¿Se ha preguntado alguna vez por qué el ajuste preciso entre rodamientos, ejes y alojamientos es tan crucial en la maquinaria? Este artículo explora los fundamentos del cálculo de estos ajustes, detallando cómo los distintos ajustes influyen en el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas mecánicos. Al comprender estos principios, los ingenieros pueden garantizar el funcionamiento óptimo y la longevidad de las máquinas. Sumérjase para conocer los factores críticos y los métodos utilizados para determinar el ajuste perfecto de sus componentes mecánicos.
El ajuste entre rodamientos, ejes y soportes de rodamientos es un aspecto crítico en las aplicaciones de rodamientos, y es un tema de gran interés para los usuarios de rodamientos. En la práctica, el principio de selección estándar para el ajuste puede satisfacer las necesidades de la aplicación.
Sin embargo, muchos ingenieros sienten curiosidad por saber cómo se calcula este principio de selección de ajuste, y algunos incluso prefieren hacer los cálculos ellos mismos.
De hecho, el método de cálculo básico para seleccionar el ajuste entre rodamientos, ejes y soportes de rodamientos puede realizarse recombinando los conocimientos previos desde la perspectiva de cómo afecta el ajuste al funcionamiento del rodamiento.
Antes de realizar el cálculo para seleccionar el ajuste entre rodamientos, ejes y soportes de rodamientos, es fundamental comprender el objetivo real de este cálculo, que proporciona una definición clara del método de cálculo y las condiciones límite.
El objetivo general del ajuste entre el anillo interior del rodamiento y el eje, y el anillo exterior del rodamiento y el alojamiento del rodamiento, es garantizar que no haya movimiento relativo entre el rodamiento y el eje, y entre el alojamiento del rodamiento y el anillo exterior del rodamiento.
Debe evitarse el movimiento relativo tanto en sentido circunferencial como axial. Es importante comprender que es difícil evitar el movimiento relativo únicamente mediante el ajuste, por lo que deben utilizarse otros elementos de diseño externos para garantizarlo.
Por ejemplo, se utilizan resaltes de eje y escalones de alojamiento de rodamientos para limitar el movimiento axial; diseños que utilizan ranuras de bloqueo o juntas tóricas para detener el movimiento relativo en la dirección circunferencial. Estos métodos suelen servir como complemento cuando el ajuste por sí solo no puede cumplir su función, impidiendo el movimiento relativo y garantizando un cierto grado de fiabilidad.
Ajustar los límites
De la discusión anterior, sabemos que existe un límite mínimo en el montaje de rodamientos y componentes relacionados. Si la fuerza de ajuste es demasiado pequeña, provocará un movimiento relativo entre el rodamiento y la superficie de ajuste, dejando de cumplir su función de fijación. Esta situación aumenta la probabilidad de desplazamiento del rodamiento.
Desde la perspectiva de la teoría del diseño de piezas mecánicas: cuanto más ajustado sea el ajuste, mayor será la fuerza de ajuste y, en consecuencia, más significativo será el efecto de "fijación". Sin embargo, existe un grado de ajuste "flojo" y "apretado".
Si el ajuste es demasiado apretado, aunque puede garantizar la fijación relativa de la superficie de ajuste, otras dimensiones dentro del rodamiento y el material de acero del propio rodamiento se verá afectada. Por lo tanto, la fijación no puede lograrse únicamente aumentando el ajuste.
Por otra parte, en algunas aplicaciones, la "fuerza de ajuste" generada entre las dos superficies de ajuste mutuas variará (por ejemplo, en algunas situaciones de vibración). Por lo tanto, cuando la tendencia al movimiento relativo de la superficie de ajuste se produce durante las fluctuaciones de fuerza antes mencionadas, la "fuerza de ajuste" requerida debe ser mayor.
¿Por qué debe ser mayor? Porque debemos asegurarnos de que durante las fases "fuerte" y "débil" del movimiento relativo, esta fuerza de ajuste no provoque un movimiento relativo de las superficies de ajuste. Por ejemplo, si seleccionamos la "fuerza de ajuste" según la etapa "fuerte" del movimiento relativo, cuando la vibración pase a la etapa "débil", esta "fuerza de ajuste" parecerá demasiado grande.
Por el contrario, si elegimos la "fuerza de ajuste" en función de la fase "débil", cuando vibre hasta la fase "fuerte" nos encontraremos con que esta fuerza es insuficiente y se ha producido un movimiento relativo de las superficies de ajuste. Por lo tanto, para atender al pico, es inevitable utilizar una fuerza de ajuste mayor.
Por eso, en condiciones de vibración, se recomienda generalmente emplear un ajuste más apretado para el cojinete relacionado.
Esto es lo que tenemos que discutir: existe un límite máximo para el montaje de rodamientos y componentes relacionados. Si la fuerza de ajuste es demasiado grande, provocará cambios en otras propiedades de los rodamientos, lo que dará lugar a problemas.
En conclusión, el objetivo final en la selección de los ajustes de tolerancia de los rodamientos es la fuerza de ajuste entre las superficies de ajuste de los rodamientos. Si esta fuerza de ajuste es demasiado pequeña, puede provocar fácilmente un movimiento relativo (desplazamiento) entre el rodamiento y los componentes de ajuste; si la fuerza de ajuste es demasiado grande, puede afectar al rendimiento interno del rodamiento (juego demasiado pequeño, aumento de la precarga).
Este es el límite básico y la dirección de cálculo para la selección de los ajustes de tolerancia rodamiento-eje y rodamiento-carcasa.
Ejemplo: Cojinete de motor de rotación interna horizontal general.
El sistema de ejes de un motor horizontal de rotación interna común tiene la configuración de rodamientos más sencilla. A partir de este modelo pueden deducirse otros tipos de sistemas de ejes.
Cuando un motor horizontal de rotación interna está en funcionamiento, el eje de rotación del motor girará con el anillo interior del rodamiento. Así, la "rotación" se transmite del rotor del motor al anillo interior del rodamiento, lo que implica que el anillo interior del rodamiento gira pasivamente. En este caso, se requiere una fuerza motriz importante.
Esta fuerza motriz engloba la fuerza necesaria para que el anillo interior del rodamiento, junto con el elemento rodante y la jaula, giren. Por lo tanto, la condición de funcionamiento más exigente para hacer girar el anillo interior del rodamiento es durante el arranque o los cambios de velocidad. En este momento, la fuerza motriz mínima es la aceleración centrífuga multiplicada por la masa del anillo interior del rodamiento.
La situación es ligeramente diferente cuando el rodamiento gira a una velocidad uniforme.
Cuando un rodamiento se mueve a velocidad constante, la fuerza de accionamiento necesaria es mínima, principalmente para superar la fricción entre los elementos rodantes internos y las pistas de rodadura. Por lo tanto, la "fuerza de ajuste" necesaria es mucho más sencilla que en el supuesto anterior.
Observando dos aplicaciones diferentes, los motores que cambian frecuentemente de velocidad o arrancan requieren mucha más "fuerza de ajuste" que los que funcionan a velocidad constante. Esto explica por qué las tablas de ajuste recomendadas anteriormente suelen requerir un ajuste más apretado para situaciones de velocidad variable o arranque frecuente.
Hasta ahora hemos hablado del "anillo giratorio", es decir, del anillo interior. Pero, ¿qué ocurre con el anillo exterior? En los motores de rotor interior horizontal, el anillo exterior del rodamiento suele ser fijo, y el alojamiento del rodamiento también lo es.
La única fuerza que tiende a hacer girar el anillo exterior del rodamiento es la rodadura de los rodillos del rodamiento dentro del anillo exterior. En circunstancias normales, normalmente sólo hay rozamiento de rodadura entre los rodillos del rodamiento y el anillo exterior, por lo que esta fuerza de ajuste sólo tiene que superar este rozamiento de rodadura para vencer la tendencia del anillo exterior del rodamiento a girar.
Además, como la fricción de rodadura es muy pequeña, la fuerza de ajuste que necesita el rodamiento para vencer la fricción de rodadura también es muy pequeña. Sin embargo, existe una fricción de deslizamiento entre el alojamiento del rodamiento y el anillo exterior del mismo.
Al mismo tiempo, la carga radial entre el anillo exterior del rodamiento y la carcasa del rodamiento puede considerarse igual que la carga radial interna del rodamiento. Además, hay un lubricante dentro de la pista de rodadura del rodamiento para reducir la fricción, mientras que no hay lubricante entre el anillo exterior del rodamiento y la carcasa del rodamiento.
En conclusión, colocando firmemente el anillo exterior del rodamiento dentro de la carcasa, se puede superar la tendencia al movimiento relativo mediante la fricción por deslizamiento. Por lo tanto, es fácil entender por qué la pista exterior del rodamiento de un motor horizontal de rotación interna suele estar suelta.
Volviendo al tema principal, es bastante sencillo calcular la fuerza de rozamiento ejercida sobre la pista exterior de un rodamiento por los cuerpos rodantes. Por supuesto, mi experiencia personal en ingeniería sugiere que, en general, estos cálculos no son necesarios en la práctica, ya que las tablas estándar de selección de ajustes suelen ser suficientes. Sin embargo, los ingenieros con curiosidad por aprender pueden intentarlo.
He aquí algunas preguntas adicionales para que los ingenieros las tengan en cuenta (el proceso de reflexión ya se ha esbozado anteriormente, sólo hay que seguirlo):
1. ¿Por qué es necesario que el ajuste sea hermético en condiciones de vibración y que el anillo de rodadura exterior sea hermético?
2. ¿Cómo debe seleccionarse el ajuste de tolerancia para un motor vertical?
3. ¿Cómo debe seleccionarse el ajuste de tolerancia para un motor de rotación externa?
El contenido anterior no ofrece respuestas a las preguntas anteriores. Se anima a todo el mundo a que piense en ello por su cuenta, y creo que todo el mundo puede deducir las respuestas. (Una pequeña pista: considere la elasticidad).
En caso de movimiento uniforme, ¿el ajuste del anillo de rodadura exterior antes mencionado daría lugar a la orbitación?
Hemos mencionado el límite del ajuste máximo de interferencia. Si la interferencia es demasiado grande, puede provocar cambios en otras prestaciones del rodamiento.
En primer lugar, el factor más importante es el cambio en las propias dimensiones del rodamiento. Cuando el rodamiento está bien ajustado, el juego interno del rodamiento disminuirá. Cuando el holgura del cojinete es demasiado pequeño, el rodamiento puede agarrotarse. Por lo tanto, el primer requisito para el ajuste más apretado del rodamiento es satisfacer el requisito de juego residual del rodamiento.
Estos métodos se utilizan habitualmente en determinados campos, como en la aplicación de rodamientos para cajas de cambios.
En segundo lugar, los factores afectados por el ajuste apretado son los materiales del rodamiento, como el agrietamiento del anillo interior. De hecho, esta situación se ha producido en aplicaciones prácticas. Sin embargo, por lo general, el impacto del material del rodamiento se produce después del efecto del juego.
Estos artículos tratan principalmente de los métodos básicos de cálculo de los ajustes de los rodamientos y los componentes relacionados.
Sin embargo, es fundamental comprender que, para los sistemas de rodamientos de motores, estos cálculos complejos suelen ser innecesarios. Esto se debe a que las tablas diarias de ajuste de tolerancias recomendadas ya han considerado los factores mencionados. La selección directa basada en estos principios suele ser suficiente. Escribimos este contenido para informarle de cómo se obtienen estos resultados de referencia que utilizamos a diario.
A menos que se trate de una aplicación muy específica, o que le entusiasme especialmente comprender el proceso teórico, no recomendamos que cada selección de ajustes se someta a un examen tan complejo.
Por supuesto, para los ingenieros de cajas de cambios, especialmente cuando calculan la precarga de los rodamientos de rodillos cónicos y los rodamientos de bolas de contacto angular, estas consideraciones se vuelven inevitables y requieren una comprensión cuidadosa.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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