Universidad De Oriente Núcleo Anzoátegui Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Departamento de Mecánica
Elaborado por Apáez Andrés C.I:19.673.705 Marcano Juan C.I: 19.499.929 Seccion:21
Profesor: Franco Antonio
Barcelona, 12 de Noviembre de 2012
Índice
..................................................................................................... .......................................................................... .................... 1 Introducción. ............................................... ............................................................................................................ .......................................................................... .................... 2 Objetivos ...................................................... ................................................................................................. .......................................................................... ...................... 3 Marco Teórico .............................................
Cojinete de Deslizamiento.................................................... Deslizamiento .......................................................................................... ...................................... 3
Tipos de Cojinetes de Deslizamiento ............................................................... Deslizamiento ......................................................................... .......... 3
Rodamientos Rodamientos .............................................. ................................................................................................... ................................................................. ............ 4
Tipos de Rodamientos Rodamientos ................................................................................................ ............................................................................ .................... 4
Lubricación en Cojinetes Deslizantes............................................ Deslizantes......................................................................... ............................. 9
Lubricación Hidrodinámica Hidrodinámica .................................................. ........................................................................................ ...................................... 9
Cojinetes Hidrodinámicos Óptimos............................................... Óptimos.......................................................................... ........................... 11
Ecuación de Petrof f .................................................................................................. 12
Consideraciones de Diseño de Cojinetes Cojinetes ................................................ .................................................................. .................. 14
Construcción de Cojinetes Cojinetes ........................................................................................ 15
Materiales para Cojinetes Cojinetes ......................................................................................... .............................................................. ........................... 17
Selección de Rodamientos Rodamientos .................................................... ........................................................................................ .................................... 19
Uso de Catálogos Catálogos ................................................. ..................................................................................................... ...................................................... 19
...................................................................................................... ........................................................................ .................. 21 Conclusiones ................................................ ........................................................................................................ ........................................................................ .................. 22 Bibliografía ..................................................
Introducción Un cojinete en ingeniería es la pieza o conjunto de ellas sobre las cuales se soporta y gira el árbol transmisor de momento giratorio de una máquina. Son esenciales ya que además de sostener y guiar las piezas móviles, reducen al mínimo la fricción y el desgaste, aspectos que se traducen en consumo inadecuado de energía y en la inutilización de la máquina. Su uso se remonta a la antigüedad, se fabricaban de materiales como madera, piedra, cuero o hueso; más tarde se empleó el metal. Pronto se vio que un lubricante disminuiría la fricción y el desgaste y prolongaría la vida útil de este tipo de cojinete. Al principio se utilizaron lubricantes de origen vegetal, animal o marino, tales como sebo de cordero, grasa de cerdo o de pato, aceite de pescado, de castor y de semilla de algodón. En el año 1839 se produjo un adelanto concreto e importantísimo en el perfeccionamiento de los materiales para cojinetes al obtener Babbitt la patente para los Estados Unidos de una aleación especial de metal. Esta aleación, en su mayor parte de estaño, contenía pequeñas cantidades de antimonio, cobre y plomo; con estas materias y otras similares se han logrado cojinetes excelentes. Tienen una apariencia plateada y son conocidos generalmente por metales blancos o metales babbitt. Durante muchas décadas han servido de pauta y comparación para establecer la calidad de otros materiales para cojinetes. Alrededor de 1930 empezaron a realizarse algunos progresos importantes en el campo de los metales para antifricción. En un solo cojinete se combinan hoy distintas composiciones que constituyen algunos de los sistemas más logrados. Este paso viene determinado por la teoría de la fricción, ampliamente aceptada, que dice que la sustancia ideal para cojinetes debe tener cierta dureza y resistencia, pero también una superficie blanda fácilmente deformable. A continuación se presentan principios básicos sobre el diseño de cojinetes tales como: tipos de cojinetes de rodamiento, finalidad y uso adecuado de un lubricante, variables que intervienen en el diseño entre otros.
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Objetivos Objetivo General:
Desarrollar principios teóricos sobre el diseño de cojinetes
Objetivos Específicos:
Definir los distintos tipos de cojinetes de deslizamiento Determinar la finalidad de un lubricante de cojinetes des deslizamiento. Explicar el funcionamiento correcto de la lubricación hidrodinámica Formular la ecuación de Petroff y número de Sommerfield a partir de ecuaciones ya estudiadas. Evaluar las variables que intervienen en el diseño, construcción y materiales a usar en la elaboración de cojinetes. Presentar los factores intervinientes en la selección de un rodamiento Estudiar el uso de catálogos para el diseño y selección de cojinetes Incluir algunos ejemplos de aplicación al tema.
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Marco Teórico Cojinete de Deslizamiento: Un cojinete de deslizamiento es un cojinete en el que dos casquillos tienen un movimiento en contacto directo, realizándose un deslizamiento con fricción, buscando que esta sea la menor posible. La reducción del rozamiento se realiza según la selección de materiales, y lubricantes. Los lubricantes tienen la función de crear una película lubricante que separe los dos materiales, evitando el contacto directo. Al tocarse las dos partes, que es uno de los casos de uso más solicitados de los cojinetes de deslizamiento, el desgaste en las superficies de contacto limita la vida útil. La generación de la película lubricante que separa por una lubricación completa requiere un esfuerzo adicional para elevar la presión, y que se usa sólo en máquinas de gran tamaño para grandes cojinetes de deslizamiento. La resistencia al deslizamiento provoca la conversión de parte de la energía cinética en calor, que desemboca en las partes que sostienen los casquillos del cojinete.
Figura 1.1: Cojinete de deslizamiento Tipos de Cojinetes de Deslizamiento. Un cojinete de deslizamiento se compone de dos partes principales:
el muñón o gorrón: es la pieza cilíndrica soportada interior, generalmente un elemento giratorio u oscilante. El cojinete: es el mango que le rodea este puede ser estacionario o inmóvil como en el caso de un cojinete para árbol de transmisión o puede ser móvil como en el caso de un cigüeñal.
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Una base para la clasificación depende de si la superficie de apoyo rodea completamente el muñón, y en este caso pertenece a la clase de cojinete completo . O solo le rodea parcialmente, clase de cojinete parcial . Se puede utilizar un tipo sencillo de cojinete parcial cuando la carga esta soportada en la parte superior del muñón y este esta sumergido en un vaso colector de aceite en el fondo. Cuando la línea de acción de la carga bisecta el arco de un cojinete parcial se dice que este esta cargado centralmente , cuando el vector ntr icamente. no pasa por el centro se dice que el cojinete esta car gado excé Los cojinetes de deslizamiento se pueden clasificar también como:
Cojinetes holgados el diámetro del cojinete es mayor que el diámetro del muñón. La diferencia entre dichos diámetros se llama huelgo o juego diametral. Cd El huelgo o juego radial Cr= Cd/2 es la diferencia entre los radios del cojinete y del muñon. La relación o cociente entre el huelgo diametral y el diámetro del muñón Cd/D, que es igual a Cr/r, siendo r el radio del muñon, se llama relación de juego o de huelgo. Un cojinete ajustado es aquel en el cual los radios del muñón y el cojinete son iguales. Por consiguiente un cojinete de esta clase es necesariamente de apoyo parcial en tanto que los cojinetes holgados pueden ser de apoyo total o parcial.
Rodamientos: es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento. Tipos de rodamientos
Rodamiento de una hilera de bolas y ranura profunda A veces se le llama rodamiento Conrad a este tipo de rodamientos. y tiene las características que imaginan la mayoría delas personas al escuchar el término rodamiento de bolas (figura 2). La pista interior entra en el eje casi siempre con presión en el asiento del rodamiento. con un ajuste de interferencia pequeña. para asegurar que gire con el eje. Los elementos rodantes esféricos, o bolas. medan en una ranura profunda. tanto en la pista interior como en la exterior. Se mantienen las distancias entre las bolas con los retenes o "jaulas". Si bien están diseñadas principalmente para tener capacidad de carga radial. la ranura profunda permite soportar una carga de empuje bastante apreciable. La carga de empuje se aplicaría a un lado de la pista interior, mediante un hombro en el eje. 4
Esa carga pasaría por el lado de la ranura, a la bola, al lado opuesto de la pista externa, y por último a la caja. El radio de la bola es un poco menor que el radio de la ranura, para permitir la rodadura libre de las bolas. El contacto entre una bola y la pista se da en ese punto. teóricamente. pero en realidad es un área pequeña circular, por la deformación de los elementos. Ya que la carga se soporta sobre una área pequeña. se presentan esfuerzos de contacto locales muy altos. Para incrementar la capacidad de un rodamiento de una sola hilera, debería usarse un rodamiento con mayor número de bolas, o bolas mayores que trabajen en pistas de mayor diámetro.
Rodamiento con doble hilera de bolas y ranura profunda Si se agrega una segunda hilera de bolas (figura 2) se incrementa la capacidad de carga radial de estos rodamientos. Porque hay más bolas que comparten la carga. En comparación con los de una sola hilera de bolas. Así, se puede soportar una carga mayor en el mismo espacio, o determinada carga puede ser soportada en un espacio menor. El mayor ancho de los cojinetes con doble hilera de bolas suelen afectar de forma adversa la capacidad de desalineamiento
Figura 1.2: rodamiento de bolas de doble hilera y ranura profunda
Rodamiento de bolas con contacto angular Un lado de cada pista, en un rodamiento de contacto angular, es mas alto. Para permitir la adaptación a mayores cargas de empuje en comparación con los rodamientos normales con una hilera de bolas y ranura profunda. El esquema de la figura 14-3 muestra el ángulo preferido de la fuerza resultante (carga radial y de empuje combinada), y los rodamientos comerciales tienen ángulos dc 15° a 4-0°. 5
Figura 1.3: rodamiento de bolas de contacto angular
Rodamiento de rodillos cilíndricos s i se remplazan las bolas esféricas por rodillos cilíndricos (figura 4). con los cambio; Correspondientes en el diseño de las pistas, se obtiene una mayor capacidad de carga radial. el patrón de contacto entre un rodillo y su pista es. Teóricamente, y se convierte en una forma rectangular a medida que los miembros se deforman bajo la carga. Los valores resultantes del esfuerzo de contacto Son menores que en rodamientos de bolas de igual tamaño, lo cual permite que los rodamientos más pequeños puedan soportar determinada carga, o un rodamiento de determinado tamaño puede soportar mayor carga. La capacidad de carga de empuje es mala, porque cualquiera carga de empuje se aplicaría al costado de los rodillos, lo cual causa fricción y no movimiento verdadero de rodadura. Se recomienda no aplicar carga de empuje. Los rodamientos de rodillos son bastante anchos, por lo común, y en consecuencia tienen poca capacidad de adaptarse a los desalineamientos angulares.
Figura 1.4: rodamiento de rodillos cilíndricos 6
Rodamientos de agujas Los rodamientos de agujas (figura 5) son en realidad rodamientos de rodillos. Pero sus rodillos tienen mucho menor diámetro. Como se puede ver al comparar las Figuras 4 Y 5 En el caso típico, se requiere un espacio radial menor, para que los rodamientos de agujas soporten determinada carga, que en cualquier otro tipo de Cojinete con contacto de rodadura. Eso facilita el diseño de su incorporación en muchos tipos de equipos y componentes, tales como bombas juntas universales, instrumentos de precisión y electrodomésticos. El seguidor de leva de la figura 4-5(b) es otro ejemplo donde la operación antifricción de los rodamientos de agujas se puede incorporar, y se requiere poco espacio radial. Como con otros rodamientos de rodillos las capacidades de empuje y desalineamiento son malas.
Figura 1.5: rodamiento de agujas
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Rodamientos de rodillos esféricos El rodamiento de rodillos esférico: (figura 6) es una forma de cojinete autoalineante, llamado así porque existe una rotación real de la pista exterior en relación con los rodillos y con la pista interior, cuando existen desalineamientos angulares. Esto causa la excelente ca1ificacion de capacidad de desalineamìento, y al
mismo tiempo se conservan, en forma virtual, las mismas calificaciones por la capacidad de carga radial.
Figura 1.6: rodamiento de rodillos a rotula Rodamientos de rodillos cónicos Los rodamientos de rodillos cónicos (figura 7) están diseñados para formar cargas apreciables de empuje y también grandes cargas radiales, lo que redunda en excelentes calificaciones para ambas. Con frecuencia se usan en rodamientos de rueda de vehículos y equipos móviles, y en maquinaria pesada con grandes cargas inherentes de empuje. La sección 14-2 contiene información adicional acerca de su aplicación
Figura 1.7: rodamiento de rodillos cónicos
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Lubricación en Cojinetes Deslizantes La finalidad de un lubricante: 1. Proporciona una película de lubricante entre las superficies deslizantes y de rodamiento. 2. Ayuda a distribuir y disipar el calor. 3. Previene la corrosión de las superficies del cojinete 4. Protege las partes de la entrada de materia extraña Los cojinetes de deslizamiento usualmente se lubrican con grasa o con aceite. En las temperaturas de ambiente normales (aprox. 70ºF y 20ºC) y a velocidades relativamente bajas (menores que 500rpm), la grasa es satisfactoria. A mayores velocidades o mayores temperaturas ambiente, se requiere lubricación con aceite, aplicado en un flujo continuo y quizá con enfriamiento externo del aceite. Los aceites que se usan para lubricar rodamientos suelen ser aceites minerales limpios y estables. Bajo cargas ligeras y velocidades bajas, se usa aceite ligero. Las cargas mayores y las altas velocidades requieren aceites mas pesados hasta el SAE 30. Un limite superior remendado para la temperatura del lubricante es de 160ºF (70ºC). La elección del aceite ol a grasa correctos depende de muchos factores, y entonces se debe convenir cada aplicación con el fabricante del rodamiento. Las grasas que se usan en los rodamientos son mezclas de aceites lubricante con agente espesadores, que en general son jabones, por ejemplo de litio o de bario. Estos actúan como portadores del aceite, el cual es expulsado en el punto de necesidad dentro del rodamiento. A veces se agregan aditivos para resistir la corrosión u oxidación del aceite mismo.
Lubricación Hidrodinámica, significa que las superficies de soporte de carga del cojinete se encuentran separadas por una película de lubricante relativamente gruesa, para prevenir el contacto de metal con metal y que la estabilidad que se obtiene de esta manera pueda explicarse mediante las leyes de la mecánica de los fluidos. La lubricación hidrodinámica no depende de la introducción del lubricante a presión, aunque puede ocurrir, sino de la existencia de un suministro adecuado todo el tiempo. La presión de la película 9
es creada por la propia superficie en movimiento al jalar el lubricante hacia una zona cuneiforme a una velocidad lo suficientemente alta como para crear la presión necesaria, a fin de separar las superficies contra la carga en el cojinete. La lubricación hidrodinámica también se conoce como película completa o fluida. El requisito fundamental para que esto ocurra es que el lubricante entre el cojinete por un canal convergente. Figura 2.1
Como se deduce de la curva DEF, la presión aumenta desde la atmosférica o ambiente hasta un máximo en E. que tiene lugar algo mas cerca de la sección D que de la sección F. La distribución de velocidad debe ser tal que se cumpla la continuidad de la ley de masa. El gradiente de velocidad no es constante; el fluido esta sometido a presión. Consideremos un muñón con carga W descansando en su cojinete con contacto metal a metal, y el espacio de holgura o juego lleno de aceite (fig 2.2.a) Cuando el muñón comienza a girar en el sentido de las agujas del reloj, primero hay frotamiento de metal sobre metal, y el muño asciende hacia la parte superior derecha (fig 2.2.b). Puesto que el aceite se adhiere a la superficie del muñón, con la rotación es arrastrada una película de aceite entre las superficies después de lo cual el muñón se mueve hacia la izquierda del centro del cojinete O’; esta es la posición de desequilibrio fig ( 2.2.c) el canal constituido en forma de cuña es el requerido por la teoría hidrodinámica. La presión aumentara hasta que no haya contacto entre metal y metal (si el cojinete hidrodinámico ha sido correctamente proyectado). El espesor mínimo 10
de la película de aceite se designa por ho. Una consideración algo intuitiva sugiere que cuanto mas rápidamente gire el muñón, mayor es la cantidad de aceite que pasa a través del área que soporta la carga y mayor es h; cuanto mayor es la viscosidad mayor es h; cuanto mayor es la presión menor es h.
Cojinetes Hidrodinámicos Óptimos Entre las innumerables soluciones que se pueden hallar para un trabajo de proyecto kingsbury demostró que para un arco de apoyo β particular hay una determinada razón de excentricidad е que da la máxima capacidad de carga y otra razón de excentricidad que da la minima perdida de energía por rozamiento. Los cojinetes correspondientes se llaman cojinetes óptimos. Especialmente en cojinetes sometidos a cargas pesadas o grandes perdidas por rozamiento, el proyectista debe procurar tender a conseguir las condiciones optimas estas están tabuladas.
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Ecuación de Petroff La fricción en los cojinetes fue modelada y explicada por el ingeniero y científico Petroff asumiendo que un árbol o eje es concéntrico con en buje o cojinete. La relación matemática de Petroff en sí no es usada con mucha frecuencia, pero su importancia radica en que esta expresión sirve para definir importantes parámetros adimensionales y suele predecir coeficientes de fricción con alta exactitud hasta cuando trabajamos con árboles concéntricos. Una aproximación a esta situación la vemos en la siguiente figura:
Figura 3: Eje concéntrico a cojinetes completando una de sus revoluciones Si consideramos un árbol vertical que gira en un cojinete guía. Se supone que el cojinete soporta una carga muy pequeña, que el espacio de holgura se encuentra por completo lleno de aceite y que las fugas son despreciables. El radio del árbol se denota por r , la holgura radial por c y la longitud del cojinete por l, y todas las dimensiones están en pulgadas. Si el árbol gira a N rps, entonces su velocidad en la superficie es U= 2πr N pulg/s. Como el esfuerzo cortante en el lubricante es igual al gradiente de la velocidad por la viscosidad se deduce que
Ec. I Donde la holgura radial c se sustituyo por la distancia h. la fuerza que se requiere para cortar la película es el esfuerzo por el área. El par de torsión corresponde a la fuerza por el brazo de palanca r. quedando: 12
( ) Ec. II Si ahora se designa una fuerza pequeña en el cojinete por W, en libras fuerzas entonces la presión P, en libras fuerza por pulgada cuadrada de área proyectada, es P= W/2rl. La fuerza de fricción se denota por f W, donde f representa el coeficiente de fricción, por lo cual el par de torsión friccional se determina mediante la siguiente ecuación:
Ec. III Si sustituimos el valor del par de torsión de la ecuación III en la ecuación II y despejamos, obtenemos para el coeficiente de fricción la siguiente expresión:
Esta expresión se llama ecuación de Petroff y se publico por primera vez en 1883. Consideremos las siguientes dos cantidades:
Parámetro 1:
Parámetro 2
Ambos parámetros están presentes en la ecuación de Petroff, son adimensionales y representan cantidades importantes en el análisis de problemas de lubricación. Uno de los parámetros más importantes es el número de Sommerfeld , también conocido como número característico de cojinete que es dado por la expresión:
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Este parámetro adimensional es importante para los problemas de lubricación debido a que muchos de sus parámetros son cantidades especificadas por los diseñadores mecánicos. Otra de las cantidades a analizar sería la razón entre el radio y la holgura que es conocida como relación de holgura radial. Si multiplicamos ambos lados de la ecuación de Petroff y la ecuación de Sommerfeld, obtendríamos:
Esta última relación es igual de útil e interesante que las expresiones anteriores. Consideraciones de diseño de cojinetes Se puede distinguir entre grupos de variables en el diseño de cojinetes deslizantes. En el primer grupo se encuentran aquellas cuyos valores se dan o están bajo el control del diseñador, estas son: 1. 2. 3. 4.
La viscosidad µ La carga por unidad de área proyectada de cojinete P La velocidad N Las dimensiones del cojinete r,c,β y l
De estas cuatro variables, por lo general el diseñador no tiene control sobre la velocidad, ya que se especifica mediante el diseño global de la maquina. Algunas veces la viscosidad se determina de antemano, como por ejemplo, cuando el aceite se almacena en un colector y se usa para lubricar y enfriar una variedad de cojinetes. Las variables restantes, y en ocasiones la viscosidad, las controla el diseñador y, por lo tanto, son decisiones que toma. En otras palabras, cuando se han tomado las cuatro decisiones, el diseño esta completo. En el segundo grupo se encuentran las variables dependientes, El diseñador no puede controlarlas excepto de manera indirecta al cambiar una o más del 14
primer grupo, estas son: 1. 2. 3. 4.
El coeficiente de fricción f El incremento de la temperatura ΔT El flujo de aceite Q El espesor mínimo de la películas ho
En el grupo anterior de variables expresa lo bien que funciona el cojinete, de aquí que se consideren como factores de desempeño. El diseñador debe imponer ciertas limitaciones a sus valores para asegurar un desempeño satisfactorio, las cuales se especifican mediante las características de los materiales de los cojinetes y del lubricante. Por lo tanto, el problema fundamental en el diseño de cojinetes consiste en definir límites satisfactorios para el segundo grupo de variables y luego decidir los valores para el primer grupo de tal forma que no se excedan las limitaciones mencionadas.
Construcción de cojinetes Se han hecho experimentos acerca de la cantidad de aceite que un aro suministrara al cojinete, y el cojinete se puede proyectar de modo que este abundantemente regado de aceite. Obsérvese que la mitad inferior del cojinete con aro de engrase, posiblemente la parte que soporta la carga, puede no tener discontinuidad, pero que un cojinete de collar (fig 4.1) tiene que estar dividido necesariamente en dos partes.
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Cuando la carga actúa sobre la parte superior de un muñón, debe ser posible que el eje quede sumergido en un pozo de aceite, o bien que este en contacto con una mecha o hilazas de algodón empapadas en aceite, como en algunos cojinetes de ruedas de ferrocarril. En mecanismos de movimiento alternativo u otros con conexiones móviles, se pueden lubricar los cojinetes por salpicadura, procedimiento en el cual un miembro móvil salpica aceite de un colector o sumidero. Entre los sistemas que son o pueden ser de lubricación limite se incluyen los siguientes: cazoletas de aceite y grasa, dispositivos de alimentación por goteo y alimentación por mecha (por acción capilar). Como seguridad contra una discontinuidad de la superficie en la región que soporta la carga, la línea de acción de la carga resultante debe caer dentro de un ángulo de 60º, por ejemplo, en el centro de una de las mitades del cojinete; a este respecto pueden ser favorables las cajas de cojinete con línea de partición inclinada, como en la (fig 4.2). En cojinetes pequeños con casquillo de una pieza entrado a presión, se debe prever la disminución del diámetro del cojinete al ser calado, o bien para que tenga el diámetro correcto el casquillo debe ser acabado después de colocado en su sitio.
Son innumerables las maneras de fabricar cojinetes, pero una característica frecuente, especialmente en los cojinetes grandes, es la muesca en V en la partición o el abocardado ensanchamiento, como se ve en la figura (4.3) este espacio vaciado situado delante de la sección en que el aceite llega a la superficie que soporta la carga es muy adecuado para la entrada del lubricante, y a veces la mayor parte de este se deposita en el lado opuesto y sale por el. Si el cojinete esta alimentado a presión, las superficies rebajadas deben terminar cerca de los extremos de los cojinetes a fin de evitar que el flujo lateral de aceite sea excesivo antes de que llegue el área cargada. 16
Las ranuras en el área que soporta la carga de un cojinete suelen estar justificadas para la lubricación de película delgada, pero, excepto, la ranura circunferencial, en un cojinete hidrodinámico no se deben emplear. Las barras recubiertas o enfundadas en bronces (es decir, el material del cojinete esta sobre el muñón). Constituyen un adelanto interesante; si es aplicable, esta disposición permite disponer de cojinetes mucho más duraderos debido a que el desgaste no esta concentrado sobre un área pequeña del material mas blando que soporta la carga.
Materiales para Cojinetes: Las partes que se consideran ventajosas para materiales incluyen deformabilidad (bajo modulo de elasticidad, lo que implica mayor deformación por unidad de carga), compatibilidad (en la que esta incluida la propiedad antisoldante con respecto al acero y la resistencia al rayado), incrustabilidad o penetrabilidad ( blandura suficiente para permitir que las partículas extrañas demasiado grandes para atravesar la película mínima penetren en la superficie y sean eliminadas de la película de aceite sin rayaduras ni desgaste), baja resistencia a la cizalladura (aptitud para ser fácilmente alisada), resistencia a la compresión y a la fatiga (capacidad para soportar la máxima presión hidrodinámica y resistir la fractura frágil con carga repetida, cualquiera que sea la temperatura de funcionamiento), resistencia a la corrosión, buena conductancia térmica , casi el mismo coeficiente de dilatación térmica que el material de la caja y del muñon y, como siempre bajo coste. Los materiales que mas se usan son los antifricción (babbitt) y las aleaciones de cobre, los metales babbitts o antifricción tienen base de estaño o de plomo, 17
dependiendo del metal que predomine en la aleación. Son relativamente débiles en todas las formas y pierden resistencia rápidamente cuando aumenta la temperatura, por lo que se usan cada vez mas en una capa delgada (menos de 0,10 cm hasta 0,005cm) sobre base de acero. Por su baja resistencia a la fatiga no son satisfactorios cuando la carga es grande y variable, si bien en algunos casos las capas muy delgadas suelen resistir bastante. La capacidad normal de carga con un espesor de 0,040 cm (lubricación de película gruesa) es aproximadamente 105 kg/ .
Las aleaciones de cobre utilizadas para cojinetes son generalmente bronces, que son mucho mas fuertes y mas duros que los metales antifricción. Una aleación cobre-plomo, 20-50% plomo, en una capa de 0,076 cm de espesor aproximadamente, tiene una buena resistencia a la fatiga; la capacidad normal de carga es aproximadamente 210 kg/ . Los bronces de estaño tienen una capacidad normal de carga de 350 kg/
Los cojinetes de plata para servicio pesado se fabrican depositando una capa de 0,050 a 0,076 cm de plata sobre acero, y luego una capa de plomo de 0,0025 a 0,0076 cm; después se deposita electrolíticamente un 4-5% de indio que se difunde térmicamente en la capa de plomo. Un cojinete de hierro fundido con un muñón de acero endurecido resulta una combinación excelente en cuanto al desgaste y al rozamiento, si existe lubricación de película delgada. Sin embargo el hierro fundido no posee incrustabilidad ni las otras propiedades de un material blando que usualmente pesan mas que su bajo coste. Las aleaciones de aluminio han resultado favorables para los cojinetes en los motores de combustión interna y otras aplicaciones a causa de sus favorables propiedades de buena resistencia, conductividad, resistencia a la corrosión y bajo coste; pero la superficie de apoyo del muñón debe estar endurecida. Para mejorar la incrustabilidad se puede emplear una capa delgada de material antifricción. Los materiales elastómeros, tales como el caucho, sirven excelentemente con agua como lubricante y se emplean mucho para ejes de hélices de buques, turbinas hidráulicas, dragas hidráulicas, bombas, etc. El caucho blando deja 18
pasar la arena y el cascajo sin rayar el material. También se utilizan otros muchos materiales para cojinetes con o sin lubricación pro aceite o agua incluyendo la madera ( de palo santo y roble impregnado en aceite), los plásticos (nylon, teflón, resinas fenólicas), y materiales cerámicos (especialmente en aplicaciones de temperaturas extraordinariamente elevadas).
Selección de Rodamientos Se fabrican rodamientos en una gran variedad de tipos, formas y dimensiones. Cada tipo de rodamiento presenta propiedades y características que dependen de su diseño y que lo hacen más o menos adecuado para una determinada aplicación. La consideración más importante en la selección de un rodamiento es escoger aquel que permita a la máquina o mecanismo en la cual se instala, un funcionamiento satisfactorio. Para facilitar el proceso de selección y lograr la determinación del rodamiento más apropiado para una tarea, se deben considerar diversos factores y contrastarlos entre sí: 1. Espacio disponible. 2. Magnitud, dirección y sentido de la carga. 3. Desalineación. 4. Velocidad. 5. Nivel de ruido. 6. Rigidez. 7. Montaje y desmontaje.
Uso de catálogos En el proceso general de diseño de los rodamientos, deben considerarse una gran cantidad de factores, tales como rozamiento, transferencia de calor, fatiga de los materiales, resistencia a la corrosión, propiedades de los materiales, forma y tipo de lubricación, tolerancia, velocidades de funcionamiento, tipos de montaje, uso y costo.
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Debido a la complejidad de su diseño ya que poseen un alto grado de normalización, el verdadero problema que se presenta en los rodamientos es su selección; para lo cual no deben establecerse reglas rígidas, pues deben considerarse y ponderarse una gran variedad de factores dados por los fabricantes y que varían para cada tipo de rodamiento.
Composición de un catálogo: basándose en el catalogo de rodamientos FAG WL 41 520/3 SB. (1999)
Este catalogo posee una sección de “Diseño de disposiciones de rodamientos”, los diseñadores encuentran, en orden práctico, los datos necesarios para diseñar disposiciones de rodamientos fiables y económicas. Incluye información aplicable a todos los tipos de rodamientos, por ejemplo, en dimensionado, datos de rodamientos, partes adyacentes, lubricación y mantenimiento, montaje y desmontaje. También tiene una sección de "Programa FAG de rodamientos estandarizados”, pueden encontrarse detalles y explicaciones de tipos específicos en las páginas precedentes a las tablas de rodamientos individuales. Las tablas de rodamientos de la segunda Sección indican dimensiones, medidas auxiliares, capacidades de carga, índices de velocidad y otros datos técnicos relevantes de los tipos de rodamientos. En otra Sección, se introducen los Programas industriales FAG. Están adaptados a necesidades específicas de maquinaria e instalaciones. Los programas industriales contienen rodamientos estándar así como tipos y diseños especiales de rodamientos. Además presenta un soporte técnico que permite ayudar en la selección de los rodamientos y soportes adecuados. Le podrán proveer de las publicaciones técnicas mencionadas en el catálogo. Estas dan detalles de asuntos generales respecto a tecnología de rodamientos como montaje y desmontaje, lubricación y mantenimiento, cálculo de vida, etc., y de temas específicos que no pueden tratarse en el catálogo.
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Conclusiones
Los cojinetes
son diseñados para permitir el giro relativo entre dos
piezas y soportar cargas ya sean axiales, radiales o combinadas por lo que existen en gran variedad, cada tipos presenta propiedades y características especificas, conforme a la aplicación que de le dará.
Los rodamientos se fabrican dada su amplia variedad, en dimensiones estándar de diámetro exterior, interior y ancho así como también con tolerancias estandarizadas, rigiéndose por normas internacionales que permiten su intercambiabilidad.
Debido a la complejidad de su diseño ya que poseen un alto grado de normalización, el verdadero problema que se presenta en los rodamientos es su selección; para lo cual no deben establecerse reglas rígidas, pues deben considerarse y ponderarse una gran variedad de factores dados por los fabricantes y que varían para cada tipo de rodamiento.
En cuanto a la lubricación es necesario reconocer su importancia ya que el uso del lubricante correcto y en la cantidad adecuada ofrece ventajas tales como reducir el desgaste de las piezas, facilitar el movimiento, menor costo en el mantenimiento de la máquina, ahorro de energía, entre otras, de manera que el costo del mismo es insignificante con los beneficios que brinda.
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Bibliografía
Budynass, R., Nisbett, K. (2007). Diseño en Ingeniería mecánica de Shigley Editorial Mc Graw Hill, Octava Edición Faires, V. (1992). Diseño de Elemento de Maquinas. Editorial Montaner y Simon S.A Cuarta Edición. Mott, R. (1995). Diseño de Elementos de Maquinas, Editorial Pretice Hall, Dayton. Segunda Edición. Lubricación de Cojinetes En línea: http://es.scribd.com/doc/49884795/17/Lubricacion-de-cojinetes Rodamientos FAG. Catalogo WL 41 520/3 SB. 1999
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