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Elementos de Mquinas y Fundamentos de Diseo I (2015-1)
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1. SELECCIN DEL TIPO DE RODAMIENTO Cada tipo de rodamiento tiene
propiedades caractersticas que lo hacen particularmente adecuado
para ciertas aplicaciones. Sin embargo, no es posible establecer
reglas rgidas para la seleccin del tipo de rodamiento, pues para
ello se han de considerar diversos factores.
1.1. CRITERIOS DE SELECCIN
a. Segn el tipo de rodamiento: Se deben tomar en cuenta los
siguientes aspectos:
Magnitud de las cargas:
Este es normalmente el factor ms importante para determinar el
tamao del rodamiento. En general, para las mismas dimensiones
principales los rodamientos de rodillos pueden soportar mayores
cargas que los rodamientos de bolas. Estos ltimos se usan
principalmente para soportar cargas pequeas o medias, mientras que
los rodamientos de rodillos resultan en muchas ocasiones la nica
eleccin posible para cargas pesadas y ejes de grandes dimetros.
Direccin de la carga:
Carga radial: los rodamientos de rodillos cilndricos con un aro
sin pestaas (tipos UN y N) y los rodamientos de agujas (excepto los
combinados de agujas/radiales de bolas y agujas/axiales de bolas),
solamente pueden soportar cargas radiales. Todos los dems tipos de
rodamientos radiales pueden soportar cargas tanto rdiales como
axiales.
Carga axial: los rodamientos axiales de bolas pueden soportar
solo moderadas cargas axiales puras. Los rodamientos axiales de
bolas de simple efecto pueden soportar cargas axiales en un
sentido, y los de doble efecto, cargas axiales en ambos sentidos.
Los rodamientos axiales de rodillos cilndricos y los axiales de
agujas (con o sin arandelas) pueden soportar elevadas cargas
axiales en un sentido. Los rodamientos axiales de rodillos a rtula
pueden soportar, adems de cargas axiales muy elevadas, cargas
rdiales de una cierta magnitud actuando simultneamente. Carga
combinada: una carga combinada consta de una carga radial y una
carga axial que actan simultneamente.
La caracterstica mas importante que afecta a la capacidad de
carga de un rodamiento para soportar una carga axial, es su ngulo
de contacto
. Cuanto mayor es este ngulo, tanto ms adecuado es el rodamiento
para soportar carga axial. El factor de carga Y disminuye al
aumentar el ngulo de contacto, proporcionando una indicacin de
la
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capacidad relativa de un rodamiento para soportar cargas
axiales. El ngulo de contacto de los rodamientos rgidos de bolas, y
por lo tanto su capacidad de carga axial, esta influenciado por el
juego radial interno. Para soportar cargas combinadas se usan
principalmente los rodamientos de bolas con contacto angular de una
o de dos hileras, y los rodamientos de rodillos cnicos. Tambin se
usan los rodamientos rgidos de bolas y los rodamientos de rodillos
a rtula.
Necesidad de desplazamiento de los apoyos
La disposicin normal de los rodamientos en un eje u otro
elemento de maquinaria consiste en un rodamiento posicionador o
fijo y un rodamiento libre. Un rodamiento libre puede desplazarse
axialmente evitando as un contraste reciproco entre los
rodamientos, por ejemplo por dilatacin trmica del eje. Como
rodamientos libres, son particularmente adecuados los rodamientos
de rodillos cilndricos que tienen uno de los aros sin pestaas
(tipos UN y N) o los rodamientos de agujas, ya que su construccin
interna permite el desplazamiento axial de los rodillos en relacin
a los caminos de rodadura en ambos sentidos. Los aros interior y
exterior pueden por tanto montarse con ajustes de interferencia.
Cuando se usa como rodamiento libre un rodamiento no desmontable,
por ejemplo un rodamiento rgido de bolas o uno de rodillos a rtula,
uno de los aros del rodamiento se debe montar con ajuste de
interferencia.
Dimensiones radiales y axiales
Hay muchos casos en que al menos una de las dimensiones
principales del rodamiento, generalmente el dimetro del agujero
viene determinada por las caractersticas de diseo de la mquina a la
que va destinado. Normalmente se seleccionan rodamientos rgidos de
bolas para ejes de pequeo dimetro, mientras que para ejes de
grandes dimetros se pueden considerar los rodamientos rgidos de
bolas, los de rodillos cilndricos y los de rodillos a rtula. Cuando
el espacio radial disponible es limitado, debern seleccionarse
rodamiento de pequea seccin, por ejemplo coronas de agujas,
rodamientos de agujas con o sin aro interior, y ciertas series de
rodamientos rgidos de bolas y de rodamientos de rodillos a
rtula.
Cuando la limitacin es en sentido axial y se requieren
rodamientos particularmente estrechos, pueden usarse algunas series
de rodamientos de una hilera de rodillos cilndricos o rgidos de
bolas para cargas
radiales y combinadas, y para cargas axiales coronas axiales de
agujas, rodamientos axiales de agujas y algunas series de
rodamientos axiales de bolas.
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Autoalineacin
Cuando existe la posibilidad de desalineacin del eje con
respecto al soporte, se necesitan rodamientos capaces de absorber
tal desalineacin, es decir, rodamientos de bolas a rtula,
rodamientos de rodillos a rtula y rodamientos axiales de rodillos a
rtula. La desalineacin puede ser originada, por ejemplo, por flexin
del eje al ser sometido a carga, cuando los rodamientos estn
montados en soportes situados sobre bases separadas y a gran
distancia entre si, o bien cuando no haya sido posible mecanizar en
una sola operacin los asientos de los alojamientos.
Lubricantes a emplear
Los rodamientos deben lubricarse para evitar que se produzca
contacto metlico entre los elementos rodantes, los caminos de
rodadura y las jaulas y para proteger al rodamiento contra la
corrosin y el desgaste. La temperatura de funcionamiento ms
favorable para un rodamiento se obtiene cuando se usa el mnimo de
lubricante necesario para garantizar una lubricacin fiable. No
obstante, la cantidad usada depende tambin de las funciones
adicionales que se exijan, por ejemplo: obturacin, refrigeracin,
etc. Las propiedades del lubricante se deterioran como resultado
del envejecimiento y de las solicitaciones mecnicas y adems todos
los lubricantes llegan a contaminarse en servicio y deben reponerse
o cambiarse de vez en cuando.
Rigidez
La deformacin elstica de un rodamiento cargado es muy pequea y,
en la mayora de los casos, despreciable. No obstante, en algunos
casos la rigidez del rodamiento es factor importante, por ejemplo
para husillos de mquinas-herramienta. Debido a la mayor superficie
de contacto entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura,
los rodamientos de rodillos, son ms rgidos que los rodamientos de
bolas. Pueden aumentarse la rigidez de los rodamientos aplicando
una precarga adecuada.
Formas de montaje y desmontaje a aplicar
Los aros de los rodamientos separables se montan y desmontan
separadamente. As cuando se ha de usar un ajuste de interferencia
para ambos aros, o cuando se prev la necesidad de tener que
efectuar frecuentes montajes y desmontajes, estos rodamientos son
ms fciles de instalar que los rodamientos no separables.
b. Segn el tamao:
Se toman en cuenta los criterios de clculo que permiten prever
el deterioro o alargar el plazo de servicio sin que se manifieste
deterioro. Para ello se emplearn como criterios fundamentales para
la seleccin los
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criterios de Capacidad de carga esttica y Capacidad de carga
dinmica.
La seleccin de rodamientos segn el criterio de Capacidad de
carga esttica se realiza cuando la frecuencia de rotacin de este es
menor de 10 RPM (velocidad de rotacin muy lenta). En caso contrario
se emplea el criterio de Capacidad de carga dinmica. Si el
rodamiento permanece en las paradas y arranques bajo el efecto de
la carga, debe realizarse adicionalmente la comprobacin a capacidad
de carga esttica.
1.2 CRITERIO DE CAPACIDAD DE TRABAJO A CARGA ESTTICA
Se le llama capacidad de carga esttica al valor de fuerza (Co),
que produce entre los elementos rodantes y el camino de rodadura,
en el punto de contacto, una deformacin (huella tipo Brinell) de
un:
Dimetro de huella 0,0001 d CUERPO RODANTE
Esta deformacin se produce para esfuerzos aproximadamente
iguales a 4600 MPa para rodamientos de bolas autoalineantes, 4200
MPa para rodamientos de bolas y 4000 MPa para rodillos cnicos.
Figura 1
Capacidad de carga esttica
La capacidad de un rodamiento para soportar una carga en
condiciones estticas, descrita por el volumen de carga esttica
bsica C0.
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Para garantizar que la carga aplicada sobre el rodamiento no
afecte su funcionamiento se debe verificar que el factor de
seguridad (fs) sea mayor que el recomendado:
fS > frecomendado
Clculo del factor de seguridad:
Donde: fs : Factor de seguridad
Co: Capacidad de carga esttica [N]. Este valor es brindado en
los catlogos de rodamientos. Po: Carga radial equivalente [N]. Es
la carga radial que simula el efecto de la combinacin de carga
axial y radial en el rodamiento.
xO : Factor de carga radial yO : Factor de carga axial Fr :
Fuerza Radial [N] Fa : Fuerza Axial [N]
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1.3 CRITERIO DE CAPACIDAD DE TRABAJO A CARGA DINMICA
La fatiga superficial es el deterioro ms frecuente siempre que
el rodamiento est bien lubricado, protegido de la suciedad y la
entrada de cuerpos extraos, sobrecargas, etc. La fatiga
superficial, reconocida como una picadura en las pistas o los
elementos rodantes del cojinete, se da por la accin repetida del
contacto en un punto de fallo del material que convierte a una
micro grieta en una excoriacin superficial (desconchado) despus de
un nmero determinado de ciclos de carga. Generalmente la picadura
aparece en el aro interior, por ser este el de menor radio de
curvatura, y sobre los elementos rodantes el fallo se inicia en la
zona de salida de las fibras durante el estampado o laminado. Si se
tiene una fuerza P y bajo esa carga se obtiene una duracin de L
millones de ciclos, se puede hacer una grfica como la que se
muestra.
Figura 2
Mientras menores son las cargas que actan sobre el rodamiento
mayor ser la duracin, pudindose afirmar que:
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Capacidad de Carga Dinmica
Es la fuerza que puede soportar un rodamiento que ha girado 1
milln de ciclos sin que aparezca la fatiga superficial con un 90%
de fiabilidad (es decir: en un lote de 100 rodamientos es admisible
que 10 fallen a picadura).
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Figura 3
Para calcular la duracin de un rodamiento con cualquier carga
aplicada se emplea la siguiente relacin:
Donde:
L10 : Duracin de un rodamiento sometido a una carga sin que
ocurra la fatiga superficial en un tiempo menor a 1 milln de ciclos
con un 90% de fiabilidad. [Millones de ciclos] C : Capacidad de
carga dinmica. [N] p : Exponente de duracin. (p = 3 Rodamientos de
Bolas, p = 10/3 Rodamientos de Rodillos)
P : Fuerza radial equivalente. Es la fuerza radial que simula el
efecto de la combinacin de las cargas axiales y radiales en el
rodamiento. [N].
Donde:
x : Factor de carga radial y : Factor de carga axial Fr : Fuerza
Radial [N] Fa : Fuerza Axial [N]
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Es aceptado que un rodamiento garantiza la capacidad de carga
dinmica nominal cuando:
NOTA: Cuando acta una combinacin de fuerzas radial y axial, se
debe trabajar para la seleccin con la fuerza radial equivalente y
debe procederse como sigue:
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Coeficientes X o Y para rodamientos rgidos de bolas
