Condiciones de funcionamiento
Vida útil
La vida útil calculada de un rodamiento se basa en la carga que soporta y su velocidad de funcionamiento, y es inversamente proporcional a la carga del rodamiento al cubo. La carga máxima nominal de un rodamiento es para una vida útil de 1 millón de rotaciones, que a 50 Hz (es decir, 3000 RPM) es una vida útil de 5,5 horas de trabajo. El 90 % de los rodamientos de ese tipo tienen al menos esa vida útil, y el 50 % de los rodamientos tienen una vida útil al menos 5 veces mayor.[8].
El cálculo de la vida estándar de la industria se basa en el trabajo de Lundberg y Palmgren realizado en 1947. La fórmula asume que la vida está limitada por la fatiga del metal y que su valor de ajusta a una distribución de Weibull. Existen muchas variaciones de la fórmula que incluyen factores para tener en cuenta las propiedades del material, la lubricación y la carga. La factorización de la carga puede verse como una admisión tácita de que los materiales modernos demuestran una relación diferente entre la carga y la vida útil que la que determinaron Lundberg y Palmgren.[8].
Modos de fallo
Si un rodamiento no gira, la carga máxima se determina mediante la fuerza que provoca la deformación plástica de los elementos o de los surcos de rodadura. Las hendiduras provocadas por los elementos pueden concentrar tensiones y generar fisuras en los componentes. La carga máxima para rodamientos que no giran o que giran muy lentamente se denomina carga máxima "estática".[8].
Además, si un rodamiento no está girando, las fuerzas oscilantes sobre el rodamiento pueden causar daños por impacto en los surcos del rodamiento o en los elementos rodantes, lo que se conoce como punzonamiento. Una segunda forma menor llamada falso punzonamiento se produce si el rodamiento solo gira en un arco corto y proyecta el lubricante hacia afuera de los elementos rodantes.
Para un rodamiento giratorio, la capacidad de carga dinámica indica la carga a la que el rodamiento es capaz de soportar 1 000 000 de ciclos.
Si un rodamiento está girando, pero experimenta una carga pesada que dura menos de una revolución, se debe usar la carga máxima estática en los cálculos, ya que el rodamiento no gira durante la carga máxima.[8].
Si se aplica un par de torsión lateral a un rodamiento radial de ranura profunda, los elementos rodantes aplican una fuerza desigual en forma de elipse sobre el anillo exterior, concentrándose en dos regiones en los lados opuestos del anillo exterior. Si el anillo exterior no es lo suficientemente fuerte, o si no está lo suficientemente reforzado por la estructura de soporte, adquirirá una forma ovalada debido al esfuerzo de torsión lateral, hasta que el espacio sea lo suficientemente grande como para que los elementos rodantes se escapen. A continuación, el anillo interior se sale de su posición y el rodamiento colapsa estructuralmente.
Un par de torsión lateral en un rodamiento radial también aplica presión a la jaula que sostiene los elementos rodantes a distancias iguales, debido a que los elementos rodantes intentan deslizarse todos juntos en la ubicación de mayor torsión lateral. Si la jaula se colapsa o se rompe, los elementos rodantes se agrupan, el anillo interior pierde soporte y puede salirse del centro.
Carga máxima
En general, la carga máxima sobre un rodamiento de bolas es proporcional al diámetro exterior del rodamiento multiplicado por el ancho del rodamiento (donde el ancho se mide en la dirección del eje).[8].
Los rodamientos tienen clasificaciones de carga estática, que se basan en no superar una cierta cantidad de deformación plástica en el surco de rodadura. Estas clasificaciones pueden excederse considerablemente para ciertas aplicaciones.
Lubricación
Para que un rodamiento funcione correctamente, debe lubricarse. En la mayoría de los casos el lubricante se basa en el efecto elastohidrodinámico (por aceite o grasa) pero para trabajar a temperaturas extremas también se dispone de rodamientos lubricados en seco.
Para que un rodamiento alcance su vida útil nominal a su carga máxima nominal, debe lubricarse con un lubricante (aceite o grasa) que tenga al menos la viscosidad dinámica mínima (generalmente indicada con la letra griega ) recomendada para ese rodamiento.[8].
La viscosidad dinámica recomendada es inversamente proporcional al diámetro del rodamiento.[8].
La viscosidad dinámica recomendada disminuye con la frecuencia de rotación. A modo de indicación aproximada: para menos de , la viscosidad recomendada aumenta con el factor 6 para una disminución de la velocidad de factor 10, y para más de , la viscosidad recomendada disminuye con el factor 3 para un aumento de velocidad de factor 10.[8].
Para un rodamiento donde el promedio del diámetro exterior del rodamiento y el diámetro del orificio del eje es , y que gira a , la viscosidad dinámica recomendada es de .[8].
Se debe tener en cuenta que la viscosidad dinámica del aceite varía mucho con la temperatura: un aumento de temperatura de hace que la viscosidad disminuya en un factor de 10.[8].
Si la viscosidad del lubricante es más alta que la recomendada, la vida útil del rodamiento aumenta, aproximadamente de forma proporcional a la raíz cuadrada de la viscosidad. Si la viscosidad del lubricante es menor que la recomendada, la vida útil del rodamiento disminuye y la cantidad depende del tipo de aceite que se utilice. Para los aceites con aditivos EP ('extrema presión'), la vida útil es proporcional a la raíz cuadrada de la viscosidad dinámica, al igual que lo que sucede con una viscosidad demasiado alta, mientras que para los aceites ordinarios la vida útil es proporcional al cuadrado de la viscosidad si se usa una viscosidad inferior a la recomendada.[8].
La lubricación se puede realizar con grasa, lo que tiene la ventaja de que la grasa normalmente se mantiene dentro del rodamiento y libera el aceite lubricante a medida que las bolas la comprimen. Proporciona una barrera protectora del medio ambiente para el metal del rodamiento, pero tiene las desventajas de que esta grasa debe reemplazarse periódicamente y la carga máxima del rodamiento disminuye (porque si el rodamiento se calienta demasiado, la grasa se derrite y se sale del rodamiento). El tiempo entre reemplazos de grasa disminuye mucho con el diámetro del rodamiento: para un rodamiento , la grasa debe reemplazarse cada 5000 horas de trabajo, mientras que para un rodamiento debe reemplazarse cada 500 horas de trabajo.[8].
La lubricación también se puede hacer con un aceite, que tiene la ventaja de una carga máxima más alta, pero necesita alguna forma de mantener el aceite en el cojinete, ya que normalmente tiende a agotarse. Para la lubricación con aceite, se recomienda que para aplicaciones donde el aceite no se calienta por encima de , el aceite debe reemplazarse una vez al año, mientras que para aplicaciones donde el aceite no se calienta por encima de , el aceite debe reemplazarse 4 veces al año. Para los motores de automóviles, el aceite supera los , pero el motor tiene un filtro de aceite para mantener la calidad del lubricante; por lo tanto, generalmente se cambia con menos frecuencia que el aceite de los cojinetes.[8].
Dirección de la carga
La mayoría de los cojinetes están diseñados para soportar cargas perpendiculares al eje ("cargas radiales"). Si también pueden soportar cargas axiales y, en caso afirmativo, cuánto, depende del tipo de rodamiento. Los cojinetes de empuje (que se encuentran comúnmente en las mesas giratorias) están diseñados específicamente para soportar cargas axiales.[8].
Para los rodamientos rígidos de bolas de una hilera, la documentación de SKF indica que la carga axial máxima es aproximadamente el 50 % de la carga radial máxima, pero también señala que los rodamientos "livianos" y/o "pequeños" pueden soportar cargas axiales que son el 25 % de la carga radial máxima.[8].
Para los rodamientos de bolas de contacto de borde de una hilera, la carga axial puede ser aproximadamente 2 veces la carga radial máxima, y para cojinetes cónicos, la carga axial máxima está entre 1 y 2 veces la carga radial máxima.[8].
A menudo, los rodamientos de bolas del tipo Conrad muestran un achatamiento elipsoidal de contacto bajo cargas axiales. Eso significa que el diámetro interior del anillo exterior es lo suficientemente grande o el diámetro exterior del anillo interior es lo suficientemente pequeño como para reducir el área de contacto entre las bolas y el surco de rodadura. Cuando este es el caso, pueden aumentar significativamente las tensiones en el rodamiento, invalidando a menudo las reglas generales con respecto a las relaciones entre la capacidad de carga radial y axial. Con diseños de construcción distintos del tipo Conrad, se puede reducir aún más el diámetro interior del anillo exterior y aumentar el diámetro exterior del anillo interior para limitar este efecto.
Si están presentes cargas axiales y radiales, se pueden agregar vectorialmente, para dar como resultado la carga total en el rodamiento, que en combinación con la carga máxima nominal se puede usar para predecir su vida útil.[8] Sin embargo, para predecir correctamente la vida útil nominal de los rodamientos de bolas, se debe utilizar la norma ISO/TS 16281 con la ayuda de un software de cálculo.
Evitar cargas axiales no deseadas
La parte de un rodamiento que gira (ya sea el orificio del eje o la circunferencia exterior) debe estar fija, mientras que para una parte que no gira, esto no es necesario (por lo que se puede permitir que deslice). Si un rodamiento se carga axialmente, ambos lados deben estar fijos.[8].
Si un eje tiene dos cojinetes y la temperatura varía, el eje se contrae o expande, y por lo tanto, no es admisible que ambos cojinetes estén fijados en ambos lados, ya que la expansión del eje ejercería fuerzas axiales que dañarían los cojinetes. Por lo tanto, al menos uno de los cojinetes debe poder deslizar.[8].
Un "ajuste de deslizamiento libre" es aquel en el que hay al menos un espacio libre de 4 µm, presumiblemente porque la rugosidad de una superficie mecanizada en un torno es normalmente de entre 1,6 y 3,2 µm.[8].
Ajuste
Los rodamientos pueden soportar su carga máxima solo si las piezas de acoplamiento tienen el tamaño adecuado. Los fabricantes de rodamientos suministran tolerancias para el ajuste del eje y la carcasa para que se pueda lograr. También se pueden especificar el tipo de material y su dureza.[8].
Los accesorios que no pueden deslizar se fabrican con diámetros que evitan el deslizamiento y, en consecuencia, las superficies de contacto no se pueden colocar en su posición sin aplicar una fuerza. Para rodamientos pequeños, esto se hace mejor con una prensa porque golpear con un martillo daña tanto el rodamiento como el eje, mientras que para los rodamientos grandes las fuerzas necesarias son tan grandes que no hay alternativa a calentar una parte antes del montaje, por lo que la expansión térmica permite realizar un ajuste por deslizamiento.[8].
Evitar cargas de torsión
Si un eje está soportado por dos cojinetes, y las líneas centrales de rotación de estos cojinetes no son las mismas, entonces se ejercen grandes fuerzas sobre ambos, que pueden destruirlos. Si es aceptable una desalineación muy pequeña y cuánto depende del tipo de rodamiento. Para los rodamientos que están hechos específicamente para ser 'autoalineables', la desalineación aceptable es de entre 1,5 y 3 grados de arco. Los cojinetes que no están diseñados para ser autoalineables pueden aceptar una desalineación de solo 2 a 10 minutos de arco (0.033-0.166 grados).[8].