Por Eduardo Niño de Rivera
INTRODUCCIÓN
Al incidir en el juego interno que los rodamientos tendrán en
condiciones de operación, los ajustes con sus ejes y alojamientos tienen un impacto directo en el funcionamiento
suave, eficiente y duradero de los engranes.
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 (C), que
soportan tanto cargas radiales como axiales.
Ilustración 1
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.
Ilustración 3
JUEGO INTERNO
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
(ilustración 4), y representa el movimiento relativo que puede darse entre
ambos anillos, tanto en el sentido radial como en el axial.
Ilustración 4
Los rodamientos de contacto radial generalmente se suministran ensamblados con el juego interno establecido en la fábrica. El juego interno de los rodamientos de contacto angular generalmente se establece durante el montaje para controlar el máximo movimiento relativo entre los componentes tanto en el sentido radial como en el axial. Los manuales de instalación y mantenimiento que los fabricantes entregan con sus equipos normalmente especifican el juego lateral (axial) para este tipo de rodamientos porque es el que se puede medir y controlar con mayor facilidad.
JUEGO INTERNO RADIAL.
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.
El anillo interior de un rodamiento crecerá si se monta con ajuste
apretado sobre el eje. A la inversa, el anillo exterior se encogerá cuando el
ajuste apretado sea en el alojamiento. En ambos casos, una vez montado, el
rodamiento tendrá un juego interno menor al que tenía inicialmente. El juego
interno también está sujeto a variaciones debidas a diferencias en la expansión térmica
entre ejes y alojamientos. Entonces, el juego interno en condiciones de
operación resulta de la combinación del juego interno original y los cambios provocadas por los ajustes en ejes y alojamoientos, y las diferencias en la expansión
térmica de los componentes.
Las tolerancias de manufactura en los diámetros interiores y exteriores normalmente se especifican siguiendo la norma ISO 286 que clasifica las tolerancias mediante un código de 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 mm) y diámetro exterior de 180 mm (tolerancia -25/+0 mm).
El ajuste entre el anillo exterior y el alojamiento quedará dentro
del rango:
|
Agujero máximo |
180.035 |
|
Agujero mínimo |
180.000 |
|
|
Diámetro ext. mín. |
179.975 |
|
Diámetro ext max |
180.000 |
|
|
Ajuste de |
0.060 |
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) |
Los ajustes holgados no tienen efecto alguno en el juego interno. Dependiendo
del grosor del anillo, los ajustes apretados reducen el juego interno en un 50
a 80% del ajuste apretado cuando se montan en ejes sólidos o alojamientos
gruesos. Los anillos de un rodamiento 23220 son de espesor medio por lo que
podemos suponer una pérdida de juego interno equivalente al 60% del ajuste
apretado, en este caso, de 7.8 a 33 mm. Si suponemos, además que se ha especificado
un juego interno C3, de 100 a 135 micrómetros en estado libre, el juego interno
después del montaje será de 67 a 127.2 micrómetros.
Juego interno en el estado libre (C3): 100 a 135
Ajuste apretado en el eje (m6): 13 a 55
Pérdida de juego interno (60% de ajuste apretado): 7.8 a 33
Juego interno después de la instalación: 67 (100-33) a 127.2 (135
-7.8)
Dimensiones en mm
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
RODAMIENTOS 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 se coloca en la mitad inferior de
una caja bipartida;
2.
Se coloca la parte superior de
la carcasa y se aprietan los tornillos
3.
Se fija uno de los platos
laterales a la caja;
4.
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,
5.
Se colocan suficientes
laminillas separadoras para obtener el juego lateral deseado.
Ilusración 7 (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
Ilustración 8
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 8).
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 contacto angular de una hilera de bolas o 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 doble hilera 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 los engranes 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.
En lugar de juego interno, los rodamientos pueden tener una interferencia entre las pistas y los elementos rodantes, llamada precarga (juego interno negativo). Esta condición puede crearse en el ensamble o puede ser el resultado de la diferencia en la expansión térmica entre un eje y el alojamiento respectivo. Los rodamientos de precisión se suministran como conjuntos con una precarga establecida en la fábrica. Estos juegos deben mantenerse como unidades ya que si se combinan componentes de diferentes conjuntos, queda una precarga diferente a la que se estableció en la fábrica, deteriorando el desempeño de los engranes y disminuyendo la vida útil de los rodamientos.
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
El horno de inducción es más
práctico, limpio y seguro que los otros sistemas;
o
Deben seguirse los protocolos
de cuidado ambiental y de seguridad de la planta;
o
La temperatura en ningún punto
del rodamiento no debe sobrepasar los 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 requiere equipo de
protección y 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
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 sus 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.
Timken Company Engineering Manual
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