Seleccion de rodamientos segun SKF.pdf

MECANICA ELECTRICA INDUSTRIAL ING. QUIMICA

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Un enfoque sistemtico sobre la seleccin de rodamientos. Segn catlogo SKF.

Magnitud de la carga

La magnitud de la carga es uno de los factores que suele determinar el tamao del rodamiento. Por lo general, los

rodamientos de rodillos pueden soportar cargas ms pesadas que los rodamientos de bolas de tamao similar

(figura 1). Los rodamientos completamente llenos de elementos rodantes pueden soportar cargas ms elevadas que

los rodamientos con jaula correspondientes. Los rodamientos de bolas se utilizan, habitualmente, cuando las cargas

son ligeras a normales. Los rodamientos de rodillos se utilizan en aplicaciones donde las cargas son ms pesadas.

figura 1

Direccin de la carga

Cargas radiales

Los rodamientos de rodillos cilndricos de diseo NU y N, los rodamientos de agujas y los rodamientos de rodillos

toroidales solo pueden soportar cargas puramente radiales (figura 2). Todos los dems rodamientos radiales pueden

soportar algunas cargas axiales adems de las cargas radiales ( Cargas combinadas).

figura 2


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Cargas axiales

Los rodamientos axiales de bolas y los rodamientos de bolas con cuatro puntos de contacto (figura 3) son

adecuados para cargas ligeras o normales puramente axiales. Los rodamientos axiales de bolas de simple

direccin solo soportan cargas axiales en un sentido. En el caso de las cargas axiales que actan en ambos

sentidos, se necesitan rodamientos axiales de bolas de doble direccin.

Los rodamientos axiales de bolas de contacto angular pueden soportar cargas axiales normales a altas

velocidades. Aqu, los rodamientos de simple efecto tambin pueden soportar cargas radiales simultneas,

mientras que los rodamientos de doble efecto se utilizan, habitualmente, para cargas puramente axiales

(figura 4).

Para cargas normales a pesadas que son puramente axiales y actan solo en un sentido, son adecuados los

rodamientos axiales de agujas, de rodillos cilndricos y de rodillos cnicos. Los rodamientos axiales de

rodillos a rtula (figura 5) pueden soportar cargas axiales solo en un sentido, as como tambin cargas

radiales. Para cargas axiales alternas elevadas, se pueden montar en pares dos rodamientos axiales de

rodillos cilndricos o dos rodamientos axiales de rodillos a rtula.

figura 3 - Rodamientos para cargas normales o moderadas que son puramente axiales

figura 4 - Los rodamientos axiales de bolas de contacto angular pueden soportar cargas axiales normales a altas

velocidades.


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figura 5 - Rodamientos para cargas axiales normales y pesadas que actan en un solo sentido

Cargas combinadas

Una carga combinada consta de una carga radial y una carga axial que actan simultneamente. La capacidad de un

rodamiento para soportar una carga axial se determina mediante el ngulo de contacto a. Cuanto mayor sea dicho

ngulo, mayor ser la capacidad de carga axial del rodamiento. El factor de clculo Y, que disminuye al aumentar el

contacto a, es indicador de esta situacin. Los valores del ngulo a o del factor Y se detallan en el captulo de

productos correspondientes.

La capacidad de carga axial de un rodamiento rgido de bolas depende de su diseo interno y del juego interno de

funcionamiento del rodamiento (Rodamientos rgidos de bolas).

Para cargas combinadas, se usan principalmente los rodamientos de una y de dos hileras de bolas de contacto

angular y los rodamientos de una hilera de rodillos cnicos, aunque los rodamientos rgidos de bolas y los

rodamientos de rodillos a rtula tambin son adecuados (fig. 6). Asimismo, los rodamientos de bolas a rtula y los

rodamientos de rodillos cilndricos de diseo NJ y NUP, as como los rodamientos de rodillos cilndricos de

diseo NJ y NU con aros angulares HJ, tambin se pueden utilizar para cargas combinadas cuando el componente

axial es relativamente pequeo (figura 7).

Los rodamientos de una hilera de bolas de contacto angular, los rodamientos de una hilera de rodillos cnicos, los

rodamientos de rodillos cilndricos de diseo NJ, los rodamientos de rodillos cilndricos de diseo NU con aro

angular HJ y los rodamientos axiales de rodillos a rtula solo pueden soportar cargas axiales en un sentido. Para las

cargas axiales que cambian de sentido, estos rodamientos se deben combinar con un segundo rodamiento. Por esta

razn, se encuentran disponibles los rodamientos de bolas con contacto angular de apareamiento universal y los

conjuntos de rodamientos de rodillos cnicos apareados ( Rodamientos de apareamiento universal) y ( Conjuntos

de rodamientos apareados).

Cuando el componente axial de la carga combinada es significativamente grande, puede que sea necesario utilizar

un segundo rodamiento libre de carga radial. Adems de los propios rodamientos axiales, existen algunos

rodamientos radiales, como los rodamientos rgidos de bolas o los rodamientos rgidos de bolas con cuatro puntos de

contacto (figura 8) que son adecuados. Para asegurarse de que el rodamiento se someta a una carga puramente

axial, el aro exterior del rodamiento deber montarse con un juego radial.


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fig. 6 - Rodamientos para cargas combinadas.

figura 7 - Rodamientos para cargas combinadas en las que el componente axial es relativamente pequeo.

figura 8 - Rodamientos individuales para cargas radiales y cargas axiales.

Cargas de vuelco

Cuando una carga acta excntricamente sobre un rodamiento, se produce un par de vuelco. Los rodamientos de

dos hileras, p. ej., los rodamientos rgidos de bolas y los rodamientos de bolas con contacto angular, pueden

soportar pares de vuelco, pero son ms adecuados los rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular

apareados y los rodamientos de rodillos cnicos dispuestos espalda con espalda (figura 9).

figura 9 - Rodamientos para cargas de vuelco.


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Vida til y capacidad de carga de los rodamientos.

La vida individual de un rodamiento se expresa como la cantidad de revoluciones o la cantidad de horas de

funcionamiento que el rodamiento puede soportar a una cierta velocidad antes de que aparezca el primer indicio de

fatiga del metal (descascarillado) en el camino de rodadura del aro interior o exterior o en un elemento rodante.

Sin embargo, existen rodamientos aparentemente idnticos que, con funcionamiento bajo idnticas condiciones,

tienen vidas diferentes. Por lo tanto, es esencial una definicin ms clara del trmino vida del rodamiento para

calcular su tamao. Toda la informacin que presenta SKF con respecto a las capacidades de carga se basa en la

vida que alcanza o supera el 90% de un grupo suficientemente representativo de rodamientos aparentemente

idnticos.

El valor de vida basado en la definicin anterior tiene que satisfacer las expectativas de vida requeridas de la

aplicacin del rodamiento. En ausencia de una experiencia previa, las valores orientativos con respecto a la vida

especificada de diferentes aplicaciones de rodamientos se presentan en las tablas 1 y 2.

Debido a la naturaleza estadstica de la vida del rodamiento, debe sealarse que el tiempo registrado hasta que se

presenta la falla de un rodamiento montado en una aplicacin puede relacionarse con su vida nominal solo si la

probabilidad de falla de ese rodamiento en particular puede determinarse en relacin con el conjunto general de

rodamientos que funcionan bajo condiciones similares. Por ejemplo, si se registra la falla de un rodamiento en una

aplicacin de ventilador con rodamientos donde hay un total de doscientos rodamientos montados que trabajan bajo

condiciones similares, esto representa una probabilidad de falla de solo un 0,5%; por lo tanto, la aplicacin instalada

tiene una confiabilidad del 99,5%.

Diversas investigaciones realizadas durante varios aos con respecto a las fallas de los rodamientos utilizados en

distintas aplicaciones han demostrado que, en un conjunto muy grande (de varios millones de rodamientos), las

fallas registradas constituyen un caso relativamente raro que no se relaciona directamente con el descascarillado

habitual del camino de rodadura. Esto demuestra que las pautas de diseo basadas en una confiabilidad del 90% y

el uso de factores de seguridad estticos y dinmicos pueden contribuir para obtener soluciones de rodamientos

resistentes en las que, por lo general, se evitan las fallas habituales debido a la fatiga. De hecho, las fallas de campo

registradas se relacionan, en la mayora de los casos, con el desgaste abrasivo, la humedad, la corrosin, el montaje

inadecuado, los ajustes inadecuados del eje o del soporte, el deslizamiento de los elementos rodantes, la

contaminacin no prevista o la falla de la jaula, del sello o del sistema de lubricacin.


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tablas 1 - Valores orientativos de la vida especificada para los diferentes tipos de mquinas

Machine type Specification life

Horas de funcionamiento

Electrodomsticos, mquinas agrcolas, instrumentos,

equipos tcnicos de uso mdico 300 ... 3 000

Mquinas utilizadas intermitentemente o durante breves perodos de tiempo:

herramientas elctricas porttiles, aparatos elevadores en talleres,

mquinas y equipos para la construccin 3 000 ... 8 000

Mquinas para trabajar con alta fiabilidad de funcionamiento

durante breves perodos de tiempo o intermitentemente:

ascensores (elevadores), gras para mercancas embaladas o eslingas de

tambores, etc. 8 000 ... 12 000

Mquinas para 8 horas de trabajo diario, no siempre

utilizadas a su capacidad mxima:

transmisiones por engranajes de uso general, motores elctricos para

uso industrial, trituradoras giratorias 10 000 ... 25 000

Mquinas para 8 horas de trabajo diario utilizando plenamente sus capacidades:

mquinas herramienta, mquinas para trabajar la madera, mquinas para

ingeniera industrial, gras para materiales a granel, ventiladores,

cintas transportadoras, equipos de impresin, separadores y

centrifugadoras 20 000 ... 30 000

Mquinas para 24 horas de trabajo continuo:

unidades de engranajes para laminadores, maquinaria elctrica de tamao medio,

compresores, tornos de extraccin para minas, bombas, maquinaria textil 40 000 ... 50 000

Maquinaria para energa elica, incluidos los rodamientos del eje principal, de orientacin,

de la multiplicadora, del cambio de paso, del generador 30 000 ... 100 000

Maquinaria para abastecimiento de agua, hornos giratorios, mquinas de trenzar cables,

maquinaria de propulsin para buques transatlnticos 60 000 ... 100 000

Maquinaria elctrica de gran tamao, plantas de generacin de energa, bombas y ventiladores

para minas, rodamientos para el tnel del eje de buques

transatlnticos > 100 000


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Capacidades de carga. Habitualmente, un rodamiento suele seleccionarse conforme a su capacidad de carga con respecto a las cargas

aplicadas y a los requisitos relacionados con la vida til del rodamiento y la confiabilidad. Los valores para la

capacidad de carga dinmica bsica C y la capacidad de carga esttica bsica C0 estn enumerados en las tablas de

productos.Las condiciones de carga dinmica y esttica deben verificarse por separado e incluir todas las cargas de

choque elevadas de corta duracin que puedan ocurrir en ocasiones excepcionales.

Capacidades de carga dinmica

La capacidad de carga dinmica C se usa en los clculos de vida para rodamientos sometidos a esfuerzos dinmicos,

es decir, rodamientos que giran bajo carga. Expresa la carga del rodamiento que dar lugar a una vida nominal

segn la normativa ISO 281:2007 de 1.000.000 revoluciones. Se supone que la carga es de magnitud y direccin

constantes y que es radial para los rodamientos radiales y axiales, actuando de forma centrada, para los

rodamientos axiales. Las capacidades de carga dinmica bsicas de los rodamientos SKF se determinan conforme a

los mtodos descritos en la norma ISO 281:2007. Las capacidades de carga que figuran en este catlogo son vlidas

para los rodamientos de acero al cromo que reciben tratamiento trmico hasta alcanzar una dureza mnima de

58 HRC y que funcionan bajo condiciones normales. Los rodamientos polimricos son una excepcin.

Los rodamientos SKF Explorer han sido sometidos, entre otras cosas, a mejoras en los materiales y en la fabricacin

que requieren de factores ajustados para calcular las capacidades de carga dinmica de acuerdo con la

norma ISO 281:2007.

Capacidades de carga esttica

La capacidad de carga esttica bsica, segn se define en la norma ISO 76:2006, corresponde a una tensin de

contacto calculada en el centro de mayor contacto entre los elementos rodantes y el camino de rodadura. Los

valores de tensin de contacto son los siguientes:

4600 MPa para rodamientos de bolas auto-alineables.

4200 MPa para todos los dems rodamientos de bolas

4000 MPa para rodamientos de rodillos

Esta tensin produce una deformacin permanente total del elemento rodante y del camino de rodadura, que

equivale aproximadamente a 0,0001 del dimetro del elemento rodante. Las cargas son puramente radiales para los

rodamientos radiales y axiales y centradas para los rodamientos axiales.

La capacidad de carga esttica bsica C0 se utiliza en las siguientes condiciones:

velocidades de giro muy bajas (n < 10 rpm)

movimientos oscilantes muy lentos

rodamientos inmviles bajo carga durante perodos prolongados

La verificacin de las cargas estticas se realiza mediante el control del factor de seguridad esttica de la aplicacin,

que se define de la siguiente forma:

donde

s0 = factor de seguridad esttica

C0 = capacidad de carga esttica bsica [kN]

P0 = carga esttica equivalente [kN]

La carga mxima que puede actuar sobre un rodamiento se debe utilizar en el momento de calcular la carga esttica

equivalente. Para obtener ms informacin sobre los valores recomendados para el factor de seguridad y cmo

calcularlo, consulte Seleccin del tamao del rodamiento utilizando la capacidad de carga esttica.


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Vida nominal

La vida nominal de un rodamiento segn la normativa ISO 281:2007 es

Realizar clculo

Si la velocidad es constante, es preferible calcular la vida expresada en horas de funcionamiento utilizando la

ecuacin

donde

L10 = vida nominal bsica (con una confiabilidad del 90%) [millones de revoluciones]

L10h = vida nominal SKF (con un 90% de confiabilidad) [horas de funcionamiento]

C = capacidad de carga dinmica, [kN]

P = equivalent dynamic bearing load [kN]

n = velocidad de giro [rpm]

p = exponente de la ecuacin de la vida

= 3 para los rodamientos de bolas

= 10/3 para los rodamientos de rodillos

La tabla 1 proporciona los factores de conversin que se utilizan habitualmente para la vida de los rodamientos en

unidades cuyo funcionamiento no sea de un milln de revolucione


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Carga dinmica equivalente

La informacin en Cargas dinmicas del rodamiento puede utilizarse para calcular la carga del rodamiento F. Cuando

la carga del rodamiento cumple con los requisitos de capacidad de carga dinmica bsica C, es decir, si la carga es

constante en magnitud y sentido, y acta radialmente sobre un rodamiento radial o axialmente y centrada sobre un

rodamiento axial, entonces P = F y la carga se pueden incluir directamente en las ecuaciones de vida.

En todos los dems casos, primero es necesario calcular la carga dinmica equivalente. La carga dinmica

equivalente se define como una carga hipottica, constante en magnitud y sentido, que acta radialmente sobre los

rodamientos radiales y axialmente y centrada sobre los rodamientos axiales. Esta carga hipottica, al ser aplicada,

tendra la misma influencia en la vida del rodamiento que las cargas reales a las que est sometido el rodamiento

(fig. 1).

fig. 1

Los rodamientos radiales con frecuencia estn sometidos a cargas radiales y axiales simultneamente. Si la carga

resultante es constante en magnitud y direccin, la carga dinmica equivalente P se puede calcular con la siguiente

ecuacin general

Realizar clculo

donde

P = carga dinmica equivalente [kN]

Fr = carga radial real del rodamiento [kN]

Fa = carga axial real del rodamiento [kN]

X = factor de carga radial del rodamiento

Y = factor de carga axial del rodamiento

En el caso de los rodamientos radiales de una hilera, una carga axial adicional solo afecta la carga dinmica

equivalente P si la relacin Fa/Fr excede de un determinado factor lmite e. Para los rodamientos de dos hileras,

incluso las pequeas cargas axiales influyen de un modo significativo.

Esta misma ecuacin general tambin se puede aplicar a los rodamientos axiales de rodillos a rtula, capaces de

soportar cargas tanto axiales como radiales. Otros rodamientos axiales, como los rodamientos axiales de bolas, los

rodamientos axiales de rodillos cilndricos y de agujas, pueden soportar cargas axiales puras nicamente. Para estos

rodamientos, siempre que la carga est centrada, la ecuacin puede simplificarse de la siguiente manera:

P = Fa

La informacin y los datos requeridos para calcular la carga dinmica equivalente se ofrece en la seccin de

productos correspondiente.


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Capacidad de carga esttica requerida

Cuando el tamao del rodamiento requerido se determina en base a la capacidad de carga esttica, se emplea un

factor de seguridad s0, que representa la relacin entre la capacidad de carga esttica C0 y la carga esttica

equivalente P0 para calcular la capacidad de carga esttica requerida.

La capacidad de carga esttica bsica requerida C0 puede determinarse a partir de lo siguiente

C0 = s0 P0

donde

C0 = capacidad de carga esttica bsica [kN]

P0 = carga esttica equivalente [kN]

s0 = factor de seguridad esttica

Los valores orientativos para el factor de seguridad esttica s0 basados en la experiencia se enumeran en la tabla 1.

A temperaturas elevadas, la capacidad de carga esttica se reduce. Para ms informacin, contctese con el

Departamento de ingeniera de aplicaciones SKF.

Comprobacin de la capacidad de carga esttica

Para los rodamientos cargados dinmicamente, cuando se conoce la carga esttica equivalente P0, se recomienda

comprobar que la capacidad de carga esttica sea la adecuada usando lo siguiente

Si el valor s0 obtenido es menor que el valor orientativo recomendado (tabla 1), se deber seleccionar un rodamiento

con una mayor capacidad de carga esttica.

Ejemplos de clculo

Ejemplo 1: Vida nominal bsica y vida nominal SKF

Un rodamiento rgido de bolas SKF Explorer 6309 debe funcionar a 3000 rpm bajo una carga radial constante Fr =

10 kN. Se debe usar lubricacin con aceite; el aceite tiene una viscosidad cinemtica real = 20 mm2/s a una

temperatura de funcionamiento normal. La confiabilidad deseada es de 90% y se supone que las condiciones de

funcionamiento son muy limpias. Cul sera la vida nominal bsica y la vida nominal SKF?

a) La vida nominal bsica para una confiabilidad de 90% es

De la tabla de productos para los rodamientos 6309, C = 55,3 kN. Debido a que la carga es puramente radial, P =

Fr = 10 kN ( carga dinmica equivalente). Por lo tanto, en millones de revoluciones


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o en horas de funcionamiento

b) La vida nominal SKF para una confiabilidad de 90% es

Debido a que es necesario contar con una confiabilidad de 90%, se debe calcular la vida L10m y a1 = 1 (tabla 1).

De la tabla de productos para los rodamientos 6309, dm = 0,5 (d + D) = 0,5 (45 + 100) = 72,5 mm

Del diagrama 1, la viscosidad nominal del aceite a una temperatura de funcionamiento para una velocidad de 3000 rpm, 1 = 8,15 mm

2/s. Por lo tanto, = /1 = 20/8,15 = 2,45

De la tabla de productos Pu = 1,34 kN y Pu/P = 1,34/10 = 0,134. Como las condiciones son muy limpias, c = 0,8 (tabla 2) y c (Pu/P) = 0,107. Con = 2,45 y usando la escala SKF Explorer en el diagrama 2, se obtiene el valor

de aSKF = 8. Luego, segn la ecuacin de la vida nominal SKF, en millones de revoluciones

o en horas de funcionamiento utilizando

Ejemplo 2: Control de las condiciones de contaminacin

Se debe revisar la aplicacin existente. Un rodamiento rgido de bolas SKF Explorer 6309-2RS1 con sellado integral y

relleno de grasa estndar funciona bajo las mismas condiciones que se describen en el ejemplo 1 ( = 2,45). Las

condiciones de contaminacin de esta aplicacin se deben controlar para determinar si es posible utilizar un

rodamiento ms rentable que cumpla con el requisito de vida til mnima de 3000 horas de funcionamiento.

Si se tiene en cuenta la lubricacin con garsa y el sello integral, el nivel de contaminacin se puede caracterizar como alta limpieza y de la tabla 2, c = 0,8. Con Pu/P = 0,134, c (Pu/P) = 0,107, utilizando la escala SKF Explorer

en el diagrama 1 y = 2,45, aSKF = 8.

en horas de funcionamiento.

Una disposicin de rodamientos ms rentable usara un rodamiento con placa SKF Explorer 6309-2Z. El nivel de contaminacin se puede caracterizar como limpieza normal; luego, de la tabla 2, c = 0,5. Con Pu/P = 0,134,

c (Pu/P) = 0,067, utilizando la escala SKF Explorer en eldiagrama 2 y = 2,45, aSKF 3,5.

en horas de funcionamiento.

Conclusin: Esta aplicacin se beneficiara de una solucin ms rentable mediante el reemplazo del rodamiento

sellado por un rodamiento con placa de proteccin.


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Ejemplo 3: Verificacin de las condiciones de carga dinmica y esttica

El ciclo de trabajo de un rodamiento de rodillos a rtula sellado SKF Explorer 24026-2CS2/VT143 utilizado en

equipos de transporte de gran porte de una planta siderrgica cuenta con las condiciones de funcionamiento

enumeradas en la tabla 3.

La carga esttica de esta aplicacin se determina con suficiente precisin teniendo en cuenta las cargas de inercia

que actan durante la carga y las cargas de choque que pueden ocurrir si algo se cae accidentalmente.

Es necesario verificar las condiciones de carga dinmica y esttica de esta aplicacin si se supone una vida

til L10mh necesaria de 60.000 horas y un factor de seguridad esttico mnimo de 1,5.

De la tabla de productos y texto introductorio:

Capacidades de carga: C = 540 kN; C0 = 815 kN; Pu = 81,5 kN

Dimensiones: d = 130 mm; D = 200 mm,

por lo tanto, dm = 0,5 (130 + 200) = 165 mm

Llenado de grasa: Grasa de presin extrema con espesante ltico y aceite de base mineral, de clase de consistencia NLGI 2, para una

temperatura de entre 20 y +110C (5 a +230F) y una viscosidad del aceite base a 40 y 100C(105 y

210F) de 200 y 16 mm2/s, respectivamente.

Se realizan los siguientes clculos o se determinan los siguientes valores (tabla 4):

1. 1 = viscosidad nominal [mm2/s] (diagrama 1) entrada: dm y velocidad

2. = viscosidad de funcionamiento real [mm2/s] (diagrama 3) entrada: viscosidad del lubricante a

40C (105F) y temperatura de funcionamiento

3. = relacin de viscosidad calculada (/1)

4. c = factor para el nivel de contaminacin (tabla 2) Limpieza elevada, rodamiento sellado: c = 0,8

5. L10h = vida nominal bsica segn la ecuacin ( Vida nominal bsica) entrada: C, P y n

6. aSKF = del diagrama 4 entrada: rodamiento SKF Explorer, c, Pu, P y

7. L10mh1,2, = vida nominal SKF segn la ecuacin ( vida nominal SKF) entrada: aSKF y L10h1,2

8. L10mh = vida nominal SKF segn la ecuacin ( Clculo de la vida con condiciones de funcionamiento variables)

entrada: L10mh1, L10mh2, y U1, U2,

La vida nominal SKF de 84.300 horas supera la vida til requerida; por lo tanto, se verifican las condiciones de carga

dinmica del rodamiento.

Finalmente, se verifica el factor de seguridad esttico de esta aplicacin utilizando lo siguiente

Lo anterior demuestra que se verifica la seguridad esttica de esta aplicacin. Dado que la carga esttica se

determina de modo preciso, el margen relativamente pequeo entra la seguridad esttica calculada y la

recomendada no es importante.


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Diagrama 1 - Factor a SKF para los rodamientos radiales de bolas


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diagrama 2 - Factor aSKF para rodamientos radiales de bolas

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