Por Eduardo Niño de Rivera
INTRODUCCIÓN
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| Ilustración 1 |
El juego interno es el espacio que queda entre el camino de rodaje de
un anillo y el ensamble del otro anillo con sus elementos rodantes, y representa el movimiento relativo que puede darse entre ambos anillos.
Dependiendo del tipo de rodamiento, el juego interno puede ser radial o axial,
y tiene un papel importante en el desempeño suave, eficiente y duradero de los
engranajes. Es por ello importante entender los criterios que se emplean para
especificar el juego interno de los rodamientos y los efectos que la
temperatura y los ajustes de montaje en ejes y alojamientos tienen en el juego
interno efectivo en condiciones de operación. Si bien es esencial que se sigan
los procedimientos adecuados en el manejo de los rodamientos, tema tratado en
detalle en numerosos manuales publicados por fabricantes de estos componentes,
también es importante que el personal de mantenimiento tenga conciencia del
efecto que las prácticas de montaje y las temperaturas de operación tienen en
el desempeño de los reductores de velocidad. Este artículo trata sobre el
impacto que el juego interno en estado libre, los ajustes de ejes y
alojamientos, las prácticas de montaje y las temperaturas de operación tienen
en el juego interno efectivo durante la operación y sus implicaciones en el
desempeño del reductor de velocidad.
TIPOS DE RODAMIENTOS
Los rodamientos se pueden clasificar en base a la dirección de la carga
que soportan, en radiales (A), axiales, (B) o de contacto angular (que soportan
tanto cargas radiales como axiales, C) .
También pueden clasificarse por la forma de los elementos rodantes:
bolas (A), rodillos cilíndricos (B), rodillos cónicos (C) y rodillos esféricos
(D).
La descripción completa de un rodamiento incluye las dos
clasificaciones anteriores, por ejemplo, rodamiento axial de rodillos cónicos.
JUEGO INTERNO
Al juego interno en rodamientos de contacto radial se le conoce como
juego radial y es igual al movimiento relativo que puede haber entre el anillo
interior y el exterior en la dirección radial (ilustración 1).
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| Ilustración 5 |
Se llama juego lateral o axial al desplazamiento posible del rotor en
sentido axial.
Los rodamientos de bolas de contacto angular y los de rodillos cónicos
tienen tanto juego interno radial como axial, directamente relacionados entre
sí. El juego axial es el que se especifica con mayor frecuencia debido a que es
más fácil de controlar en este tipo de rodamientos.
JUEGO INTERNO DE FÁBRICA.
El juego interno radial de rodamientos de bolas, rodillos cilíndricos y
rodillos esféricos se establece al ensamblarlos en la fábrica. Es práctica
común seguir la norma ISO 5753 con el código de clasificación, C:
Juego interno normal: C0
Juego interno menor al normal: C1 y C2
Juego interno superior al normal: C3, C4 y C5
EFECTOS DE LOS AJUSTES DE MONTAJE EN EL JUEGO RADIAL.
Las tolerancias de manufactura en los diámetros interiores y exteriores
normalmente se especifican siguiendo la norma ISO 286 que establece las
tolerancias mediante un código con una una letra y un número, las tolerancias
para diámetros exteriores se designan con letras minúsculas y las de diámetros
interiores con letras mayúsculas. Por ejemplo, una especificación m6 para un
eje de 100 mm, que queda entre 80 y 120 mm, significa una tolerancia que va de
+13 a +35 mm, es decir, el diámetro del
eje quedará entre 100.013 y 100.035 mm. De igual manera, una especificación H7
para un agujero de 180 mm representa una tolerancia de +0/+35 mm o diámetro de agujero de 180.000/180.035
mm. (las mediciones deben hacerse con todos los componentes e instrumentos a 20°C)
Los ajustes reales en ejes y alojamientos para un rodamiento
determinado quedarán dentro del rango permitido por las tolerancias de los
componentes respectivos. Supongamos, por ejemplo, que se especifican
tolerancias m6 para el eje y H7 para el alojamiento de un rodamiento de doble
hilera de rodillos esféricos 23220, con diámetro de agujero de 100 mm
(tolerancia -20/+0 micrómetros) y diámetro exterior de 180 mm (tolerancia
-25/+0 micrómetros).
El ajuste entre el anillo exterior y el alojamiento quedará dentro del
rango:
Agujero máximo
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180.035
|
Agujero mínimo
|
180.000
|
||
Diámetro ext. mínimo.
|
179.985
|
Diámetro ext máximo
|
180.000
|
||
Ajuste de
|
0.050
|
holgado
|
A
|
0.000
|
holgado
|
El ajuste entre el eje y el anillo interior quedará dentro del rango:
Agujero máximo
|
100.000
|
Agujero mínimo
|
99.980
|
||
Eje mínimo
|
100.013
|
Eje máximo
|
100.035
|
||
Ajuste de
|
-0.013
|
(apretado)
|
A
|
-0.055
|
(apretado)
|
Juego interno en el estado libre (C3): 100 a 135
Ajuste apretado en el eje (m6): 13 a 55
Pérdida de juego interno (60% del ajuste apretado): 7.8 a 33
Juego interno después de la instalación: 67 (100-33) a 127.2 (135 -7.8)
Dimensiones en micrómetros
ATENCIÓN: un ajuste holgado en anillos que giran respecto a la carga
puede permitir que el anillo se deslice, girando sobre su eje o alojamiento y
generando calor. En condiciones severas el incremento correspondiente en la
temperatura puede alcanzar niveles que destruyen los rodamientos.
JUEGO LATERAL
RODAMIENTO DE UNA HILERA
El juego lateral para rodamientos de contacto angular de una hilera de
bolas o de rodillos cónicos se establece al ensamblar el reductor de velocidad
(ilustración 5):
1.
El eje completamente ensamblado, incluyendo los
anillos exteriores (en México, se llama taza a los anillos exteriores de rodamientos cónicos) se coloca en la mitad inferior de una caja bipartida;
2.
Se fija uno de los platos laterales a la caja;
3.
Se fija el otro plato lateral (A en la
ilustración 5) sin empaques o laminillas separadoras y se mide el hueco (C) entre
la pared de la caja (B) y el plato (A); y,
4.
Se colocan suficientes laminillas separadoras
para obtener el juego lateral deseado.
Cortesía of
Horsburgh and Scott Co.
En este caso no es necesario considerar el impacto del ajuste apretado
en los anillos interiores (o conos) en la reducción del juego interno porque el
juego lateral se establece después de que los anillos han sido montados en su
eje.
RODAMIENTOS DE DOBLE HILERA DE BOLAS O RODILLOS CÓNICOS
El espacio entre los anillos exteriores es la dimensión básica.
Se especifica el ancho del anillo separador para obtener el juego
interno o precarga (con el ancho del separador menor al espacio original)
deseados.
Los rodamientos de contacto angular pueden fabricarse en unidades de
doble hilera con el juego interno establecido en la fábrica. Es más común, sin
embargo, que se suministren juegos de rodamientos de contacto angular y de
rodillos cónicos con juego lateral o la precarga controlados mediante el ancho
de los anillos del rodamiento (Ilustración 10) o de los anillos separadores
(ilustración de la izquierda).
PÉRDIDA DE JUEGO INTERNO DEBIDO A LA EXPANSIÓN TÉRMICA
El calor que se genera dentro de los rodamientos debido a la fricción
de rodaje, normalmente se disipa en el ambiente o es eliminado mediante
alojamientos enfriados por agua. Por lo tanto, los ejes generalmente trabajan a
temperaturas más elevadas que los alojamientos. Esta diferencia de temperaturas
se refleja en una pérdida de juego interno en operación.
Igualmente, cuando la transmisión se encuentra a temperatura de operación,
la caja está más fría que los ejes, lo que implica que los ejes habrán
experimentado una mayor expansión longitudinal que la caja. Si los ejes están
soportados por rodamientos que solamente pueden aceptar cargas axiales en un
solo sentido, como los rodamientos axiales o rodamientos de una hilera, ya sean
de contacto angular o de rodillos cónicos, los anillos exteriores quedarán
fijos a sus alojamientos y habrá una pérdida en el juego lateral del sistema (Ilustración
5).
Los ejes también pueden estar montados en rodamientos que pueden
soportar cargas axiales en ambas direcciones, como los rodamientos axiales de
doble acción o los rodamientos de contacto angular de doble hilera, ya sean de
bolas, rodillos cónicos o rodillos esféricos. Tratándose de engranes
helicoidales soportados por este tipo de rodamientos, un rodamiento deberá
quedar fijo al alojamiento para soportar las cargas axiales en ambas
direcciones y el otro rodamiento debe tener posibilidad de desplazarse en el
sentido axial para aceptar la diferencia de expansiones longitudinales entre
los ejes y la caja (montaje flotante).
La forma de los dientes de doble hélice obliga a los
engranes a mantener la posición relativa entre sí, por lo tanto, solamente
puede haber un rodamiento fijo para todo un tren de engranajes y los demás
rodamientos deben poder desplazarse lateralmente para permitir que los engranes
encuentren su posición natural.
NOTA: ocasionalmente, los ejes de engranajes que generan cargas axiales
pequeñas pueden ser soportados por rodamientos radiales de una hilera de bolas
o de rodillos esféricos que soportan cargas axiales limitadas. Estos
rodamientos pueden montarse con un rodamiento fijo y el otro flotante, o,
si la separación entre los rodamientos es pequeña, con ambos rodamientos fijos.
PRECARGA.
RELACIÓN ENTRE EL JUEGO INTERNO Y EL DESEMPEÑO DE LOS ENGRANAJES
A medida que se incrementa el juego interno, también se incrementa la
posibilidad de movimiento interno entre los componentes de los rodamientos.
Esta condición puede afectar adversamente la vida útil de los engranajes y
puede presentar problemas para aplicaciones en que hay cargas oscilantes o
vibraciones, especialmente a altas velocidades.
IMPACTO EN LA VIDA ÚTIL DE LOS RODAMIENTOS
Si el juego interno es amplio (I), un número muy limitado de elementos
rodantes soporta toda la carga, provocando esfuerzos de contacto elevados en
las pistas y los elementos rodantes. A medida que el juego interno disminuye
(II – III) incrementa el número de elementos rodantes que soportan la carga,
incrementando el área de contacto o zona de carga. Los esfuerzos de contacto
disminuyen y se incrementa la vida útil del rodamiento. Esta tendencia se
mantiene hasta llegar a un estado de precarga ligera (IV). A precargas mayores,
los esfuerzos provocados por la misma precarga reducen drásticamente la vida
útil del rodamiento (V). Desafortunadamente, es prácticamente imposible
predecir con exactitud el juego interno de un rodamiento en operación y tratar
de alcanzar esta precarga ideal con una zona de carga poco mayor a los 180°
(IV) conlleva el riesgo de crear una zona de carga de 360° con la respectiva falla
prematura (V). Por esta razón, con excepción de aplicaciones de alta precisión
o velocidad, la práctica común es operar con poco juego interno y zona de carga
entre 90° y 120° (III).
PRACTICAS DE MONTAJE
La mayoría de los fabricantes de reductores de velocidad entregan
manuales de mantenimiento con procedimientos de montaje que deben seguirse
minuciosamente para cada rodamiento. Los siguientes comentarios, sin embargo,
son lineamientos generales que pueden hacer más fácil, productivo y seguro el
manejo de rodamientos de gran tamaño.
INSPECCIÓN PREVIA:
·
Las tolerancias en diámetros de ejes y
alojamientos deben estar dentro de especificación;
·
Las superficies de ejes y alojamientos deben
cumplir con las tolerancias de redondez y rectitud. Las dimensiones deben
verificarse en ángulos de 0°, 45°, 90° y 135°, y en cuatro lugares a lo largo
de la superficie de asiento;
·
Los ejes y barrenos deben estar limpios y libres
de mellas, bordes filosos, rebaba u óxido;
·
Los chaflanes y radios de las esquinas deben
estar dentro de especificación;
·
Los resaltes de apoyo para los rodamientos deben
estar perpendiculares al eje y deben tener la altura correcta; y,
·
Los rodamientos deben cumplir con las
especificaciones de la aplicación (número de parte completo).
MONTAJE DE ANILLOS INTERIORES CON AJUSTE APRETADO:
·
Es necesario calentar los rodamientos grandes
que serán montados con ajuste apretado, ya sea en baño de aceite, horno de
inducción, a flama o en un horno:
o
Deben seguirse los protocolos de cuidado
ambiental y de seguridad de la planta;
o
La temperatura en ningún punto del rodamiento debe sobrepasar 110°C; y,
o
La temperatura debe ser pareja en todo el
interior del rodamiento, lo que puede requerir de varias horas de calentamiento
para rodamientos grandes;
·
Se requieren herramientas adecuadas para manejar
piezas grandes a alta temperatura;
·
El montaje debe hacerse con movimiento rápido,
pero con cuidado. El montaje es sencillo si se hace adecuadamente, pero puede
ser muy complicado desmontar un rodamiento que se ha quedado pegado en posición
sesgada o fuera de lugar; y,
·
Mantener presión sobre el rodamiento en contra
de las superficies de respaldo hasta que se haya enfriado, esto evita que se
salga de la posición correcta mientras está cliente;
CONCLUSIÓN.
Los rodamientos son componentes de alta precisión que deben manejarse
adecuadamente y deben ser montados en ejes y alojamientos que cumplan con las
especificaciones de diseño. El juego interno es una especificación importante
porque tiene un impacto directo en la operación suave y en la vida útil de los
engranes y rodamientos. Los rodamientos pueden suministrarse ensamblados con un
juego interno establecido por el fabricante o pueden requerir que el juego
interno se establezca durante el ensamble del reductor de velocidad. El juego interno en operación es el resultado
de la reducción del juego interno en estado libre debido a los ajustes
apretados entre rodamientos y ejes o alojamientos, y a las diferencias en la
expansión térmica entre ejes y alojamientos. La máxima vida útil y suavidad de
movimiento en rodamientos se alcanza cuando trabajan con una precarga ligera, sin
embargo, tratar de alcanzar esta condición conlleva el riesgo de quedar con una
precarga exagerada, que reduce drásticamente la vida útil de los rodamientos.
Por lo tanto, la práctica más conservadora y más ampliamente usada es procurar
que los rodamientos trabajen con juego interno que resulte en una zona de carga
entre 90° y 120°. Lograr este propósito requiere cumplir con las
especificaciones para todos los componentes y seguir procedimientos adecuados
de preparación, inspección y montaje de todos los componentes mecánicos del
reductor de velocidad.
REFERENCIAS:
Arvid Palmgren, Ball
and Roller Bearing Engineering, SKF Industries.
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