cantidad de lubricante en la entrada de los contactos, el espesor de la película y la resistencia a la rodadura. La reducción por reabastecimiento cinemático se tiene en cuenta en el modelo de fricción de SKF mediante el factor de multiplicación , que es asimismo una función del mecanismo de suministro de lubricante.
Los factores de reducción por cizallamiento y calentamiento en la entrada de los contactos, y el factor de reducción por reabastecimiento cinemático pueden interactuar, pero el modelo se ha diseñado para tener en cuenta dicha interacción.

Fricción por deslizamiento

En los contactos por rodadura siempre hay una fricción por deslizamiento. Existen dos fuentes importantes de deslizamiento en un contacto por rodadura: el macrodeslizamiento, causado por una osculación de contacto debida a características macrogeométricas, por ejemplo el contacto entre las bolas y las pistas de rodadura curvadas en los rodamientos de bolas, y el giro, que es el deslizamiento con velocidad angular, y el microdeslizamiento causado por la distorsión geométrica de la deformación elástica.
El perfil de deslizamiento en los contactos producirá pérdidas por fricción debido al cizallamiento del lubricante y/o al contacto de las asperezas superficiales, dependiendo de la relación espesor de la película lubricante/rugosidad de las superficies.

A) Cizallamiento del lubricante: El coeficiente de fricción debido a cizallamiento del lubricante en un contacto es:

donde, Q es la carga normal al contacto, es el esfuerzo de cizallamiento en el lubricante y A es la superficie de contacto. El esfuerzo de cizallamiento en el contacto dependerá del perfil de deslizamiento (velocidad de deslizamiento) y de la reología del lubricante.

B) Contactos entre las aperezas superfi ciales: Cuando el espesor de la película no basta para separar completamente las superficies y, con la presencia de deslizamiento, puede tener lugar una cierta interacción entre asperezas. Esto aumentará las pérdidas de fricción por deslizamiento, dado que el coeficiente de fricción debido al contacto entre asperezas (metal-metal) es superior al del cizallamiento del aceite. La siguiente ecuación proporciona el coeficiente de fricción total procedente del cizallamiento del aceite y de los contactos entre asperezas superficiales:

donde es el coeficiente de fricción debido al contacto entre las asperezas, influido por los aditivos en el lubricante (lubricación de capa). La función es un factor de ponderación entre la influencia de las asperezas y el cizallamiento del lubricante. SKF ha usado la modelación y experimentación para obtener la ecuación y el diagrama incluidos en el Catálogo General SKF 6000 para este factor.
Para obtener el momento de fricción por deslizamiento en el rodamiento, M_sl, se suman las contribuciones de cada contacto. En el modelo de fricción de SKF, la influencia de la carga del rodamiento en la resistencia al deslizamiento se tiene en cuenta en las variables G_sl, y la geometría del rodamiento se resume con los factores S₁, S₂ y S₃.

Fricción por la obturación

La fricción por la obturación es causada por el deslizamiento entre el labio de la misma y la superficie de contacto del rodamiento en movimiento. En las obturaciones rozantes, por ejemplo designadas con los sufijos RSH, RS1, LS, CS, CS2 y CS5 en los catálogos de productos SKF, la contribución de la obturación al momento de fricción representa un gran porcentaje de la fricción total en el rodamiento. El modelo de SKF ofrece un método para calcular la contribución de la obturación a la fricción.

Pérdidas de energía debidas a la agitación del aceite

El modelo de fricción de SKF puede incluir las pérdidas de energía debidas a la agitación del aceite en el baño de aceite. El actual modelo tiene algunas restricciones, especialmente en rodamientos de gran tamaño, a altas velocidades y con niveles de aceite elevados, pero se están realizando estudios de mayor profundidad para superarlas. La versión electrónica restringe los cálculos cuando se exceden las limitaciones del modelo.

El modelo de fricción de SKF como herramienta de ingeniería

Debido a la separación de las fuentes físicas de fricción, el modelo de SKF puede emplearse como herramienta de ingeniería, debido a que la información que proporciona no se limita a los valores de fricción. Ofrecemos dos ejemplos en los que el modelo se usa para explicar el funcionamiento de un rodamiento.

El momento de fricción total en el rodamiento según el modelo de SKF es:

El modelo puede reproducir curvas de Stribeck típicas tal como aparecen en las mediciones de fricción, con una fricción relativamente elevada en el área de baja velocidad (o baja viscosidad), seguida de una zona de menor fricción debido a la formación de la película lubricante a velocidades más elevadas. A medida que la película de aceite aumenta a velocidades cada vez más altas, la fricción por rodadura se convierte en el término dominante e incrementará el momento de fricción total, hasta que los efectos del reabastecimiento cinématico y el cizallamiento y calentamiento en la entrada de los contactos reduzcan el espesor de la película. El par de arranque del rodamiento puede calcularse fijando la velocidad a cero. Entonces la fricción sólo será producida por el deslizamiento y las obturaciones.

Selección de la viscosidad del lubricante

Utilizando los resultados de la ecuación (3) es posible trazar separadamente las diferentes fuentes de fricción de un rodamiento de ro dillos a rótula abierto (sin obturar) lubricado en un baño de aceite de viscosidad muy elevada.
A velocidades muy bajas, hay una pequeña área de pérdidas relativamente altas por deslizamiento, debida a la interacción de las asperezas; dichas pérdidas disminuyen muy rápidamente (debido a la formación de la película lubricante) hasta un valor estable. Sin embargo, las pérdidas por rodadura aumentan a partir de cero (a cero velocidad) pasando a ser dominantes con gran rapidez, alcanzando su valor máximo a aproximadamente 500 rpm. A medida que la velocidad continúa aumentando, la fricción por rodadura disminuye a causa de los efectos del reabastecimiento y/o el calentamiento por cizallamiento en la entrada de los contactos; sin duda esto es un signo de que la viscosidad en la aplicación es excesivamente elevada. Entonces los factores y entran en juego. Examinando su comportamiento, los ingenieros podrían recomendar un aceite de menor viscosidad en esta aplicación.
También puede demostrarse el comportamiento opuesto, con el mismo rodamiento y condiciones de funcionamiento, pero empleando un lubricante de viscosidad muy baja. En este caso, las pérdidas por deslizamiento dominan en casi todo el espectro de velocidades y, sin duda alguna, al aumentar la velocidad las pérdidas por deslizamiento disminuyen, pero no con suficiente rapidez. Contrariamente, las pérdidas por rodadura son muy pequeñas en comparación con las de por deslizamiento, debido a que la película es tan fina que la interacción de las asperezas pasa a ser dominante. El rodamiento podría fallar debido a una película de lubricante insuficiente. Puede que los ingenieros recomienden un aceite de mayor viscosidad para esta aplicación.

Fuerzas centrífugas y rotación También puede estimarse el efecto de las fuerzas centrífugas y la rotación en un rodamiento de bolas con contacto angular, usando el ejemplo de un rodamiento de este tipo en versión abierta, lubricado con grasa. Las pérdidas por deslizamiento son elevadas a baja velocidad (interacción de las asperezas), pero se reducen a medida que la velocidad aumenta y el lubricante forma una película.
No obstante, cuando la velocidad aumenta a valores elevados, vuelven a aumentar las pérdidas por deslizamiento. Este último incremento lo causa el incremento de las fuerzas centrífugas de las bolas (aumento de la carga y el giro en los contactos de las bolas/aro exterior). El modelo de fricción de SKF tiene en cuenta las fuerzas centrífugas de algunos tipos de rodamiento en las variables G_rr y G_sl, con el símbolo F_g.

Debido a que el modelo de SKF permite separar los diferentes factores que contribuyen a la fricción y proporciona más información sobre el funcionamiento del rodamiento, constituye una herramienta de ingeniería valiosa al seleccionar rodamientos y diseñar sistemas provistos de ellos.