COJINETES DE DESLIZAMIENTO

Son elementos de mquina construidos en forma de casquillos o bujes de un metal o aleacin diferente a la del rbol o eje, seleccionado de tal manera que presente un coeficiente de rozamiento (f) lo ms bajo posible. En algunos casos es posible agregar un lubricante, de forma tal que el elemento mvil se desplace sobre una pelcula de dicho material, evitndose as que las superficies entren en contacto.Los cojinetes de deslizamiento tienen muchas aplicaciones debido a la gran gama de condiciones de cargas y temperaturas bajo las cuales pueden trabajar. Por lo tanto cada diseo requiere que sea estudiado con detenimiento, quedando pocas posibilidades para las generalizaciones.

TIPOS DE GORRONES Y DE PIVOTE.

Gorrones o MuonesSon parte de los rboles o ejes mediante los cuales estos descansan sobre la pieza que le sirven de sostn. Las clasificaciones ms comunes son: Gorrones Radiales (llamados tambin muones o golletes) Gorrones Axiales (llamados tambin Pivotes)

Gorrones RadialesUn gorrn es radial cuando la carga a la cual est sometida es normal eje del rbol. Se procura dar al gorrn una superficie perfectamente lisa con el objetivo de disminuir las perdidas por rozamiento (entre el gorrn y la polea, Rueda, etc) que gira sobre l, o inversamente segn sea el caso, rbol fijo y pieza o apoyo mvil o eje mvil y apoyo fijo.

Tipos de Gorrones: Gorrn Frontal: Un extremo del eje o rbol esta torneado a un dimetro y a una longitud L. Gorrn Frontal Con Collar: Difiere del anterior porque presentan en el extremo un collar.

Gorrn Frontal Hueco: semejante a los anteriores pero con un hueco cilndrico de dimetro L.

Gorrn Intermedio.

Gorrn Intermedio de Anillo. Gorrn Intermedio de Anillo. Gorrn con Anillo Soldado.

Gorrn Esfrico.

NOCIONES SOBRE SU CLCULO

Gorrn frontal:

En esta expresin se tienen dos incgnitas

TIPOS DE COJINETES DE DESLIZAMIENTOS.

SEGN SU LUBRICACION

COJINETES CON LUBRICACIN LMITE: Existe un contacto real entre las superficies slidas de la pieza mvil y la pieza estacionaria, aunque presente una capa de lubricante.

COJINETES CON LUBRICACIN HIDRODINMICA: La pieza mvil y la pieza estacionaria del sistema estn separadas por una pelcula completa de lubricante que soporta a la carga. SEGN MATERIAL DE FABRICACIN

COJINETES DE MATERIALES METLICOSEn este grupo tenemos los cojinetes fabricados de: Bronces colados (En nombre de bronce se aplica a varias aleaciones de cobre con estao, plomo, zinc o aluminio, solos o en combinacin. Ejemplos: Bronce al plomo, bronce colado SAE CA932, Bronces al estao y bronces al aluminio), Babbitt (Pueden ser a base de plomo o a base de estao: nominalmente tienen 80% del metal principal), Aluminio y Zinc.

COJINETES DE MATERIALES SINTERIZADOS

Tambin llamados autolubricantes, son obtenidos por sinterizacin (compresin de metales, generalmente bronce, en polvo a elevada temperatura), los cuales dejan una alta porosidad en el material (porosidades entre 15 y 35% en volumen).Los poros contienen lubricante que, bajo el efecto centrfugo del movimiento, es aspirado y formado en un cojn de aceite. Al paro, el lubricante reanuda su lugar por capilaridad.

COJINETES COMPUESTOSEllos pueden funcionar tanto secos como con un ligero engrase al montaje bajo velocidades perifricas inferiores a 3m/s. Estn constituidos por 3 capas diferentes. La base es una chapa de acero cubierta de una capa de bronce sinterizado. La superficie que frota puede ser en resina acetal (POM) o en Politetrofluoretileno (PTFE) con adicin de un lubricante slido: plomo, grafito, bisulfuro de molibdeno MoS2

COJINETES PLSTICOS O POLIMRICOS (NYLON, PTFE, ACETAL)Son utilizados sobre todo, cuando es necesario tener una gran resistencia qumica (cidos, bases). Inconvenientes: baja resistencia que limita su capacidad de carga y un escaso coeficiente de conductividad trmica que impiden una buena evacuacin de las caloras.PTFE PolitetrafluoruroetilenoPA PoliamidasPPS Sulfuro de polifenilenoPVDF Fluoruro de polivinilidenoPEEK PolieteretercetonaPEI PolieterimidaPES Polietersulfona

MATERIALES PARA CASQUILLOS

El casquillo, buje o concha es la parte del cojinete que posee la superficie de deslizamiento o antifriccin y se construye con un material de bajo coeficiente de rozamiento.Entre las caractersticas que debe tener un buen material antifriccin tenemos las siguientes: Resistencia a la compresin, fatiga, rayado y corrosin. Soportar altas temperaturas de trabajo. Capacidad para dejarse alisar en grado sumo. Permitir la operacin bajo condiciones crticas. Debe ser buen conductor del calor. Su dilatacin trmica debe ser baja. Debe poseer un alto poder de adherencia

Ningn material rene por s solo estas cualidades y es por lo que se recurre a aleaciones.El material ms corrientemente empleado es el bronce, aleacin de cobre y estao, si bien hay otros metales que se usan como cojinetes, unos utilizan como base el estao y otros el plomo. Se caracterizan porque se ruedan muy pronto dando superficies muy lisas.Hoy algunos plsticos como el tefln estn siendo utilizados con xito.

CLASES DE LUBRICACIN

Dependiendo de la forma como el lubricante llega a las superficies sometidas a friccin y del espesor de la pelcula que este forma, podemos distinguir cinco (5) tipos diferentes de lubricacin: Lubricacin Hidrodinmica. Lubricacin Lmite. Lubricacin Hidrosttica. Lubricacin Elastohidrodinmica. Lubricacin por pelcula slida.

LUBRICACION HIDRODINAMICALlamada tambin lubricacin de pelcula gruesa o de pelcula fluida, se logra cuando el lubricante forma una capa lo suficientemente gruesa para evitar el contacto metal-metal, con esto se reduce el rozamiento, logrndose un desgaste mnimo. Para lograr una lubricacin hidrodinmica es necesario que el abastecimiento de lubricante sea copioso en todo momento, aunque esto no implica la inyeccin a presin del mismo. Este tipo de lubricacin puede ser explicada basndose en las Leyes de los fluidos viscosos.

LUBRICACION LMITELlamada tambin lubricacin de pelcula delgada, se origina cuando el espesor de la pelcula de lubricante se reduce por cualquier circunstancia, como puede ser un aumento de la temperatura del fluido, producindose un contacto parcial metal-metal entre las dos superficies. En este caso la situacin no puede ser explicada por los principios Hidrodinmicos y se dice que el cojinete trabaja bajo condiciones de lubricacin lmite.

LUBRICACION HIDROSTATICASe logra inyectando el lubricante, que puede ser agua o aire, a una presin elevada, de tal forma que se produce una capa relativamente gruesa de lubricante, que separa las reas en movimiento relativo, aunque dicho movimiento puede no ser necesario. Este tipo de lubricacin se aplica cuando las velocidades son relativamente bajas con requerimiento de rozamiento mnimo.

LUBRICACION ELASTOHIDRODINAMICAEs el fenmeno que ocurre cuando se introduce un lubricante entre superficies que estn en contacto rodante, como sucede en los rodamientos y engranajes. La explicacin de tal fenmeno puede hacerse basndose en la teora de Hertz del esfuerzo de contacto y en la mecnica de fluidos.

LUBRICACION DE PELICULA SOLIDACuando los cojinetes simples o deslizantes operan a temperaturas extremas debe usarse un lubricante slido, como el grafito o el disulfuro de molibdeno, ya que los aceites de origen mineral no dan resultados satisfactorios.

VALORES DE EXPERIENCIA PARA COJINETES DE DESLIZAMIENTO.

COJINETES RADIALES

LUBRICANTESUn lubricante es una sustancia que tiene por funcin reducir la friccin y consecuente desgaste entre superficie en deslizamiento relativo. Generalmente los lubricantes son lquidos pero tambin pueden ser slidos y gases. A continuacin se indican algunos ejemplos: Lquidos

Aceites minerales Esteres lquidos Fluidos silicnicos

Slidos

Politetrafluoruetileno grasas con aditivos (para los rodamientos) grasas de grafito polvos de molibdeno y grafito (Ejemplo molikote)

Gases

aire (por ejemplo para cojinetes de gas en turbinas)

Los aceites se obtienen fundamentalmente de la refinacin del petrleo.Las grasas se elaboran con aceites, mezclndolos con un componente coloidal a base de jabones de calcio o litio que le dan su consistencia.Los lubricantes lquidos poseen adems una serie de propiedades muy deseables que los transforman en los lubricantes por antonomasia. Estas son las siguientes: Pueden evolucionar entre las superficies deslizantes conduciendo a una lubricacin hidrodinmica. Tienen una alta capacidad de disipacin trmica del calor generado por el contacto. Se pueden mezclar con otros productos qumicos (aditivos) para otorgarles mejoras al lubricante, como por ejemplo incrementar la resistencia a la corrosin de las partes, incrementar la vida til del lubricante, incrementar la capacidad de carga, etc. Se pueden remover las partculas producidas por el desgaste.

VISCOSIDADCuando existe lubricacin por pelcula gruesa, la fuerza de rozamiento que resiste al movimiento, ya no es la de las superficies en movimiento relativo, sino el creado al deslizar las capas del lubricante unas sobre otras como si se tratara de un puado de naipes. Dicho fenmeno fue explicado por primera vez por Isaac Newton.Consideramos el grfico mostrado en la siguiente figura, en el cual una placa M se mueve con una velocidad Vm constante con respecto a otra placa N estacionaria (Vn = 0), separadas por una capa de lubricante de altura h; si analizamos una capa cualquiera del fluido de espesor dh, tal como se indica en la figura, ella se deformar ya que su cara que da hacia la superficie en movimiento tiene mayor velocidad que su cara (rea) que da hacia la superficie estacionaria. Dicha deformacin crea un esfuerzo cortante o de cizalladura dentro del fluido dado por la relacin F/A siendo F la fuerza de rozamiento entre las capas del fluido y A el rea de contracto entre ellas. De acuerdo a lo anterior se puede deducir que el esfuerzo cortante en el fluido es proporcional al gradiente de velocidad (dV/dh) dndosele el nombre de Viscosidad () a dicho factor de proporcionalidad.M(Placa mvil) Vm = CtteN (Placa estacionaria) Vn = 0Fhy V + dVVdhAa)b)

A continuacin se hace una exposicin sencilla que trata de explicar un poco ms lo que se ha dicho:

= Esfuerzo cortante o de cizalladura.Donde:F = Fuerza de rozamiento entre las capas del fluido considerado en movimiento laminar.A = Area de las capas del fluido sometidas a rozamiento (A = Am).

(1 1)

Si asumimos que el gradiente de velocidad es constante, es decir, dV/dh = Ctte, este se transforma en V/h, por lo tanto:

De donde se obtiene que:

(1 2)Siendo V = Vm.

UNIDADES DE LA VISCOSIDAD ABSOLUTA ()

En el Sistema Mtrico C.G.S. las unidades involucradas son la dina, el segundo (s) y el centmetro (cm) por lo que la viscosidad se expresa en dinas-seg. por centmetros cuadrados; siendo llamada esta unidad el POISE aun cuando la unidad ms usada es el centipoise cp (centsima parte del POISE).Cuando la viscosidad se expresa en centipoise se denota con la letra Z.Si se expresa la viscosidad absoluta en unidades inglesas las unidades que intervienen son la libra (lb), el segundo y la pulgada (in), es decir que la viscosidad se expresa como libras-segundos por pulgadas cuadradas (lbs-seg/in2). Esta unidad se denomina reyn en honor al Cientfico francs Osborne Reynolds.

EQUIVALENCIA ENTRE LAS UNIDADES DE VISCOSIDAD ABSOLUTA

1 reyn = 1 lbf-seg/pulg2 Recordando que 1 Kgf = 2.204 lbf, que 1 Kgf = 9.81 x 105 dinas y que 1 pulg = 2.52 cm. tendremos:

1 reyn = Poise

Por lo tanto:1 reyn 69000 Poise 6.9x106 centipoise 1 microreyn 6.9 centipoiseEn el Sistema Internacional la unidad bsica de viscosidad absoluta es el Pascal-seg (Pa-s), siendo un Pa equivalente a 1 Newton/m2, es decir que:

1 Pa-seg = Deducindose a partir de la relacin anterior lo siguiente: 1 Pa-s = 10 Poise1 Pa-s = 1.45 x 10-4 reyn.

VISCOSIDAD CINEMTICA ()La determinacin de la viscosidad absoluta () requiere de mediciones complejas y clculos elaborados; as que para fines prcticos en el laboratorio, es mucho ms sencillo determinar la viscosidad cinemtica (). La viscosidad absoluta () se obtiene entonces, multiplicando la viscosidad cinemtica obtenida por la densidad del fluido bajo estudio.De acuerdo a lo anterior tendremos:

pero Luego:

UNIDADES DE VISCOSIDAD CINEMATICA

En el Sistema Mtrico C.G.S. se define como unidad para la viscosidad cinemtica el Stoke de tal forma que:

1 Stoke = 1 En la prctica se usa comnmente el centistoke (cst), siendo 1 cst = 0.01 Stoke. MEDICIONES DE LA VISCOSIDAD

Se han desarrollado diferentes mtodos para determinar la viscosidad, as como un sin nmero de sistemas para clasificar los aceites lubricantes.En todos los procedimientos usados para determinar la viscosidad el principio es bsicamente el mismo, y consiste en medir el tiempo que tarda en fluir un volumen determinado del lquido que se desea estudiar, a travs de un tubo capilar. El aparato usado para tal medicin se llama VISCOSIMETRO.En la actualidad todas las clasificaciones que se han hecho para los lubricantes estn basadas en la viscosidad cinemtica expresada en centistoke (cst).

APLICACIN DE LA FRMULA DE NEWTON.

FRMULA DE PETROFF.

El rozamiento de los cojinetes fue explicado por primera vez por Petroff, considerando el eje del mun concntrico con el del manguito.Es interesante destacar que, en la prctica, aun cuando el mun y el manguito no sean coaxiales, el coeficiente de rozamiento que predice esta ley es aceptable.Sea un eje vertical que gira en un cojineteSe supone que el cojinete tiene una holgura o espacio entre mun y manguito que est llena por completo de aceite y que las fugas de aceite son despreciables.Sea r el radio del mun, h la holgura y l la longitud de contacto entre mun y manguito, si el eje gira a n r.p.m., su velocidad v vendr dada por:

Como el esfuerzo tangencial debido al rozamiento del lubricante es segn la frmula de Newton:

Como se tiene que:

El par de torsin que genera F vendr dado por:

=>

Sea Q la fuerza normal que acta sobre el cojinete, la presin especfica o fuerza por unidad de proyeccin de la superficie lateral del mun sobre un plano paralelo a su eje es:

Los valores de presin especfica mxima, as como de las velocidades lineales mximas aconsejables para el clculo de cojinetes, son los que se presentan en la siguiente tabla:

Si es el coeficiente de rozamiento, la fuerza de rozamiento ser:

Y el par debido al rozamiento es:

Igualando M y MR se tiene que:

ecuacin que liga el coeficiente de rozamiento con la viscosidad.La expresin anterior recibe el nombre de ecuacin de Petroff e indica que los parmetros y r/h son muy importantes para el estudio de la lubricacin.

Cuando un eje gira en un cojinete con lubricante puede presentarse la curva determinada empricamente que se ofrece a continuacin y que representa la variacin de con v por n/P.En la porcin AB la pelcula es muy delgada, ya que al ser n pequeo el arrastre de aceite hacia la cua no es suficiente como para generar una presin capaz de separar el mun del manguito. El cojinete funciona en la frontera del rozamiento entre los metales nicamente disminuido por la delgada pelcula de aceite. En estas condiciones es particularmente importante la untuosidad del lubricante.De B a C la pelcula es ms gruesa, y la rugosidad de las superficies de unin y manguito tiene poca o nula importancia. En esta situacin predominan las fuerzas viscosas.

EL NMERO DE SOMMERFELD

Supongamos que en el anlisis de Petroff consideramos el peso del eje y lo designamos por W, actuando sobre el cojinete, entonces la presin ejercida sobre el cojinete ser P = W/2 r L, siendo 2 r L el area proyectada del mun, por lo tanto, la fuerza de roce ser f W, obteniendose que la expresin del par de rozamiento en estas condiciones es:

(1 10)Pero w = 2 x P x r x L, por lo que la expresin anterior cambia a:

(1 11)Si igualamos la expresin 1 9 (Ecuacin de Petroff) y la expresin 1 11 tendremos:

Donde c representa el juego radial.Simplificando y despejando el coeficiente de rozamiento se llega a la siguiente expresin:

(1 12)

La sustitucin de las unidades apropiadas en cada grupo de parmetros demuestra que son adimensionales, designndosele el nombre de Nmero de Sommerfeld (S) al producto de (xns/P) y (r/c)2, es decir:

= Nmero de Sommerfeld o nmero caracterstico del cojineteSi sustituimos el Nmero de Sommerfeld en la ecuacin 1-12 obtenemos la siguiente relacin para el valor terico del coeficiente de friccin:

(1 13)El Nmero de Sommerfeld es muy importante en el anlisis de la lubricacin, debido a que contiene todas las variables especificadas por el diseador y que generalmente se encuentran tabuladas o graficadas.