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COJINETE DE FRICCIÓN Unidad 3. Elementos de rodadura y pivote

Los cojinetes de fricción deben su nombre a que el eje o árbol que se apoya

en el cojinete lo fricciona o roza continuamente al girar.

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¿QUÉ ENCONTRAREMOS EN ESTE DOCUMENTO?

Introducción ....................................................................................................... 3

Cómo podemos definir los cojinetes de fricción ................................................. 3

Ventajas y desventajas ....................................................................................... 6

Características ................................................................................................... 7

Características importantes de los cojinetes de fricción .................................... 7

Características constructivas ............................................................................ 8

Tipos de materiales ............................................................................................ 9

Lubricación ...................................................................................................... 10

Análisis de fallas en cojinetes ........................................................................... 12

Tipos de cojinetes de fricción ............................................................................ 14

Cojinetes cilíndricos fijos o casquillos .............................................................. 15

Cojinetes cilíndricos ajustables ........................................................................ 16

Cojinetes cónicos ajustables ............................................................................ 16

Enlaces de interés ............................................................................................. 17

Dónde podemos encontrar más información .................................................... 17

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Introducción

Cómo podemos definir los cojinetes de fricción Para efectos de brindar un apoyo entre los elementos móviles y los estacionarios de una máquina se pueden emplear diversos elementos mecánicos que deberán proporcionar puntos de apoyo y a su vez permitan el movimiento relativo entre los mismos. Uno de estos elementos son los cojinetes de fricción, que no son más que una pieza o conjunto de piezas donde se apoya y gira el eje de una máquina.

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En virtud de que la trayectoria que describen los puntos sobre la superficie del eje en la zona que se apoya es cilíndrica, los cojinetes se fabrican en forma cilíndrica, aunque también se suelen construir en forma cónica, especialmente cuando se presentan cargas axiales en la operación del sistema o cuando se quiere que sean ajustables.

Los cojinetes también tiene la función de evitar el desgaste de los puntos de apoyo o bancada de la máquina, efecto que se generaría si los ejes rodaran directamente sobre la estructura de la máquina.

A la parte del árbol que hace contacto con el cojinete de fricción se la llama gorrón o muñón.

Los cojinetes de fricción son piezas fácilmente de

desmontar que se adaptan entre el eje y el soporte de

la máquina.

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Comúnmente para permitir el movimiento relativo entre el eje y la estructura de la máquina y funcionar como punto de apoyo se suelen emplear los rodamientos, pero en algunos casos su aplicación es restringida por algunas variables que finalmente convierten al cojinete de fricción en la opción más adecuada. Es importante tener en cuenta que a diferencia de los rodamientos, en los cojinetes de fricción no existe un deslizamiento por rodadura, por lo que el movimiento se genera por deslizamiento entre las superficies en contacto.

Esta condición incluye que se presente fricción entre las superficies y se genere un desgaste entre las superficies tanto del eje como del cojinete. Esta variable es muy importante lo cual incluye que el cojinete de fricción siempre se construya en un material más blando que el material del eje, dado que es preferible que se desgaste el cojinete y no el eje. Para evitar dicho desgaste en el eje e incluso en el cojinete de fricción y alargar su vida útil, se suelen emplear materiales que técnicamente se conocen como materiales antifricción o materiales con trazas o recubrimientos de grafito lo cual incluye un deslizamiento suave entre las superficies en contacto aunque que grafito se desgasta rápidamente si la carga es importante. También es común el uso de otros materiales antifricción como el bronce al plomo, y diversas fundiciones a base de plomo y estaño. En la práctica también es común el uso de materiales no metálicos como por ejemplo el teflón, que poseen buena adaptabilidad, los desechos generados son blandos y poco abrasivos, y pueden ser lubricados con gran diversidad de fluidos.

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Ventajas y desventajas Los cojinetes de fricción incluyen ventajas y desventajas frente a los rodamientos, algunas de ellas son:

Ventajas:

Los cojinetes de fricción suelen ser más livianos que los rodamientos, dado que no poseen tantos componentes.

Exigen menor espacio radial, dado que los cojinetes fricción se construyen con

paredes delgadas a diferencia de los rodamientos que incluyen dos anillo y elementos rodantes.

Los cojinetes de fricción incluyen una operación silenciosa.

Su montaje no incluye el uso de dispositivos especiales.

Los cojinetes de fricción de dos piezas permiten montajes rádieles, lo cual simplifica y facilita su montaje.

En algunas aplicaciones se excluye el uso de procedimientos de lubricación, empleando cojinetes autolubricantes.

Su costo comparado con los rodamientos es mucho menor.

Los cojinetes de fricción incluyen una larga vida útil sin fatiga de sus elementos.

Desventajas:

Los cojinetes de fricción incluyen mayor fricción en los procesos transitorios (especialmente en el arranque).

Exigen mayor espacio axial.

Es indispensable el uso de materiales antifricción en su fabricación.

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Características Características importantes de los cojinetes de fricción

Como ya se menciono los cojinetes de fricción son elementos mecánicos que permiten el libre movimiento entre las partes fijas y móviles de una máquina, sirven de apoyo, guían la rotación de los componentes móviles y reducen la fricción y desgaste directo entre los componentes de la máquina. Los cojinetes de fricción en perfectas condiciones garantizan una marcha tranquila y silenciosa, aunque incluyen como inconveniente que no pueden operar a niveles muy altos de velocidad, a no ser que la carga que soportan es mínima.

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Características constructivas Los cojinetes de fricción pueden construirse en una sola pieza, lo cual incluye que el montaje sea axial, es decir el cojinete se debe montar por un costado del eje hasta la posición de apoyo; este tipo de cojinetes en algunas ocasiones son conocidos como bujes o pueden construirse partidos, es decir en dos secciones, lo cual facilita el montaje y desmontaje radial. En la práctica este tipo de cojinetes se conocen como casquetes y son principalmente empleados como apoyos de piezas de motores de combustión interna.

Es importante tener en cuenta que la fricción consume parte de la energía generada o trasmitida a la máquina y el desgaste altera dimensionalmente los elementos, deteriora el ajuste de las piezas, genera vibración y puede inhabilitar completamente la máquina.

Los cojinetes de fricción van algunas veces colocados directamente en el bastidor o máquina, pero con frecuencia van montados en soportes convenientemente dispuestos para facilitar su montaje.

Dependiendo de las características del montaje del eje ó árbol con los cojinetes, es decir las características de ajuste, el material del que estén hechos los cojinetes influye en su posterior funcionamiento.

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Tipos de materiales Generalmente los cojinetes de fricción se fabrican con materiales muy resistentes al desgaste por rozamiento, como el bronce y otros metales antifricción. Algunos de los materiales comúnmente empleados en la fabricación de cojinetes antifricción son:

Algunas de las características o cualidades importantes de los materiales que se emplean para fabricar los cojinetes de fricción son:

El material debe tener un coeficiente de rozamiento reducido, evitando con esto el desgaste excesivo, el calentamiento de los componentes, la pérdida de potencia.

El material debe tener alta resistencia al desgaste y a la fatiga. El material debe tener buena adaptabilidad funcional, esto permite reducir las

presiones locales debido a las deformaciones elásticas y errores de fabricación. El material tiene que ser un buen transmisor del calor (Alta conductividad térmica)

para que no se produzca una acumulación excesiva de calor, dañando o perjudicando el ajuste creado, es decir la dilatación que sufre el material por efecto del calor debe ser mínima evitando la generación de holguras amplias entre el cojinete y el eje, lo cual puede causar vibración excesiva en la operación del conjunto.

El material debe tener cierta dureza que ayude a soportar la carga, sin que se deforme el cojinete, es decir que el eje genere cunas o desgaste localizados que generan vibración.

Materiales El bronce con aleaciones de plomo y

estaño. Metales blancos a base de estaño y plomo. Aleaciones de aluminio. Hierros fundidos. Materiales no metálicos como el teflón.

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Lubricación Los cojinetes de fricción en algunas ocasiones necesitan ser engrasados o lubrificados. El engrasado o lubricación consiste en introducir un fluido entre los elementos que rozan para reducir el rozamiento de las piezas en contacto.

Para evitar el desgaste severo en los cojinetes de fricción y el eje, se suelen emplear procesos de lubricación mecánica, es decir por bombeo, que permitan mantener continuamente separados el eje y el cojinete. Esta condición entre el eje y el cojinete, se logra por medio de una fina capa de lubricante que evita el contacto directo entre superficies de deslizamiento, lo cual hace un poco flexible la escogencia de las características del material en que se construye el cojinete. Sin embargo, las características de lubricación dependen de unas condiciones de velocidad, carga y temperatura, es decir factores como la viscosidad del lubricante, la temperatura del lubricante, la carga y la velocidad pueden afectar el deslizamiento entre las superficies en contacto. Para condiciones de velocidad baja (arranque y parada), los cojinetes de fricción sufren un inevitable desgaste dado que muchas veces la baja temperatura y alta viscosidad del lubricante generan tiempos de retraso en el proceso de lubricación y los cojinetes alcanzan a trabajan pequeños lapsos de tiempo en seco. Esta misma condición la genera elevadas cargas dado que el exceso de carga impide el libre flujo del lubricante y la capa generada no es suficiente para evitar el desgaste.

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Para evitar desgastes por fallas en la lubricación los cojinetes de fricción suelen incluir ranuras de lubricación, las cuales distribuyen por toda la superficie del cojinete el lubricante de forma homogénea, garantizando un perfecto rodaje, la conservación de la forma geométrica y las dimensiones del agujero del cojinete, es decir garantizan una perfecta lubricación y se minimiza el desgaste.

Existen también cojinetes autolubricados, los cuales están hechos de un material sinterizado, a base de bronce, cobre y hierro con gran porosidad y capaz de retener hasta un 30 ó 40 por ciento de su volumen de aceite. Esta característica los hace libres de lubricación, pero limita su capacidad de carga dada la porosidad del material y la posibilidad de que una elevada carga los aplaste y también incluyen un inconveniente bastante importante como es el que no se puede utilizar en contacto directo con el agua y otros fluidos, al igual que tampoco puede superar temperaturas muy elevadas.

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Análisis de fallas en cojinetes En los cojinetes de fricción hay múltiples factores que pueden generar fallas y afectar su funcionamiento, entre ellos están las malas condiciones de operación, fallas en la lubricación, errores de montaje y sobre carga. Todos estos factores afectan el cojinete y afectan el funcionamiento general de la máquina, para identificar algunas de estas fallas y sus características se analizan algunas de ellas. Suciedad en el circuito de lubricación

El proceso de lubricación en cualquier componente mecánico debe ser estrictamente limpio, cualquier partícula extraña afecta gravemente las superficies en contacto. La presencia de dichas partículas en el lubricante suele ser una de las causas más frecuentes de los daños en cojinetes. Estas partículas generan rayones circunferenciales y finalmente quedan incrustados en la superficie del cojinete.

Suciedad en el respaldo del cojinete

La presencia de una partícula atrapada entre el respaldo del cojinete y su alojamiento provoca una zona levantada con riesgo de interferir con el eje. La presencia de estas partículas en la superficie posterior del cojinete se evidencia con la aparición de una zona con desgaste localizado.

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Ausencia de lubricación La ausencia total de lubricante en la superficie de contacto del cojinete y el eje conduce al gripado del cojinete, normalmente con la destrucción total de la pieza. Aunque dicho fenómeno se puede presentar de forma gradual como consecuencia de una inadecuada lubricación y la imposibilidad de mantener una película de lubricante entre las dos superficies. El funcionamiento prolongado en esas condiciones también produce la destrucción total del conjunto.

Errores de montaje - cojinete invertido

Cuando por error se coloca un cojinete invertido y se anula completamente la entrada de lubricante a la superficie de contacto entre el eje y el cojinete se genera un desgaste severo y posterior destrucción del cojinete. Se puede observar en la síguete imagen como una posición invertida del cojinete sella los camales de lubricación.

Sobrecarga

Cuando las condiciones de funcionamiento provocan una carga excesiva sobre los cojinetes, se produce el daño por fatiga del material. La rotura se inicia perpendicular a la superficie del cojinete y progresa en otras direcciones, originando el desprendimiento de pequeños trozos de aleación.

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Tipos de cojinetes de fricción Los cojinetes de fricción pueden tener múltiples variaciones en cuento su forma y tamaño, es decir los fabricantes hoy en día incluyen novedosas formas buscando una mayor eficiencia y durabilidad de los componentes. Adicional a esto las diferentes aplicaciones incluyen que estos componentes tengan formas especificas para facilitar su montaje y de ser necesario su mantenimiento.

Algunas formas comunes de los cojinetes de fricción, son los cilíndricos fijos o casquillos, los cilíndricos ajustables o cojinetes lisos y los cónicos ajustables.

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Cojinetes cilíndricos fijos o casquillos La forma más simple de los cojinetes de fricción, son los denominados casquillos, los cuales se componen de una sola pieza cilíndrica hueca.

Generalmente estos cojinetes de fricción incluyen un agujero que se hace coincidir con un agujero en el soporte del cojinete el cual permite el ingreso de lubricante a la parte interior del cojinete para lubricar las superficies en contacto. En algunas aplicaciones donde la lubricación debe ser más rigurosa los casquillos incluyen ranuras o canales de lubricación en su cara interna para distribuir de forma más eficiente el lubricante en las superficies de contacto.

Este tipo de cojinetes de fricción son ideales para montajes extremos y pocas veces se emplean para puntos intermedios, dada la dificultad de su montaje en tales puntos. Esta condición hace que en algunas ocasiones se construyan con extremos en forma de brida para encajar en las paredes de los puntos de apoyo o simplemente para soportar cargas combinadas o lo que es igual a una combinación de cargas radiales y cargas axiales.

En los casos donde se quiere que los casquillos sean fijos y no haya lugar a ningún desplazamiento axial del cojinete, se construyen pestañas para fijarlos al punto de apoyo y que los imposibilita a realizar cualquier movimiento en este sentido.

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Cojinetes cilíndricos ajustables Con el objetivo de simplificar el montaje de los cojinetes de fricción, estos se construyen en forma de medios anillos. Estos cojinetes son ideales para apoyos intermedios de ejes de gran longitud o cuando los puntos de apoyo están dispuestos de tal forma que un cojinete de anillo entero no podría entrar, como por ejemplo en los apoyos intermedios de un cigüeñal o en los cuellos de ejes con efecto axial.

Algunos ejemplos de este tipo de cojinetes de fricción se observan en las siguientes imágenes:

Cojinetes cónicos ajustables Este tipo de cojinetes se emplean en aquellas aplicaciones donde se tenga que garantizar un juego entre el eje y el cojinete. Este tipo de cojinete posee una forma cónica en su superficie externa la cual coincide con su alojamiento, pero incluye una característica especial y es que posee ranuras longitudinales que permiten ajustar el diámetro interno a medida que se ajusta contra el alojamiento, lo cual permite corregir el diámetro del cojinete o alguna holgura superior a la deseada efecto del desgaste de las piezas.

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Enlaces de interés

Dónde podemos encontrar más información

Cojinetes de fricción

http://www.glycodur.de/sp/lieferprogramm/index.htm

Montaje de los cojinetes

http://www.ms-motor-service.cn/ximages/PDF_Kataloge/gl_einbau_es_web.pdf

Cojinete de deslizamiento

http://www.main-metall.com/es/dl/pdf/el_cojinete_de_alta_tecnologia.pdf