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Mecanismos y Elementos de Máquinas – y Sistemas de Aeronaves Rodamientos.

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Mecanismos y Elementos de

Máquinas

Mecanismos y Sistemas de

Aeronaves

Teoría general de los rodamientos.

2018

Ing. Pablo Ringegni.


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Contenido:

1.-Teoría básica.

1.1-¿Por qué cojinetes con elementos rodantes? Pag.1.

1.2-Constitución. Pag.4.

1.3-¿Por qué el uso de rodamientos? Pag.6.

2.-Tipos existentes. Pag.6.

3.-Análisis cinemático. Pag.15.

4.-Análisis dinámico. Pag.16

5.-Generalidades. Pag.18.

5.1-Materiales para cojinetes. Pag.18.

5.2-Procesos de fabricación. Pag.19.

5.3- Normalizaciones. Pag.19.

5.4-Montaje y desmontaje. Pag.23.

5.5- Lubricación.. Pag.27.

5.6- Obturaciones y cierres. Pag.32.

6.-Análisis resistente. Pag.34

6.1-Capacidad de carga estática de un rodamiento. Pag.35.

6.2-Capacidad dinámica de carga de un rodamiento. Pag.37.

6.3-Duración de los rodamientos. Pag.38.

7.-Selección de rodamientos. Pag.39.

7.1-Selección del tipo de rodamiento. Pag.39.

7.1.1-Espacio disponible. Pag.39.

7.1.2-Cargas. Pag.40.

7.1.3-Desalineación. Pag.42.

7.1.4-Precición. Pag.43.

7.1.5- Velocidad. Pag.43.

7.1.6-Funcionamiento silencioso. Pag.43.

7.1.7-Rigidez. Pag.44.

7.1.8-Desplazamiento axial. Pag.44.

7.1.9-Montaje y desmontaje. Pag.44.

7.2-Selección del tamaño del rodamiento. Pag.47.

8.-Fallos en cojinetes de rodamientos. Pag.47.

9.-Ejemplo de selección de un rodamiento. Pag.52.


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10.Aplicaciones. Pag.63.


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1.-Teoría básica.

Todas las interfaces que transfieren cargas a través de elementos rodantes, se denominan

rodamientos.

Dependiendo del tipo de elementos rodantes que son usados en los rodamientos, se los

divide en rodamientos a bolillas o de bolas, rodamientos de cilindros, etc.

La diferencia entre ellos se basa en la forma de transmitir carga de cada uno; para los

rodamientos de bolillas la carga se transfiere sobre una pequeña superficie de contacto -

punto de contacto- con la pista por la que ruedan, siendo la capacidad de llevar carga

menor que la de los rodamientos de cilindros, dado que estos transmiten la carga a través de

una línea de contacto con la pista donde ruedan.

Fig. 1 Fig. 2l

1.1-¿Por qué cojinetes con elementos rodantes?

Uno de los factores que hacen tan populares a los cojinetes con elementos rodantes (o

rodamientos), es su muy baja fricción.

Se puede hacer una comparación muy simple entre un cojinete con elementos rodantes, y

uno de rodadura plana o por deslizamiento.

Fig.3 Fig.4


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En un cojinete por rodadura o deslizamiento el eje se desliza en un huelgo, separado por

una más o menos buena película de lubricante.

En un cojinete con elementos rodantes el anillo o aro interior, rueda sobre elementos

rodantes, que ruedan sobre el anillo exterior.

Bajo las mismas condiciones de carga la fricción en un rodamiento por deslizamiento es

mucho mayor que en un rodamiento con elementos rodantes.

La fricción de un cojinete deslizante varia con la velocidad de rotación, pero es

prácticamente constante para una cojinete con elementos rodantes.

Figura 5.

Desde el principio se observa que el momento de arranque de un cojinete deslizante, es

bastante grande. Este depende del contacto metálico en el rodamiento a cero y bajas

velocidades.

La fricción decrece cuando se incrementa la velocidad, y es creada una película de

lubricante, pero al mantener altas velocidades las perdidas por fricción hidrodinámica, en la

película de lubricante, se incrementan.

Un cojinete con elementos rodantes tiene, en cambio muy pequeñas perdidas por fricción

hidrodinámica comparado con el rodamiento deslizante.

Se puede concluir que el cojinete con elementos rodantes tiene menor fricción comparado

con el cojinete deslizante, especialmente a altas y bajas velocidades.

Los cojinetes con elementos rodantes tienen las siguientes ventajas, comparados con los

cojinetes deslizantes:

Bajo momento de arranque.

Baja fricción a altas velocidades.

Bajo consumo de energía.

Bajo Mantenimiento.

Pequeño ancho.

Bajo consumo de lubricante.

Largos intervalos de relubricación.

Fácil de montar y desmontar.

Dimensiones estandarizadas.


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La principal desventaja es su alta sensibilidad a los choques y sobrecargas, así como a los

defectos de montaje, y a la acumulación de suciedad.

De ahora en más se llamarán rodamientos a los cojinetes con elementos rodantes.

1.2-Constitución.

Son mecanismos constituidos por un anillo interior unido solidariamente al árbol o eje

(pudiendo en consecuencia, ser giratorio o no), otro anillo exterior unido al soporte del

cojinete (que también puede ser fijo o giratorio), y un conjunto de elementos rodantes (que

pueden ser bolas, rodillos o conos), colocados entre ambos anillos.

Como elemento auxiliar, y con el único objeto de que los elementos rodantes no queden

sueltos dentro de los anillos, se usan armaduras, jaulas o separadores que se desplazan junto

con los elementos rodantes, moviéndose alrededor del eje del rodamiento.

Figura 6.


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En forma más detallada, se puede decir:

Elementos rodantes:

Pueden ser bolillas, cilindros o rodillos; esferas; cilindros o

rodillos cónicos; rodillos finos o alargados (agujas).

Figura 7

.

Estos rotan, entre las guías de los anillos exterior e interior, y transmiten la carga actuante

en el rodamiento a través de una pequeña superficie de contacto separada por una delgada

capa o película de lubricante.

Anillo interior:

El anillo interior esta normalmente montado en el eje de una máquina,

y es en la mayoría de los casos la parte rodante. El diámetro interior puede ser cilíndrico o

ahusado. La guía por la cual corren los elementos rodantes, puede tener diferentes formas

(esférica; cilíndrica; ahusada), siempre dependiendo del tipo de elemento rodante que lleve.

Anillo exterior:

Este va normalmente montado sobre un alojamiento de una máquina, y

en la mayoría de los casos rota.

La guía sobre la cual corren los elementos rodantes puede tener

diferentes formas, (esférica; cilíndrica; ahusada), coincidente con la del anillo interior.

La jaula:

La jaula separa los elementos rodantes entre sí durante su operación, evitando

así causar una condición pobre de lubricación.

En muchos tipos de rodamientos la jaula mantiene unido a estos durante su

manipuleo.

Sellos:

Son esenciales para una larga y confiable vida del rodamiento.

Estos protegen al rodamiento de la contaminación (polvo, partículas sólidas,

solventes, etc.)


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1.3-¿Por qué el uso de rodamientos?

El propósito fundamental de los rodamientos es el transmitir una carga (o cargas) desde una

parte estacionaria de una máquina, (comúnmente un alojamiento), a una parte rotante de

esta (comúnmente un eje), con el mínimo de resistencia posible (o sea con la mínima

perdida de energía).

Las cargas que se transmiten pueden ser desde:

La masa de la maquina sus componentes.

Cambios de momentos.

La transmisión de poder.

Para los rodamientos estas cargas pueden ser transmitidas entre los anillos interiores y

exteriores de este a los elementos rodantes.

2.-Tipos existentes.

Los rodamientos se pueden clasificar según tres grupos:

a) Atendiendo a su forma:

1. De bolas (los elementos rodantes son bolas).

2. De rodillos cilíndricos.

- Normales (los elementos rodantes son cilindros).

- De agujas (los elementos rodantes son cilindros muy delgados)

- Agujas - que se montan directamente sobre el árbol.

3. De rodillos esféricos (los elementos rodantes son cilindros de sección

variable, resultando de forma glóbica).

4. De rodillos cónicos (los elementos rodantes tienen forma tronco cónica).

b) Atendiendo al tipo de carga que soportan:

1. Radiales (que soportan solo carga radial)

2. Axiales (que soportan solo carga axial).

3.De empuje o mixtos (que soportan carga radial y axial, simultáneamente)


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c) Atendiendo a la inclinación del eje o árbol:

1. Rígidos (no permiten ninguna oscilación del rodamiento respecto del eje

en un plano perpendicular al del giro de los elementos rodantes)

2. Pivotantes (permiten una cierta oscilación del rodamiento respecto del eje,

en el plano mencionado anteriormente)

A continuación se detallan algunos de ellos con su esquema correspondiente:

Cojinete radial rígido de una fila de bolas (o rodamiento de bola, de hilera única, ranura

profunda)

Los cojinetes radiales rígidos de una fila de bolas(ó rodamientos de bola, de hilera

única, ranura profunda), en ocasiones se denominan cojinetes de Conrad.

Por lo general, la pista de rodamientos interna se presiona contra el eje con un ajuste

de interferencia pequeño para asegurar que gire junto con él. Las piezas esféricas giratorias,

o bolas, giran dentro de una ranura profunda tanto en los anillos externos como en los

internos.

El espaciamiento de las bolas se mantiene mediante dispositivos de retención o

"jaulas". La ranura permite que se soporte una carga considerable de empuje porque se le

diseña para soportar carga radial. La carga de empuje se aplicara en un lado de la pista de

rodamientos interna mediante un hombro en el eje. La carga pasará a lo largo del lado de la

ranura, a través de la bola, hacia el lado opuesto del anillo de bolillas externo, y después a

la carcasa.

El radio de las bolillas es un poco más pequeño que el radio de las ranuras para

permitir el rodamiento libre de las bolas. En teoría, el contacto entre una bola y la pista de

los rodamientos se da en un punto, sin embargo, en realidad es un área circular pequeña

debido a la deformación de las piezas. Como las carga es soportada en un área pequeña se

presentan tensiones debidas al contacto muy altas a nivel local.

Para incrementar la capacidad de carga de un cojinete de hilera única, se debe

utilizar un cojinete que tenga mayor número de bolillas, o bolillas más grandes que

funcionen en pistas de rodamientos más grandes.

Figura 8.


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Figura 9.

Cojinete radial rígido de dos filas de bolas(ó rodamiento de doble hilera ranura profunda)

Si se le compara con el diseño de una sola hilera, agregar una segunda hilera de

bolas (figura10.) Incrementa la capacidad para soportar carga radial del tipo de cojinete de

ranura profunda porque es mayor el número de bolas que soportan la carga. Por tanto, una

mayor carga puede ser soportada por el mismo espacio, o una carga especifica puede ser

soportada en un espacio más pequeño.

El espesor más grande de los cojinetes de doble hilera suele afectar de manera

adversa la capacidad de desalineación.

Figura 10.

Figura 11.


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Cojinete de bolas de contacto angular (ó rodamiento de empuje).

Si se le compara con el cojinete estándar de hilera única y ranura profunda, en un

cojinete de contacto angular, un lado de cada pista de rodamientos es más alto para permitir

cargas de empuje más considerables.

Figura 12

En la figura 13 se muestra el ángulo que se prefiere de la fuerza resultante (cargas

axiales y de empuje combinadas) con cojinetes disponibles en el mercado que tienen

ángulos de entre 15º y 40º (la definición de este ángulo se detalla en "Ángulo de contacto")

.

Figura 13

.


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Cojinete de rodamientos cilíndricos (ó rodamiento de rodillos)

Sustituir las bolillas esféricas con rodamientos cilíndricos (figura 14) con los

cambios correspondientes en el diseño de los collares de bolas, proporciona una mayor

capacidad de carga radial.

El patrón de contacto entre un rodamiento y su collar es, en teoría, una línea, y

adopta forma rectangular conforme las piezas se deforman bajo el efecto de una carga. Los

niveles de tensión debida al contacto son más bajos que los que corresponden a cojinetes de

bola, de un tamaño equivalente, lo que permite que cojinetes más pequeños soporten un a

carga particular o que un cojinete de tamaño especifico soporte una carga mayor. La

capacidad para soportar carga de empuje es pobre porque al lado de los rodamientos se le

aplicara cualquier carga de empuje y ello provocara frotamiento y no un verdadero

movimiento giratorio.

Se recomienda no aplicar carga de empuje.

Los cojinetes de rodamientos cilíndricos suelen ser muy anchos, lo cual les confiere escasa

capacidad para adaptarse a la desalineación angular.

Figura 14

Figura 15

1. Rodamiento de rodillos, diseño N.

2. Rodamiento de rodillos, diseño NJ.

3. Rodamiento de rodillos, diseño NUP.

4. Rodamiento de rodillos, diseño NJ.


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Cojinete de aguja.

Los cojinetes de aguja son en realidad cojinetes de rodamientos cilíndricos, pero el

diámetro es mucho menor, como puede observarse si se compara la figuras 14 y 15 con las

16 y 17. Por lo común para que los cojinetes de aguja soporten una carga especifica se

requiere un espacio radial más pequeño que el que se necesita para otro tipo de cojinetes de

contacto giratorio; esto facilita su diseño en muchos tipos de equipos y componentes como

bombas, juntas universales, instrumentos de precisión y aparatos para el hogar.

Al igual que en otros cojinetes de rodamientos, la capacidad de empuje y

desalineación es pobre.

Figura 16.

Figura 17.


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Cojinete de rodamiento esférico (ó rodamiento oscilante).

El cojinete de rodamiento esférico es una forma de cojinete autoalineado, se

denomina así porque existe rotación relativa real de la pista de rodamientos externa en

relación a los rodamientos y la pista de rodamientos interna cuando se presenta

desalineación angular. Esto proporciona excelente especificación de la capacidad de

desalineación en tanto se conservan las mismas especificaciones de capacidad de carga

radial.

Figura 18.

Figura 19.

Figura 20 (de rodillos esféricos de dos filas).

Cojinetes de rodillos cónicos (ó rodamientos ahusados).

Los cojinetes de rodillos cónicos están diseñados para soportar cargas de empuje

sustanciales con cargas radiales altas, lo cual de por resultado excelentes especificaciones

en ambos. Se utilizan con frecuencia en cojinetes de ruedas para vehículos y equipo móvil y

en maquinaria de trabajo pesado a la que le son inherentes cargas de empuje altas.


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Figura 21.

Figura 22.

Figura 23.

Cojinetes axiales.

Los cojinetes que se han estudiado hasta ahora se han diseñado para soportar cargas

radiales o una combinación de cargas radiales y cargas de empuje (axiales). Muchos

proyectos de diseño mecánico exigen un cojinete que solo resista cargas de empuje

Rodamiento ahusado, con indicación del

ángulo de ahusamiento

Rodamiento ahusado con mayor ángulo de ahusamiento


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(axiales), para eso se diseñan cojinetes axiales. Se utilizan las mismas piezas giratorias:

bolas, rodamientos cilíndricos y ahusados.

Casi ningún cojinete axial es capaz de soportar carga radial, los que si son capaces

de hacerlo soportan cargas cuya magnitud es mínima. En consecuencia, el diseño y la

selección de tales cojinetes depende solo de la magnitud de la carga de empuje y de su vida

útil de diseño.

Figura 24.

La información de la especificación básica de la carga dinámica y de la carga

estática se señala en los catálogos de los fabricantes.

Figura 25.


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3.-Análisis cinemático.

Estudio cinemático de los cojinetes radiales (bolillas y rodillos)

Figura 25.

Al girar el árbol unido en la parte interior del cojinete hace que las bolillas (o los

rodillos) giren sobre si mismas, al tiempo que se trasladan. Las bolillas están animadas de

un movimiento compuesto, pero plano en este caso.

La velocidad de rotación del elemento rodante sobre si mismo, y la de rotación de

estos respecto al eje del rodamiento pueden calcularse fácilmente. En la figura 25, conocida

la velocidad absoluta de giro del eje w31, la velocidad del punto "P" será:

VP(3) = w31* r3

Por haber rodadura pura entre los miembros 2 y 3 se tiene:

VP(2) = VP(3)

Por haber rodadura pura entre 2 y 1 se tiene que: VI(2) = 0.

I(2) es el centro instantáneo de rotación de 2 en su rodadura sobre 1. La velocidad del

centro de 2 puede hallarse tomando:

Si w21, es la velocidad de rotación de 2 respecto de 1, se tendrá:

VP(2) = w21*2r2

VO(2) = VP(2) / 2 -= VP(3) / 2

VO(2) = w21*r2


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Como se ve, el centro de las bolillas y la jaula que las separa se desplaza con una

velocidad tangencial VO(2). Esta traslación equivale a una velocidad angular alrededor del

eje de cojinete dada por:

w0(2)/O(1,3) = VO(2) /(r3 + r2) = w31 * r3 / [2*(r3 + r2)]

w0(2)/O(1,3) = w31 * r3 / [2*(r3 + r2)]

En algunos rodamientos se puede despreciar el valor de r2 frente al de r3 (r3r2) quedando:

r3 +r2 r3 w0(2)/O(1,3) = w31 * r3 / [2*(r3 + r2)] w31 * r3 / 2*r3 w31 / 2

w0(2)/O(1,3) = w31 / 2

4.-Análisis dinámico.

Transmisión de esfuerzos en los cojinetes radiales.

a) Sometidos exclusivamente a carga radial

Figura 26.

Sea el cojinete de la figura 26, sometido a la carga F3 (sobre 3).

Sea el ángulo que define la posición de dos bolas consecutivas.

Llamando f 0

32 , f 1

32 , f 2

32 , etc.. Las cargas normales soportadas por cada bola, se tiene:

f 0

32 = f 0

32.cos 0º

f 1

32 = f 0

32.cos


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f 2

32 = f 0

32.cos 2

f 3

32 = f 0

32.cos 3

Teniendo en cuenta que toda la carga F3 es soportada por las bolillas de la parte inferior del

cojinete se tendrá, vectorialmente:

3

32

3

32

2

32

2

32

1

32

1

32

0

323 fffffffF

La igualdad de las componentes verticales da:

3cos22cos2cos2 3

32

2

32

1

32

0

323 ffffF

Sustituyendo:

3cos22cos2cos2 20

32

20

32

20

32

0

323 ffffF

3cos22cos2cos21 2220

323 fF

Llamando 3cos22cos2cos21 222Q , coeficiente que solo depende del

número de bolillas (para un diámetro dado), y que vale aproximadamente:

4

zQ siendo z el número de bolillas

queda al sustituir:

4

0

323zfF

Por lo tanto la bolilla más cargada será:

z

Ff 30

32

4

Si se tiene en cuenta la deformación de las bolillas, al aplastarse debido a la carga, ha de

sustituirse Q por un nuevo valor Q' que vale aproximadamente:

35.4

" zQ

La fuerza sobre la bolilla más cargada (que es la que se encuentra en la prolongación de F3)

será entonces:

z

Ff 30

32 35.4


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Para mayor seguridad se adopta de los cálculos 5

" zQ , con lo que la bolilla más cargada

estará sometida a un esfuerzo dado por:

z

Ff 30

32 5

5.-Generalidades.

5.1-Materiales para cojinetes:

La carga sobre un cojinete de contacto giratorio se ejerce sobre un área reducida.

Las tensiones que se producen por contacto son considerables, sin que importe el tipo de

cojinete.

Las tensiones de contacto de 21.000 Kg/cm2 no son raras en los cojinetes

disponibles en el mercado.

Para soportar las tensiones altas mencionadas las bolillas, los rodamientos y las

pistas de rodamientos se fabrican de acero muy duro y resistente o de cerámica que

presente las mismas características.

El material que más se utiliza para fabricar cojinetes es acero AISI 52100 que tiene alto

contenido de carbón, entre 0,95% y 1,10%, junto con cromo, de 1,30% a 1,60%, 0,25% de

manganeso, 0,20% a 0,30% de silicio y otros elementos de aleación en cantidades mínimas

pero controladas.

Las impurezas se reducen al mínimo con todo cuidado para obtener un acero en

extremo limpio.

El material se endurece en la superficie en un rango de 58 a 65 en la escala

Rockwell C para darle una capacidad de resistir una alta tensión debida al contacto.

También se utilizan algunos aceros para herramientas, en particular M1 y M50. El

endurecimiento de la superficie mediante carburización se emplea con aceros como

AISI3310, 4620 y 8620 para obtener la alta dureza superficial que se necesita en tanto se

mantiene un núcleo duro y resistente. Se requiere un control cuidadoso de la dureza

superficial porque en las zonas superficiales se generan tensiones criticas. En algunos

cojinetes que se someten a cargas más ligeras o en un entorno corrosivo se suelen utilizar

piezas de acero inoxidable AISI 440C.

Las piezas giratorias y otros componentes pueden fabricarse de materiales

cerámicos como nitruro de silicio (Si3N4). En tanto que su costo es mayor que el acero, las

cerámicas ofrecen ventajas importantes como las que se señalan en la tabla siguiente. Su

escaso peso, alta resistencia y alta capacidad térmica hacen que se prefieran para usarlos en

motores aerospaciales, la industria militar y otras aplicaciones demandantes.


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Material

Nitruro Acero Acero inoxidable Acero

de silicio 52100 440C M50

Dureza de temperatura 78 62 60 64

Ambiente, HRC

Módulo elástico a 45 30 29 28

Temperatura ambiente,

106 psi

Temperatura máxima 1200ºC 180ºC 260ºC 320ºC

De operación

Densidad, g/cc 3.2 7.8 7.8 7.6

Tabla 1.

5.2-Procesos de fabricación:

En la fabricación de las bolillas se parte de varillas del material, sin tratar. Se cortan y se

forman las bolillas en tornos especiales, o bien se obtienen directamente por estampación.

A continuación, se alisan entre dos platos paralelos girando en sentidos diferentes.

Luego se rectifican, para posteriormente someterlos a temple en hornos eléctricos.

Después, son nuevamente rectificadas y pulidas con recortes de cuero, en tambores

giratorios.

Posteriormente, se clasifican en ranuras de pequeña conicidad calibrada (la

tolerancia en el diámetro es fundamental para evitar sobrecargas una vez montadas en el

rodamiento).

Luego, se comprueba la esfericidad haciéndolas rodar por un plano inclinado

perfecto (si el centro de gravedad no coincide con el centro geométrico, la bolilla no rueda

según una línea de máxima pendiente, desviándose de ella).

Por ultimo, se verifica su elasticidad (por choque) y su dureza.

Los cojinetes de rodamientos sólo se construyen por casas muy especializadas, lo

que ha llevado al establecimiento de tipos de rodamientos muy concretos, fuertemente

normalizados.

5.3-Normalizaciones:

“Como se ha dicho, los cojinetes de rodamientos son órganos de maquinas fuertemente

normalizados internacionalmente, siendo las más importantes normas las DIN y las

AFBMA (Anti-friction Bearing Manufacturers Association).


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Las normalizaciones se refieren a las medidas externas (diámetros de los anillos

interior y exterior, anchos, radios de los acuerdos, tolerancias de las dimensiones, etc.). Sin

embargo, los elementos rodantes no están normalizados.

Al hablar de normalizaciones hay que hacer una salvedad, en lo que a holgura y juego se

refiere.

En efecto, ambas dimensiones no están normalizadas y dependen de la casa constructora.

Además, la holgura (definida como la diferencia entre los diámetros del círculo

máximo de rodadura y el circulo envolvente de los rodillos o bolillas) es evidente una

característica constructiva, pero no así el juego (definido como la magnitud del

desplazamiento de un anillo respecto de otro en dirección radial o axial –desde un tope a

otro-, incluida la deformación elástica, que es una característica de funcionamiento).

Cuando la holgura del cojinete viene fijada de fabrica se dice que es un cojinete

cerrado. En caso contrario, cuando la holgura se ajusta durante el montaje (como es el caso

de los cojinetes de rodillos cónicos) se denominan abiertos.

Existen, como es lógico, para un mismo diámetro del agujero (donde se une al árbol o eje),

rodamientos de distintas capacidades de carga.

Figura 27.

Ellos se conocen como series de rodamientos, algunas de las cuales se representan en la

figura 27.

Se denominan serie extraligera (serie 100), ligera (serie 200), media (serie 300), pesada

(serie 400), etcétera.

En general las normas se designan por un código de letras números.

Así, por ejemplo, un rodamiento nominado

213 18 (normas DIN)


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Significa lo siguiente:

- La primera cifra (2) designa al tipo de cojinete (bolas rodillos \, etc.).

A veces va precedida de una letra, que designa alguna característica especial (por

ejemplo, una tapa de protección).

- La segunda cifra (1) indica la serie de anchos.

- La tercera cifra (3) indica la serie de diámetros.

- Las dos últimas cifras (18) son el número característico del agujero, cuyo diámetro

queda definido multiplicando este número por 5. (En este caso, el diámetro del

agujero es 18 x 5 = 90 mm.)

De todos modos estas normas sufren algunas modificaciones en el caso de cojinetes de

rodillo y bolas.

Sin embargo en las normas AFBMA los cojinetes se identifican, aparte del diámetro

interno, por un número de sólo dos dígitos.

El primero corresponde a la serie de anchos.

El segundo a la serie de diámetros exteriores.

En todo caso los fabricantes suministran catálogos de todos sus productos, con indicación

de la forma de definir y elegir cada cojinete.

La tabla 2 es una muestra del catálogo de rodamientos FAG.

Figura 28.


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Tabla 2.


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5.4-Montaje y desmontaje.

El montaje y desmontaje de rodamientos de bolas y de rodillos, es esencial que sea

efectuado por personal competente y en condiciones de rigurosa limpieza, para conseguir

un buen funcionamiento y evitar un fallo prematuro.

Como todos los componentes de precisión, la manipulación de los rodamientos

durante su montaje debe realizarse con sumo cuidado. La elección del método de montaje

adecuado y de las herramientas adecuadas es de gran importancia.

Preparación para el montaje.

Siempre que sea posible, deberá efectuarse el montaje en una sala con atmósfera

seca y sin polvo, alejada de máquinas de trabajar metales o de otras máquinas que

produzcan virutas, limaduras o polvo.

Antes de montar los rodamientos, todas las piezas, las herramientas y los equipos

deberán estar a mano. Se recomienda asimismo que se estudien todos los dibujos y las

instrucciones que se tengan con el fin de determinar el correcto orden en que van a ser

montados los distintos componentes.

Todos los componentes de la disposición (ejes, soportes, etc.) deberán limpiarse

rigurosamente, quitando todas las rebabas; las superficies internas no mecanizadas de los

soportes de fundición deberán estar absolutamente limpias de arena del moldeo.

Es asimismo importante conservar los rodamientos en sus envases originales hasta

inmediatamente antes de montarlos, para evitar que se ensucien.

Montaje.

El montaje del rodamiento, o sea, su fijación al árbol y al bastidor, constituye uno

de los aspectos más críticos para el correcto uso de estos mecanismos.

En realidad, cada diseño requiere una consideración particular, aun cuando los

fabricantes de rodamientos suelen dar normas generales para el montaje de los mismos.

Como norma general, ha de tenerse que sobre un mismo árbol nunca se coloca más

de un cojinete fijo (sin posibilidad de desplazamiento lateral del anillo interior o del

exterior).

En la fijación de rodamientos ha de tenerse presente:

1.º Si se montan aislados o en grupo.

2.º Magnitud, tipo y dirección de carga que soportan.

3.º Tipo y dimensiones de los cojinetes.

4.º Tolerancias del cojinete y ajustes precisos.

5.º Condiciones de temperatura (ambiental y de trabajo).

6.º Procedimiento de montaje y desmontaje.

7.º Situación del cojinete en el árbol (intermedio o extremo).

La fijación de un cojinete a un árbol puede hacerse por medio de un ajuste (apriete),

por medio de un apriete de una tuerca contra un resalte, o por medio de un manguito de

montaje.

Cuando el cojinete se monta por medio de ajuste (o por cualquier otro medio) y no

es el cojinete fijo, ha de verse qué anillo (si el interior o el exterior) es el que conviene fijar.


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Con carga periférica en el anillo interior (por ejemplo, la debida a un árbol

descentrado), si éste se deja libre sobre el árbol, es probable que entre éste y el anillo

interior del rodamiento se originen deslizamientos: el rodamiento baila en la dirección del

giro del árbol.

Lo mismo ocurre cuando una carga periférica actúa sobre el anillo exterior y éste se

monta libre, flojo, sobre el bastidor. Ambos casos son graves, puesto que a la larga se

origina un desgaste por el rozamiento relativo, el progresivo ensanchamiento del anillo y el

consiguiente aumento de la holgura.

Con carga puntual y fija es evidente que no se presentan tales inconvenientes, por lo

que pueden dejarse flojos cualquiera de los dos anillos. (En la práctica, sin embargo, debido

a las vibraciones, etc. se recomienda la unión fija del anillo interior al árbol.)

En el caso de los cojinetes intermedios, si la unión se hace por calado a presión es

evidente que ha de tornearse el árbol con un diámetro algo menor (cónico) hasta el punto de

fijación del rodamiento, para su facilitar su montaje.

En el caso que se monten rodamientos con anillo interior cónico, el calado puede

hacerse con manguito, lo que facilita de sobremanera la instalación.(fig. 29)

Figura 29

Lo que nunca se hace en ejes intermedios es debilitar el árbol con roscas, etc., para

fijar los rodamientos.

En el caso de montaje de rodamientos con tuercas y collarines, las dimensiones de

éstos no deben ser tan grandes que dificulten la lubricación o interfieran con los elementos

rodantes (Fig. 30). (Los fabricantes suelen dar los valores máximos y mínimos de estos

elementos de fijación lateral).


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Figura 30

Los rodamientos extremos también pueden fijarse con platos de sujeción (sin

tuercas). (Fig. 31 y 32).

Figura 31

Figura 32

Algunas casas también fabrican diversos tipos de soportes estándar, para la fijación

directa al bastidor (Fig. 33.a y 33b).


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Figura 33.a

Figura 33.b

También pueden montarse dos rodamientos conjuntos (montajes dúplex), como se

ve en la figura 34.

Figura 34

a) Montaje cara a cara o DF (soporta cargas radiales y axiales en ambas

direcciones).

b) Montaje espalda contra espalda o DB (soporta cargas radiales y axiales en

ambas direcciones, y da mayor rigidez de alineación).

c) Montaje en tándem o DT, para cargas axiales en una sola dirección.


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El método (mecánico, hidráulico o térmico) usado para montar un rodamiento

depende del tipo y del tamaño del rodamiento. En cualquier caso, es muy importante que

los aros, elementos rodantes o jaulas del rodamiento no reciban golpes durante el montaje,

pues ello podría causar daños. En ningún caso se deberá aplicar presión a un aro para calar

el otro aro del rodamiento.

Desmontaje.

Cuando los rodamientos que se desmontan van a utilizarse de nuevo, no deberá

aplicarse a través de los elementos rodantes la fuerza necesaria para desmontarlos.

Respecto a los rodamientos desarmables, el aro que forma conjunto con los elementos

rodantes y la jaula puede desmontarse independientemente del otro aro. Con rodamientos

no desarmables, primero deberá desmontarse de su asiento el aro que tiene el ajuste más

flojo. El desmontaje de aros de rodamientos que tengan un fuerte ajuste de apriete, podrá

efectuarse usando las herramientas y los accesorios a los que se hace referencia en los

catálogos de los fabricantes, cuya elección dependerá del diseño y tamaño del rodamiento.

5.5-Lubricación:

La lubricación es importante en este tipo de mecanismos por varios motivos:

1.º Para crear la lubricación elastohidrodinámica, típica de estos mecanismos.

2.º Para eliminar el calor producido en el proceso de rodadura de los elementos, en

su eventual deslizamiento, así como en el de la jaula y separadores.

3.º Proteger los elementos del polvo, corrosión, etc.

4.º Remover los residuos generados en los desgastes, tanto de los elementos

rodantes como de los caminos de rodadura.

En los rodamientos se usan tanto las grasas como aceites.

En el caso de utilizar grasas, la ventaja que se alcanza es una importante acción

obturadora (por lo que se emplea en la industria alimenticia, del papel, textil, etc.). Presenta

el inconveniente de que origina un mayor rozamiento, y, por tanto, más calentamiento, por

lo que solo pueden usarse para velocidades bajas ( nunca se llenan los espacios vacíos del

rodamiento; solo unos 2/3).

La lubricación con aceite se emplea cuando el cojinete se lubrica junto con otros

elementos (como ruedas dentadas, etc…) que van montados en la misma máquina, cuando

las velocidades son altas, o se tienen temperaturas elevadas.

Para la lubricación de cojinetes de este tipo se emplean aceites minerales, por

cualquiera de los procedimientos siguientes:

Baño de inmersión.

Goteo o salpique.

Circulación forzada.

Niebla de aceite-aire.


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En el sistema de inmersión (Fig. 35) nunca se sumerge todo el rodamiento en el

aceite para evitar los calentamientos por del lubricante por agitación, sino sólo hasta la

mitad de la bola inferior.

Figura 35

El sistema de goteo o salpique (Fig. 36 y 37) es apropiado para elevadas

velocidades, siempre que el aceite sobrante pueda salir libremente.

Figura 36


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Figura 37

El sistema de circulación (Fig. 38 y 9.35) se utiliza en rodamientos rápidos, para que

el lubricante extraiga el calor producido. Por ello, es importante que nunca se estanque el

aceite en el interior del cojinete. (En cojinetes cónicos puede usarse una autocirculación

debido al efecto de bombeo en dirección longitudinal que producen los rodillos cónicos al

girar.)

Figura 38


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Figura 39

Finalmente el sistema de niebla de aceite (Fig. 40) (que es una suspención de aceite

pulverizado en aire) se emplea para ahorrar aceite y aprovechar el efecto refrigerador del

aire.

Figura 40


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Elección del lubricante y sistema de lubricación.

a) Elección del lubricante

Para elegir el lubricante hay que tener presente:

1.º Tamaño del cojinete. A mayor tamaño, cargas mayores, y por tanto, mayor

viscosidad.

2.º Velocidad de giro. A mayor velocidad, más rozamientos, y por tanto, debe elegirse

menor viscosidad.

3.º Temperatura de servicio. A mayor temperatura, mayor viscosidad inicial.

Tanto los fabricantes de lubricantes como los fabricantes de rodamientos indican cuál es

el lubricante más adecuado a cada circunstancia.

A título de referencia se expone un gráfico para la elección de lubricantes. (Fig. 41)


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Figura 41

b) Elección del sistema de lubricación.

Ha de proponerse el sistema más apropiado, de acuerdo con lo expuesto en las paginas

anteriores.


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5.6-Obturaciones y cierres.

Las obturaciones en los cojinetes cumplen una doble función: impedir la salida del

lubricante y proteger el rodamiento de la entrada de polvo, suciedad, etcétera.

Las obturaciones y protecciones pueden venir fijas al propio rodamiento

(expresamente fabricados con este aditamento), o colocarse posteriormente fijas al bastidor

de la maquina donde el rodamiento este sujeto.

En el primer caso las casa de fabricantes construyen rodamientos con una o dos

tapas de protección (contra el polvo, agua, etc.) y con una o dos tapas de obturación

(cojinetes sellados con el lubricante ya incluido), o una combinación de ambas.

En cuanto a las obturaciones exteriores, las hay de muchos tipos, que pueden

dividirse en dos grandes grupos: obturaciones rozantes y obturaciones laberínticas.

Las rozantes se ejecutan a base de anillos de cuero, fieltro, buena (caucho sintético)

e incluso anillos metálicos. Todas ellas se emplean en velocidades menores de 10 m/s. En

general, dan excelentes resultados cuando se lubrica con grasa, pero no tanto con aceite.

Su mayor inconveniente es el elevado frotamiento en los anillos nuevos, y en su

fuerte desgaste.

Las obturaciones no rozantes se basa en el efecto de la fuerza centrífuga sobre el

aceite debido al giro del árbol (anillos centrífugos), o en las ranuras de retén (generalmente

llenas de grasa), o en las obturaciones laberínticas (donde la fuerte capilaridad del aceite

impide su circulación), etc.

En las figuras siguientes (fig. 42 a 47) pueden verse algunos ejemplos.

Figura 42

Figura43


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Figura 44

Figura 45

Figura 46

Figura 47

6.-Análisis resistente.

Poder de carga de una esfera y un rodillo sobre un anillo de rodadura

En principio, la capacidad de carga de una esfera y de un rodillo, sobre los correspondientes

caminos de rodadura, pueden calcularse por las expresiones de Hertz, que dan al área

deformada y la distribución de presiones sobre ella, en función de los radios principales de


Página 37 de 54.

curvatura de ambas superficies en el punto de contacto y de los valores E1 y E2 , 1 y 2

(módulos elásticos y de Poisson).

Tales valores se modifican ligeramente en el caso de suponer, como así ocurre, una

lubricación elastohidrodinámica.

Naturalmente los valores anteriores se refieren a esfuerzos elásticos. En el caso de

rodamientos, cada elemento de él, así como el camino de rodadura, está sometido a

tensiones de Hertz variables en el tiempo. Ello provoca, como se ha visto importantes

tensiones de fatiga. En consecuencia la tensión provocada en el contacto no deberá

sobrepasar ese límite.

En la práctica, sin embargo, ocurren varios fenómenos que perturban los resultados

que podrían esperarse según la teoría de Hertz.

En primer lugar, las deformaciones cambian de modo importante los radios de

curvatura locales.

En segundo lugar, las deformaciones locales producen tensiones residuales que

modifican el estado de tensiones, tanto en la superficie como en el interior (de rodamientos

y anillos).

En tercer lugar, en muchos casos hay que contar con un deslizamiento considerable.

Como consecuencia de todo ello, los rodamientos y los caminos de rodadura son

elementos fuertemente solicitados a fatiga, lo que hace que su vida real tenga un límite

determinado.

La capacidad estática de carga de una bola o rodillo sobre un anillo esférico de

rodadura se ha definido experimentalmente por Stribeck como "la carga máxima que puede

aplicarse sin que la deformación supere la diezmilésima del diámetro".

Como es lógico, cuanto más íntimo sea el contacto entre la bola (o rodillo esférico)

y el camino de rodadura, mayor será la capacidad de carga del elemento.

Stribeck demostró experimentalmente que:

20 dkf para esferas

Ldkf 0 para rodillos

Donde:

k = constante que depende del tipo de rodamiento.

d = diámetro del elemento rodante.

L = longitud del elemento rodante.

6.1-Capacidad de carga estática de un rodamiento:

Se define como la "C0 = carga máxima en Kg que soporta un rodamiento en reposo (o en

movimiento pendular lento), sin que aparezcan deformaciones en cualquiera de los

elementos rodantes o caminos de rodadura, superiores a 0.00010 D".

Conocido el poder de carga de una esfera o rodillo, por las formulas de Stribeck, y

la distribución de fuerza en los diferentes tipos de cojinetes, puede hallarse una expresión

para la capacidad estática de carga.


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En efecto:

- Cojinetes axiales puros (de una hilera):

- Carga máxima que soportan todos y cada uno de sus elementos:

z

Ff 0

- Capacidad estática de carga:

bolas 20

0 dkzfzC

rodillos LdkzfzC 0

0

- Cojinetes radiales puros (de una hilera):

- Carga sobre el elemento más cargado

z

Ff

50

Capacidad de estática carga:

20

0 dkzfzC

bolas 20

0 2,02,0 dkzfzC

rodillos LdkzfzC 2,02,0 0

0

Según DIN C 22, se tiene:

k = 1,7 para cojinetes pivotantes de bolas.

k = 6,25 para cojinetes fijos de bolas.

k = 11 para cojinetes radiales de rodillos.

k = 5 para cojinetes axiales de bolas.

k = 10 para cojinetes axiales de rodillos.

Generalmente, el valor de C0 para cada rodamiento es un dato que viene en los

catálogos de los fabricantes y se refiere a unas condiciones de funcionamiento prefijadas y

estandarizadas (carga centrada, atmósfera limpia, temperatura de 25º C, etc.).

Para otras combinaciones de carga diferentes, es decir, con carga radial y axial, se

define una carga estática equivalente por la expresión:


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FaYFrXFe

Siendo Fr y Fa las cargas radial y axial, respectivamente, X e Y unos coeficientes

que dependen del tipo de rodamiento y que el fabricante también especifica en sus

catálogos.

Naturalmente, Fe C0 para que la deformación en las condiciones reales de

trabajo sea similar a las de ensayo.

6.2-Capacidad dinámica de carga de un rodamiento:

Se define como "C = carga máxima que puede soportar un cojinete en movimiento, sin que

aparezcan signos de fatiga en ninguno de sus elementos, durante 106 revoluciones del

mismo".

Los ensayos para establecer la capacidad dinámica de carga de un rodamiento se

efectúan en condiciones absolutamente controladas:

- Carga radial pura, constante en cojinetes radiales.

- Anillo exterior fijo y anillo interior móvil, en cojinetes radiales.

- carga axial pura, en cojinetes axiales, perfectamente concentrada y

constante.

- Temperatura de 25ºC.

- Ambiente exento de polvo, humedad etc.

- Velocidad de giro constante, de un valor dado.

Como es lógico, los ensayos se efectúan sobre un gran número de especímenes, por

lo que los resultados anteriores se refieren a un límite de supervivencia del 90% (las normas

ASA denominan vida 10, o L10). A veces, otros fabricantes toman como referencia la vida

media, o aquella que alcanza el 50% de los rodamientos -L50 .

Lógicamente, para otra carga aplicada P, también puramente radial, pero menor que la

capacidad dinámica de carga C, es de suponer que el rodamiento puede alcanzar más

revoluciones de vida.

En efecto se ha comprobado que:

63

10P

CL revoluciones - bolas

6310

10P

CL revoluciones - rodillos

La relación C/P se llama seguridad de carga.


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Como es obvio, el valor de C es independiente de la velocidad. El cojinete vivirá el mismo

número de revoluciones tanto si va rápido como si va lento.

Si la velocidad de giro es constante e igual a n revoluciones por minuto, entonces

puede calcularse una duración en horas, por:

n

LLh

60

106

En el caso de que existan otras combinaciones de cargas diferentes, por ejemplo una

carga radial Fr y otra axial Fa, se tiene una carga dinámica equivalente.

FaVYFrXPde

Los coeficientes X e Y dependen de cada rodamiento, y también la relación Fa/Fr, y

los fabricantes los indican en sus tablas (una muestra es la tabla 6 utilizada en el ejemplo)

(V = 1 en general. Para cojinetes de bolas con camino acanalado, o de bolas de empuje o

radiales de rodillos, V = 1,2).

Siempre ha de ser PdeC para que en estas condiciones el rodamiento pueda vivir 106

revoluciones (en las mismas condiciones del ensayo, excepto la carga).

En el caso de cargas variables se acostumbra a utilizar la carga media cúbica.

Si F1 actúa durante n1 revoluciones, F2 durante n2, etc.,

3

1

33

1

3

22

3

11

ni

niF

n

FnFnF

i

m

Si n1 = cte.; n2 = cte.; etc. Puede utilizarse el tiempo en lugar de ni.

Cuando la variación de la carga es función del número de revoluciones, y puede

representarse por una curva regular (continua o escalonada), puede ponerse

3

1

3

N

dnFFm ; nN

6.3-Duración de los rodamientos:

En condiciones de funcionamiento reales, alejadas de las de ensayo, ocurre que si se somete

al rodamiento a una carga Pde = C, el rodamiento no durará 106 revoluciones. Para que dure

106 rev. habría de sometérsele a una carga Pde menor.

Las causas de estas divergencias son muy variadas, pudiendo mencionarse:


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- Cargas de choque.

- Vibraciones en la maquina donde están montados.

- Temperaturas elevadas.

- Polvo y suciedad.

- Lubricación defectuosa.

- Necesidades de seguridad superiores al 90%.

- Velocidades de giro diferentes a las de ensayo, etc.

Para incluir los efectos de las cargas de choque, polvo y suciedad, vibraciones, etc., se

define un factor fL de esfuerzos dinámicos, obtenido experimentalmente por los fabricantes

en base a la experiencia acumulada y que éstos suministran en sus tablas (una muestra es la

tabla 5 utilizada en el ejemplo).

3

500

hL

Lf

En cuanto a la divergencia de la velocidad de giro con la de ensayo (importante a

los efectos de valorar los efectos de histéresis estática, elevación de temperatura por

rozamiento de rodadura y deslizamiento, efecto de la fuerza centrifuga, etc.), los fabricantes

definen un factor fn, factor de velocidad, por el que debe dividirse la carga dinámica

equivalente (se encuentra en tablas ó según el rodamiento, una muestra es la tabla 4

utilizada en el ejemplo).

Considerando estos dos factores, la capacidad de carga dinámica del rodamiento

será:

CPf

fde

n

L

Finalmente, también puede hacerse una previsión de fallo por fatiga, teniendo en

cuenta la probabilidad de vida (mayor del 90% que dan los fabricantes), el material del que

está construido el rodamiento y las condiciones de lubricación y temperatura.

Para ello se definen tres coeficientes a1, a2 y a3 (que salen de tablas, Catalogo

FAG), por los cuales hay que multiplicar la vida nominal Lh (tabulada en función de fL),

para hallar la vida real.

)(321)( rpmhrpmreal LaaaL

siendo:

)()( ensayohLrpmh LfL

(todo esto suponiendo n = cte.).


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7.-Selección de rodamientos.

7.1-Selección del tipo de rodamiento.

7.1.1-Espacio disponible:

Hay muchos casos en que al menos una de las dimensiones principales del rodamiento,

generalmente el diámetro del agujero, viene determinada por las características de diseño

de la maquina a la que va destinado.

Para los ejes de pequeño diámetro, se puede utilizar cualquier tipo de rodamiento de

bolas, siendo los rodamientos rígidos de bolas los más comúnmente utilizados; los

rodamientos de agujas son también adecuados. Para ejes de grandes diámetros, se pueden

considerar los rodamientos de rodillos cilíndricos, los de rodillos a rótula y los de rodillos

cónicos, así como los rodamientos rígidos de bolas.

Cuando el espacio radial disponible es limitado, deberán seleccionarse rodamientos

de pequeña sección, particularmente los de baja altura de sección, como los rodamientos de

la Serie de Diámetros 8 o 9 (Ver dimensiones). Cabe mencionar en especial las coronas de

aguja, los casquillos de agujas y loas rodamientos de agujas con (o sin) aro interior.

También son adecuadas algunas series de rodamientos rígidos de bolas, de rodamientos de

bolas con contacto angular, de rodamientos de rodillos cilíndricos y de rodillos a rotula.

Cuando la limitación de espacio es en sentido axial, para cargas radiales y combinadas,

pueden usarse algunas series de rodamientos de una hilera de rodillos cilíndricos y de

rodamientos rígidos de bolsas, y para cargas estrictamente axiales pueden usarse coronas

axiales de agujas, rodamientos axiales de agujas y algunas series de rodamientos axiales de

bolas y de rodamientos axiales de rodillos cilíndricos.

7.1.2-Cargas:

Magnitud de la carga.

Este es normalmente el factor más importante para determinar el tamaño del rodamiento a

utilizar. En general, para unas mismas dimensiones principales, los rodamientos de rodillos

pueden soportar mayores cargas que los rodamientos de bolas, y los rodamientos llenos de

elementos rodantes pueden soportar mayores cargas que los rodamientos con jaulas

correspondientes. Los rodamientos de bolas son los más comúnmente utilizados cuando las

cargas son pequeñas o moderadas; los rodamientos de rodillos son la elección más

adecuada para cargas pesadas y ejes de grandes diámetros.

Dirección de la carga.

Carga radial

Con las excepciones de los rodamientos de rodillos cilíndricos sin pestañas en algunos de

sus aros (NU y N) y de los rodamientos radiales de agujas que sólo son adecuados para


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cargas estrictamente radiales, todos los demás rodamientos radiales pueden soportar tanto

cargas radiales como axiales.

Carga axial

Los rodamientos axiales de bolas y los rodamientos de bolas de cuatro puntos de contacto

son los tipos más adecuados para cargas axiales puras pequeñas y moderadas. Los

rodamientos axiales de bolas de simple efecto solo pueden soportar cargas axiles en un

sentido; para cargas axiales en ambos sentidos se necesitan rodamientos de doble efecto.

Los rodamientos axiales de bolas con contacto angular pueden soportar cargas axiales

moderadas a altas velocidades; los rodamientos de simple efecto pueden soportar también

cargas radiales actuando simultáneamente, mientras que los rodamientos de doble efecto

normalmente sólo se usan para cargas axiales puras. Para cargas axiales moderadas y

pesadas actuando en un solo sentido los rodamientos más adecuados son los rodamientos

axiales de agujas, los rodamientos axiales de rodillos cilíndricos y los de rodillos cónicos de

simple efecto, así como los rodamientos axiales de rodillos a simple rótula, que también son

capaces de soportar cargas radiales. Para cargas axiales pesadas alternas, se pueden montar

dos rodamientos axiales de rodillos cilíndricos o de rodillos a rótula adyacentes entre sí

Carga combinada

Una carga consta de una carga radial y una carga axial que actúan simultáneamente.

La capacidad que tiene un rodamiento de soportar una carga axial está determinada

por su ángulo de contacto , cuanto mayor es este ángulo, tanto más adecuado es el

rodamiento para soportar carga axial. El factor de cálculo Y que disminuye al aumentar el

ángulo de contacto, proporciona una indicación de esta capacidad para soportar cargas

axiales. Los valores de este factor para un determinado tipo de rodamientos o para cada

caso individual de rodamientos podrán encontrarse en las tablas de rodamientos dadas por

los fabricantes. La capacidad de carga axial de los rodamientos rígidos de bolas depende

del juego interno de rodamiento.

Para soportar cargas combinadas se usan principalmente los rodamientos de bolas con

contacto angular de una o de dos hileras y los rodamientos de rodillos cónicos de una

hilera, aunque los rodamientos rígidos de bolas y los rodamientos de rodillos a rótula son

también adecuados. Además, los rodamientos de bolas a rótula y los rodamientos de

rodillos cilíndricos de los tipos NJ y NUP, así como de los tipos NJ y NU con aro angular

HJ pueden también usarse con ciertas limitaciones para las cargas combinadas. Los

rodamientos de bolas de cuatro puntos de contacto, los axiales de rodillos a rótula y los de

rodillos cónicos cruzados o de rodillos cilíndricos cruzados son adecuados cuando

predominan las cargas axiales.

Los rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular, los de rodillos cónicos, los de

rodillos cilíndricos del tipo NJ y los axiales de rodillos a rótula pueden soportar cargas

axiales sólo en un sentido. Para las cargas de sentido variable, estos rodamientos deberán

combinarse con un segundo rodamiento. Por esta razón, los rodamientos de una hilera de

bolas con contacto angular se pueden suministrar para apareamiento universal y en juegos

de dos rodamientos de una hilera apareados.


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Cuando la componente axial representa una gran proporción de la carga combinada, ésta

puede ser soportada independientemente de la carga radial por medio de un segundo

rodamiento. Además de los propios rodamientos axiales existen algunos rodamientos

radiales, como los rodamientos rígidos de bolas o los rodamientos de bolas de cuatro puntos

de contacto, que son adecuados para este fin. En estos casos, para tener la seguridad de que

el rodamiento sólo es sometido a carga axial, deberá montase con holgura radial en el

alojamiento.

Ángulo de contacto :

Bajo carga el elemento rodante esta en contacto con los anillos exterior e interior, y es

desarrollada un área de contacto en ambas pistas. Una línea a través de los centros de esas

áreas, y otra perpendicular al eje del rodamiento forman un ángulo, este ángulo es llamado

ángulo de contacto del rodamiento.

La mayoría de los tipos de rodamientos tienen ángulos de contacto fijos, que no cambian

con las condiciones de carga, o ese cambio puede ser ignorado.

La excepción son los rodamientos de bolas de ranura profunda.

Bajo carga radial pura el rodamiento de ranura profunda tienen un ángulo de

contacto de 0º.

Bajo carga axial el ángulo de contacto que resulte dependerá del espacio interno

libre del rodamiento y de le geometría de la ranura de las pistas.

Varios rodamientos de bolas y rodillos son diseñados con ángulo de contacto fijo que puede

ser desde los 10º hasta los 45º.

En algunos casos especiales puede ser mas grande de 60º.

Estos diseños han sido desarrollados para acomodarse a una variedad de aplicaciones y

condiciones de carga adecuadas en la práctica.

La mayoría de los rodamientos de bolas y rodillos de empuje (axiales) son designados para

llevar solo cargas axiles y tener (por lo tanto) un ángulo de contacto de 90º.

El termino "rodamiento de empuje" es usado cuando el ángulo de contacto del rodamiento

es mayor de 45º.

Figura 48

Momentos

Cuando la carga actúa excéntricamente sobre el rodamiento puede dar lugar a momentos

flectores. Los rodamientos de dos hileras, tanto rodamientos rígidos de bolas como los de

bolas con contacto angular, pueden soportar momentos flectores, pero son más adecuadas

las parejas de una hilera de bolas con contacto angular o de rodillos cónicos, sobre todo en


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disposición espalda con espalda, así como los rodamientos de rodillos cilíndricos cruzados

o de rodillos cónicos cruzados.

7.1.3-Desalineación:

Las desalineaciones angulares entre el eje y el soporte pueden ser originadas, por ejemplo,

por flexión del eje bajo la carga de funcionamiento, cuando los asientos del rodamiento en

el soporte no han sido mecanizados en una sola operación o cuando los ejes están

soportados por rodamientos montados en soportes separados y a gran distancia entre sí.

Los llamados rodamientos rígidos no pueden compensar desalineación alguna o su

capacidad para absorber desalineaciónes, sin que aparezcan sobrecargas es muy pequeña.

Por otra parte, los rodamientos autoalineables, como los de bolas a rótula, los de rodillos a

rótula y los axiales de rodillos a rótula son adecuados para absorber las desalineaciones

originadas bajo las cargas de funcionamiento y también los errores de alineación resultantes

del mecanizado o e montaje. Los para las desalineaciones permisibles figura en el texto que

precede a las respectivas tablas de rodamientos dadas por el fabricante.

Los rodamientos axiales de bolas con arandelas de alojamiento esféricas y

contraplacas, y los Y instalados en sus propios soportes pueden absorber los errores

iniciales de desalineación debidos al mecanizado o al montaje.

7.1.4-Precisión:

Se requieren rodamientos de un grado de precisión mayor que el normal para aquellas

disposiciones que hayan de funcionar con rigurosas exigencias de exactitud (por ejemplo,

las disposiciones de rodamientos de los husillos de maquinas-herramienta) así como la

mayoría de los casos que precisan velocidades de funcionamiento muy elevadas.

Los textos que preceden las tablas contienen información sobre las clases de

tolerancias sobre las cuales se fabrican los rodamientos.

7.1.5-Velocidad:

La velocidad a la cual un rodamiento puede funcionar viene limitada por la temperatura

máxima permisible de funcionamiento. Los tipos de bajo rozamiento dan lugar a una

generación interna de calor escasa en el propio rodamiento y, por consiguiente, son los más

adecuados para funcionar a altas velocidades.

Las máximas velocidades pueden obtenerse con los rodamientos rígidos de bolas

cuando las cargas son radiales puras, y con los rodamientos de bolas con contacto angular

para cargas combinadas.

Los que permiten obtener las más altas velocidades son los rodamientos de alta

precisión con jaulas especiales †.

Debido a su diseño los rodamientos axiales no permiten la obtención de velocidades

tan altas como los radiales.

† Este tipo de rodamiento se puede encontrar en el catalogo de SKF “Rodamientos de precisión”.


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7.1.6-Funcionamiento silencioso:

En ciertas aplicaciones, por ejemplo, pequeños motores eléctricos de electrodomésticos y

equipos de oficina, el ruido producido por el motor al funcionar constituye un factor

importante y puede influir en la elección del rodamiento. Hay rodamientos rígidos de bolas

especialmente fabricados para estas aplicaciones.

7.1.7-Rigidez:

La rigidez de un rodamiento se caracteriza por la magnitud de la deformación elástica del

rodamiento cargado. En la mayoría de los casos, esta deformación es muy pequeña y puede

despreciarse. En muy pocos casos, por ejemplo, en husillos de maquinas-herramienta, o en

transmisiones de engranajes cónicos, la rigidez es un factor importante.

Debido a las condiciones de contacto entre los elementos rodantes y los caminos de

rodadura, los rodamientos de rodillos cilíndricos o los de rodillos cónicos, son más rígidos

que los rodamientos de bolas. La rigidez de los rodamientos puede aumentarse aún más

aplicando una precarga.

7.1.8-Desplazamiento axial:

Un eje u otro elemento de máquina va normalmente soportado sobre un rodamiento fijo y

un rodamiento libre.

Los rodamientos fijos proporcionan enclavamiento axial en ambos sentidos al

elemento de máquina. Los rodamientos más adecuados para este fin son los que absorben

cargas combinadas, o los que pueden proporcionar fijación axial en combinación con un

segundo rodamiento.

Los rodamientos libres deberán permitir los desplazamientos axiales para que los

rodamientos no sufran esfuerzos adicionales como resultado, por ejemplo, de la dilatación

térmica del eje. Entre los rodamientos más adecuados figuran los rodamientos de agujas y

de rodillos cilíndricos con uno de los aros sin pestañas (tipo UN y N); pueden usarse

también los rodamientos de rodillos cilíndricos tipo NJ y algunos de los tipos de

rodamientos de rodillos cilíndricos llenos de rodillos. Estos rodamientos permiten el

desplazamiento axial de los rodillos con respecto a uno de los caminos de rodadura por lo

que tanto los aros interiores como los exteriores pueden montarse con ajustes de

interferencia. Los valores para el desplazamiento axial permisible figuran en las tablas de

rodamientos.

En el caso de que se utilicen rodamientos desarmables (por ejemplo, rodamientos

rígidos de bolas o rodamientos de rodillos a rótula) como rodamientos libres, uno de los

aros del rodamiento se debe montar con un ajuste holgado.


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7.1.9-Montaje y desmontaje:

Rodamientos con agujero cilíndrico.

Los rodamientos con agujero cilíndrico son más fáciles de montar cuando son de

diseño desarmable, particularmente si se precisan ajustes de interferencia para los dos aros.

Se prefieren también cuando se precisa un frecuente montaje y desmontaje del rodamiento.

Los aros interiores de estos rodamientos, por ejemplo los rodamientos de rodillos

cilíndricos, los de rodillos cónicos y los de agujas, se pueden montar independientemente

de los aros exteriores. Entre los tipos de rodamientos no desarmables figuran los

rodamientos rígidos de bolas, los de bolas a rótula y los de bolas con contacto angular, así

como los rodamientos de rodillos a rótula.

Rodamientos con agujero cónico.

Los rodamientos con agujero cónico pueden montarse sobre un eje cónico o sobre

un eje cilíndrico usando un manguito de fijación o de desmontaje. Son fáciles de montar y

desmontar.

En la tabla siguiente (Tabla 3) extraída del catálogo general de SKF puede verse una

disposición del tipo de rodamiento y de sus características para las que son más o menos

adecuados.


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Tabla 3


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7.2-Selección del tamaño del rodamiento.

Capacidad de carga.

El tamaño del rodamiento que va a ser utilizado para una determinada aplicación se

selecciona inicialmente en base a su capacidad de carga, comparada con las cargas que

tendrá que soportar, y a las exigencias de duración y fiabilidad requeridas por la aplicación

en cuestión. La capacidad de carga se expresa en los cálculos por medio de valores

numéricos que representan las capacidades de carga nominales básicas de los rodamientos.

En las tablas de rodamientos, se indican los valores de capacidad de carga dinámica C y de

la capacidad de carga estática CO de los diferentes rodamientos.

La capacidad de carga estática CO se usa en los cálculos cuando los rodamientos

giran a velocidades muy bajas, cuando están sometidos a movimientos lentos de oscilación

o cuando están estacionarios bajo carga durante ciertos periodos. También debe tomarse en

cuenta cuando sobre un rodamiento giratorio (sometido a esfuerzos dinámicos) actúan

elevadas cargas de choque de corta duración.

8.-Fallos en cojinetes de rodamientos.

a) Errores en el montaje.

1. Inclusión de polvo y suciedad en el momento del montaje (o durante el

almacenamiento). Estas partículas, por finas y suaves que parezcan, siempre son

abrasivas y producen el desgaste de los elementos rodantes y de los caminos de

rodadura. Ello hace que los elementos rodantes queden más sueltos y el rodamiento

se hace ruidoso. La acción de pulido se incrementa rápidamente, pues los nuevos

productos del desgaste actúan como nuevo material abrasivo.

2. Inclusión de partículas duras, metálicas, en el momento del montaje, tanto dentro

del propio cojinete, como dentro de éste y el árbol y el apoyo del bastidor.

El efecto del primer caso puede ser producir un desgaste abrasivo, o incluso en el

caso de partículas metálicas duras, pueden producirse pequeñas depresiones

(diferentes a las producidas por sobrecargas o corrosiones), ralladuras, cortes, etc. El

pegado de tales partículas a los elementos rodantes o a los caminos de rodadura

puede hacer que el anillo interior se deslice sobre el árbol, o el exterior sobre su

alojamiento.

En todo caso, también son fuentes de rotura por fatiga, ruido, etc.

En el caso de partículas duras pegadas al exterior del rodamiento, sus efectos más

importantes son los desalineamientos y holguras de sujeción, por imposibilidad de

lograr un ajuste correcto.

3. Incorrecto diseño del montaje del cojinete, para su unión al árbol y al bastidor.

Como se sabe, la unión, tanto la del anillo interior al árbol, como la del exterior al

bastidor, se ejecutaran por medio de presión (ajuste con interferencia) o por

collarines y/o tuercas de sujeción. El tipo de ajuste depende del tipo de carga, (radial


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o axial) y si esta se aplica sobre el anillo interior ó exterior. En todo caso, los

fabricantes de rodamientos dan instrucciones al respecto.

En el caso de utilizar collarines de sujeción, éstos no deben exceder en sus

medidas los valores recomendados por los fabricantes para evitar contactos de

deslizamiento inadecuados. La forma del collarín también debe ser la adecuada para

una correcta fijación, debiendo quedar un pequeño hueco para impedir pequeños

desajustes por polvo y suciedad (Fig. 40). La figura 50 muestra algunos de los

errores más comunes.

Figura 49

Figura 50

Los collarines demasiado bajos con radios de acuerdo muy grandes, pueden

originar un ladeo del cojinete, o incluso de un doblado de un árbol.. En el primer

caso se producirá sobrecalentamiento del cojinete con cargas adicionales en los

elementos rodantes y los caminos de rodadura, con los consiguientes aumentos de la

vibración. y del ruido. En el segundo caso se producirán sobrecargas en el árbol.

Los collarines demasiado altos conducen a desgastes y distorsiones en las

placas de obturación o protección de los cojinetes (por otro lado, si el collarín del


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árbol es demasiado alto será imposible aplicar la prensa para extraer el cojinete, en

el caso que sea preciso y este calado a presión).

4. Sobrecargas de montaje. Un ajuste excesivo en el árbol provoca la dilatación del

anillo interior y , por lo tanto, la disminución de la holgura propia del cojinete, con

la consecuente sobrecarga de los elementos rodantes. Lo mismo ocurre con un

ajuste excesivo del anillo exterior.

Si el ajuste es insuficiente se produce deslizamiento entre el anillo interior y el

árbol, produciéndose fenómenos de desgaste (fretting), etc.

5. desalineamientos y deflexiones del árbol también conducen al fallo de los

rodamientos montados en él (aún cuando los rodamientos modernos permiten un

cierto nivel de desalineamiento). Las figuras 51 y 52 muestran algunas causas de

estos desalineamientos.

Tanto este tipo de desalineamientos como los existentes en el apoyo exterior

del rodamiento imponen cargas adicionales al mismo, causando sobretensiones y

calentamientos, resultando en fallos por fatiga, desgastes excesivos ruidos, etc.

Figura 51

Figura 52

6. Abusos antes o durante el montaje pueden causar deterioros de los elementos

rodantes, de los caminos de rodadura, de las jaulas y separadores, de las tapas de

protección o del exterior de los anillos.

Una excesiva presión ejercida desde los anillos sobre las bolas puede ser

causa de la abolladura de éstas, produciéndose elevadas sobrecargas y fuertes ruidos

durante el funcionamiento posterior (esto se produce en pequeños rodamientos que

son presionados para ser introducidos, tanto en el árbol como en el alojamiento del

bastidor).


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También los impactos en dirección axial, que fuerzan las bolas sobre los

caminos de rodadura, producen muescas y hendiduras. (Estas hendiduras se

distinguen de las producidas por chispas o partículas metálicas por encontrarse

igualmente espaciadas según la separación de las bolas.)

También pueden producirse estas hendiduras en el fondo de los caminos de

rodadura, por impactos en dirección radial. Este tipo de hendiduras causan ruidos,

vibraciones, hoyuelos (pitting) con todo lo que ello significa posteriormente.

Los anillos de sujeción pueden fallar como resultado de desalineamientos del

árbol durante la instalación del rodamiento. Lo mismo ocurre con flechas del árbol

excesivas.

Cuando se presiona el anillo interior sobre el árbol para introducirlo, ambos

han de estar perfectamente alineados, pues sino se corre el riesgo de romper el anillo

interior.

b) Incorrectas condiciones de servicio y mantenimiento.

Entre las causas de fallo más importantes por este motivo pueden mencionarse:

1. Entrada de polvo, suciedad, etc., ya sea directamente (cuando el cojinete está

situado en ambientes contaminados o insuficientemente protegidos), ó bien por

medio del lubricante.

2. Existencia de partículas duras, metálicas o no, procedentes de corrosiones o

arrastradas por el aceite lubricante. Sus consecuencias son las mismas, que las

ya analizadas.

3. La contaminación del lubricante con fluidos corrosivos (agua, ácidos, etcétera)

produce un tipo de fallo caracterizado por la aparición de una capa rojizo-

marrón y pequeños hoyuelos grabados sobre toda la superficie de los caminos de

rodadura (a veces tales efectos no son visibles en los caminos de rodadura -zona

de contacto con los elementos rodantes- porque en ella el lubricante es removido

constantemente junto con los óxidos producidos).

4. El paso de la corriente eléctrica a través de los cojinetes de rodamientos(equipos

eléctricos, locomotoras eléctricas, etc.), la cual es continuamente rota al perderse

el contacto entre el elemento rodante y el camino de rodadura, producen

pequeños arcos y chispa, elevándose la temperatura y produciendo daños

localizados.

Uno de los fallos más característicos es la aparición de estrías y hoyos que a

veces alcanzan una profundidad considerable, y que son causa de ruidos,

vibraciones y fenómenos de fatiga.

Normalmente, los efectos más graves se dan en los caminos de rodadura,

aunque también pueden aparecer en los elementos rodantes.

5. El endurecimiento de las grasas lubricantes con el paso del tiempo produce un

fuerte frotamiento que conduce a un fallo por rayado (desgaste por rozamiento),

tanto en los elementos rodantes como en los caminos de rodadura.


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En el caso de cojinetes de rodillos, el deslizamiento puede verse

incrementado si un desgaste previo ha hecho perder el paralelismo entre los ejes

de los rodillos y el eje del árbol.

6. Las sobrecargas en servicio son otras de las causas importantes de fallo. Éstas

pueden provocar una deformación plástica, tanto de los elementos rodantes

como de los caminos de rodadura, con las consiguientes deformaciones

geométricas. Uno de los fallos más típicos son las hendiduras y abolladuras que

se pueden producir por cargas de impacto.

Las cargas anormales y las producidas por desequilibrados excesivos del

rotor pueden provocar también el deslizamiento relativo del anillo interior

respecto al árbol (o del exterior respecto al bastidor), debido a deformaciones

plásticas o elásticas de los anillos (aún cuando el ajuste sea el correcto).

El efecto es un desgaste excesivo, tanto en el anillo como en el árbol,

pudiendo llegarse incluso a fuertes rallados que posibilitan la rotura por fatiga.

7. Las vibraciones, tanto del árbol como de la carcasa, provocan también el fallo de

los rodamientos por el fenómeno de fretting (desgaste producido por

microdeslizaminetos repetidos, acompañados de corrosión).

Esté fenómeno se produce usualmente entre los anillos de sujeción el árbol o

carcasa, con los efectos y mecanismos ya conocidos. Sin embargo, también se

puede presentar entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura, en los

cojinetes no giratorios (aquellos que durante su funcionamiento, no presentan un

giro completo, sino una oscilación respecto de un punto) debido a que las

vibraciones producen pequeños desplazamientos de las bolas o rodillos,

barriendo el lubricante e iniciando un desgaste localizado, al que sigue la

corrosión.

8. Las elevadas temperaturas de operación también pueden ser causa importante de

fallos, tanto por las tensiones inducidas en las dilataciones consecuentes, como

por las pérdidas de dureza y resistencia en el material que ellas traen consigo.

También por ser fuente de deterioros para los lubricantes.

9. Otra serie de fallos importantes en estos elementos están asociados a una

incorrecta lubricación. Éstos pueden deberse al uso de lubricantes no idóneos

(por su viscosidad, etc.), o falta o exceso del mismo en el rodamiento, y a su

deterioro en servicio. En general los fallos por estas causas conducen a

calentamientos, desgastes, rotura por fatiga y procesos de oxidación.

El exceso de lubricante tiene el efecto de generar un sobrecalentamiento del

mismo, debido al fuerte batido y agitación producido por el movimiento de las

bolas y rodillos. Este sobrecalentamiento disminuye la viscosidad, con lo cual el

contacto metálico es más intenso (provocando desgastes, roturas por fatiga, etc.).

La falta de lubricante, al impedir la formación de la película, también

incrementa el desgaste e impide eliminar el calor producido. La formación de

escamas en las superficies de rodadura y el deterioro de superficies

considerables de las mismas es un síntoma claro de fallo por esta causa.


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Referencias:

1. SKF; Catálogo general.

2. Robert L. Moott, P.E.; Diseño de elementos de máquinas (segunda edición).

3. Roque Calero Peréz, José Antonio Carta González; Fundamentos de

mecanismos y máquinas para ingenieros.

4. SKF, Revista de rodamientos SKF, Biblioteca del Departamento de

Aeronáutica y del Departamento de Mecánica.

5. KLVER LUBRICATION MNCHEN KG, Rolling bearing grases;

Biblioteca del Departamento de Aeronáutica.

6. Eschman, Hasbargen, Weiigand; Ball and roller bearings. Theory, Desing and

Application, Biblioteca del Departamento de Mecánica.

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