Los cojinetes de aire (también conocidos como cojinetes aerostáticos o aerodinámicos ) son cojinetes que utilizan una película delgada de gas presurizado para proporcionar una interfaz de carga de baja fricción entre las superficies. Las dos superficies no se tocan, evitando así los problemas tradicionales de fricción, desgaste, partículas y manejo de lubricante relacionados con los rodamientos , y ofrecen claras ventajas en el posicionamiento de precisión, como la falta de juego y fricción estática, así como en aplicaciones de alta velocidad. . [1] Los simuladores de naves espaciales ahora utilizan con mayor frecuencia cojinetes de aire [2] y ahora se utilizan impresoras 3D para fabricar simuladores de actitud basados en cojinetes de aire para los satélites CubeSat . [3]
Se diferencia entre cojinetes aerodinámicos, que crean el colchón de aire mediante el movimiento relativo entre las partes estáticas y móviles, y cojinetes aerostáticos, en los que la presión se ejerce desde fuera.
Los rodamientos de gas se utilizan principalmente en maquinaria herramienta de precisión (máquinas de medición y procesamiento) y máquinas de alta velocidad (husillos, turbomáquinas de pequeña escala, giroscopios de precisión).
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Los rodamientos lubricados por gas se clasifican en dos grupos, según la fuente de presurización de la película de gas que proporciona la capacidad de carga:
También existen rodamientos híbridos que combinan las dos familias. En tales casos, un rodamiento normalmente se alimenta con gas comprimido externamente a baja velocidad y luego depende parcial o totalmente del efecto de autopresurización a velocidades más altas.
Entre estas dos categorías tecnológicas, los cojinetes de gas se clasifican según el tipo de enlace que realizan:
Los principales tipos de cojinetes de aire se clasifican en las siguientes categorías:
El gas a presión actúa como lubricante en el espacio entre las piezas móviles del rodamiento. El colchón de gas soporta la carga sin ningún contacto entre las partes móviles. Normalmente, el gas comprimido es suministrado por un compresor. Un objetivo clave al suministrar presión de gas en el espacio es que la rigidez y la amortiguación del colchón de gas alcancen el nivel más alto posible. Además, el consumo de gas y la uniformidad del suministro de gas en el espacio son cruciales para el comportamiento de los cojinetes aerostáticos.
El suministro de gas a la interfaz entre los elementos móviles de un rodamiento aerostático se puede lograr mediante varios métodos diferentes: [4]
No existe un único método óptimo para alimentar la película. Todos los métodos tienen sus ventajas y desventajas específicas para cada aplicación. [5]
Los volúmenes muertos se refieren en particular a cámaras y canales existentes en los cojinetes aerostáticos convencionales para distribuir el gas y aumentar la presión comprimida dentro del espacio. La cavidad dentro de los cojinetes de gas porosos (sinterizados) también se atribuye al volumen muerto. [6]
En los rodamientos aerostáticos convencionales de una sola boquilla, el aire comprimido fluye a través de unas pocas boquillas relativamente grandes (diámetro 0,1 – 0,5 mm) hacia la ranura del rodamiento. Por lo tanto, el consumo de gas sólo permite una cierta flexibilidad, de modo que las características del rodamiento (fuerza, momentos, superficie de apoyo, altura de la ranura del rodamiento, amortiguación) sólo se pueden ajustar de forma insuficiente. Sin embargo, para permitir una presión de gas uniforme incluso con sólo algunas boquillas, los fabricantes de cojinetes aerostáticos adoptan técnicas constructivas. Estos rodamientos provocan volúmenes muertos (volumen de aire no compresible y, por tanto, débil). En efecto, este volumen muerto es muy perjudicial para la dinámica del cojinete de gas y provoca vibraciones autoexcitadas. [7]
La cámara de prepresión consta de una cámara alrededor de la boquilla centralizada. Normalmente, la proporción de esta cámara está entre el 3% y el 20% de la superficie del rodamiento. Incluso con una profundidad de cámara de 1/100 mm, el volumen muerto es muy alto. En el peor de los casos, estos cojinetes neumáticos constan de una superficie de apoyo cóncava en lugar de una cámara. Las desventajas de estos cojinetes neumáticos incluyen una rigidez de inclinación muy pobre. [8]
Normalmente, los cojinetes aerostáticos convencionales se implementan con cámaras y canales. Este diseño supone que con una cantidad limitada de boquillas, el volumen muerto debería disminuir mientras se distribuye el gas dentro del espacio de manera uniforme. La mayoría de las ideas constructivas se refieren a estructuras de canales especiales. Desde finales de los años 80 se fabrican cojinetes aerostáticos con estructuras de microcanales sin cámaras. Sin embargo, esta técnica también tiene que solucionar problemas de volumen muerto. A medida que aumenta la altura del hueco, la carga y la rigidez del microcanal disminuyen. Como ocurre con los accionamientos lineales de alta velocidad o los husillos de alta frecuencia, esto puede provocar graves desventajas. [9]
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Los cojinetes aerostáticos con microboquillas perforadas con láser utilizan técnicas de diseño y fabricación computarizadas para optimizar el rendimiento y la eficiencia. Esta tecnología permite a los fabricantes una mayor flexibilidad en la fabricación. A su vez, esto permite un entorno de diseño más amplio en el que optimizar sus diseños para una aplicación determinada. En muchos casos, los ingenieros pueden crear cojinetes de aire que se acercan al límite teórico de rendimiento. En lugar de unas pocas toberas grandes, los cojinetes aerostáticos con muchas microtoberas evitan volúmenes muertos dinámicamente desventajosos. Los volúmenes muertos se refieren a todas las cavidades en las que el gas no se puede comprimir durante la disminución del espacio. Estos aparecen cuando la presión débil del gas estimula la vibración. Ejemplos de ventajas son: accionamientos lineales con aceleraciones de más de 1.000 m/s² (100 g), o accionamientos de impacto con incluso más de 100.000 m/s² (10.000 g) debido a la alta amortiguación en combinación con la rigidez dinámica; movimientos subnanométricos debido a errores inducidos por el ruido más bajo; y transmisión de gas o vacío sin juntas para accionamientos giratorios y lineales a través de la ranura mediante suministro de aire guiado.
Los cojinetes aerostáticos de microboquillas logran una distribución de presión efectiva y casi perfecta dentro del espacio con una gran cantidad de microboquillas. Su diámetro típico está entre 0,02 mm y 0,06 mm. La sección más estrecha de estas toberas se encuentra exactamente en la superficie del cojinete. De este modo, la tecnología evita un volumen muerto en la superficie del cojinete de aire de soporte y dentro del área de las boquillas de suministro de aire.
Las microboquillas se perforan automáticamente con un rayo láser que proporciona máxima calidad y repetibilidad. Los comportamientos físicos de los cojinetes neumáticos muestran una variación baja tanto para volúmenes de producción grandes como pequeños. A diferencia de los rodamientos convencionales, con esta técnica los rodamientos neumáticos no requieren una fabricación manual ni costosa.
Las ventajas de la tecnología de cojinetes de aire con microboquillas incluyen:
Algunas de estas ventajas, como la alta flexibilidad, las excelentes propiedades estáticas y dinámicas combinadas y una baja excitación de ruido, resultan ser únicas entre todos los demás rodamientos aerostáticos. [10] [11]
Los rodamientos neumáticos estándar se ofrecen con varios soportes para vincularlos en un sistema:
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Los rodamientos lubricados con gas suelen modelarse utilizando la ecuación de Reynolds para describir la evolución de la presión en el dominio de la película delgada. A diferencia de los rodamientos lubricados con líquido, el lubricante gaseoso debe considerarse compresible, lo que lleva a resolver una ecuación diferencial no lineal. Los métodos numéricos como el método de diferencias finitas o el método de elementos finitos son comunes para la discretización y la resolución de la ecuación, teniendo en cuenta las condiciones de contorno asociadas a cada geometría de rodamiento (cojinetes de movimiento lineal, cojinetes lisos y de empuje). En la mayoría de los casos, la película de gas puede considerarse isotérmica y respeta la ley de los gases ideales, lo que lleva a una simplificación de la ecuación de Reynolds.
Incluso en movimientos que provocan daños debido al desgaste perjudicial de los rodamientos, la vida útil de los sistemas de accionamiento es ilimitada.
Para dar confianza y para las primeras investigaciones, se realizó una primera conversión de un turbocompresor convencional guiado por aceite a uno guiado por aire. Para una versión futura real, será de gran ayuda el uso de resultados obtenidos de soluciones de alta temperatura, productos en masa (costes de producción probados) y husillos de alta frecuencia (know-how de fondo dinámico).
En cuanto a la medición de obleas y paneles planos, es muy importante colocar el chip sensor con precisión y sin ningún contacto a lo largo de la superficie. Por tanto, el chip se integra directamente en la superficie del rodamiento. La tolerancia máxima de distancia a la superficie, referida a la variación del juego del cojinete neumático, es inferior a 0,5 μm. Al colocar el cojinete de aire con el chip sensor, no deben tocar la superficie de la oblea que se está midiendo. Para el movimiento de subida y bajada se utiliza un pistón neumático que, por motivos de repetibilidad, también está guiado por aire. Con este pistón también se regula la precarga del cojinete neumático y, por tanto, la altura de la ranura.
Para comprobar eléctricamente obleas, el mandril se puede elevar hasta 3 mm sin que se deslice. La fuerza de contacto necesaria para la sonda es ajustable e independiente de la carrera. El accionamiento del ascensor se basa en un motor de bobina móvil; la guía es guiada por aire. Un pistón neumático guiado por aire entre el plato y el accionamiento limita la fuerza de contacto.
La estructura de filigrana permite realizar mediciones de luz para la producción de chips de 300 nm con la máxima precisión de menos de 1 nm. En particular, los cojinetes neumáticos están diseñados para un menor consumo de aire con la mayor rigidez.
El accionamiento Doppler de alta aceleración soporta y guía un espejo de fibra de carbono (superficie de 500 mm x 250 mm) con una aceleración de hasta 300 m/s² y un perfil de movimiento flexible con alta precisión. La solución consiste en un accionamiento guiado por aire: la viga (longitud 900 mm), que está fijada al espejo, está hecha de fibra de carbono y lleva los imanes de los motores lineales. Los cables/tubos (motor, cojinete neumático, sistema de medición) no se mueven para evitar roturas por ciclos de carga elevados. Los cojinetes neumáticos son absolutamente insensibles a las fluctuaciones geométricas debidas a cambios de temperatura. [15]
Además del rendimiento, la fiabilidad es extremadamente importante para una máquina de producción. La solución guiada por aire está diseñada para ser determinada estáticamente. El motor lineal con núcleo de hierro y los cojinetes de pistón consiguen la precarga de los cojinetes neumáticos. De este modo, el accionamiento es fácil de montar e insensible a variaciones geométricas, por ejemplo debido a influencias de temperatura o la disposición de las máquinas. [dieciséis]
Con cojinetes neumáticos se han conseguido accionamientos sin grasa ni aceite para respiradores, movimientos sin deslizamientos de escáneres o una alta velocidad de rotación de grandes rotores.
Alta velocidad de rotación (> 5,5 Hz / 330 rpm), bajos costes operativos, ausencia de ruido, gran diámetro interior del rotor (> 1 m), peso reducido del rotor y del bastidor, posibilidad de inclinación del rotor y alta fiabilidad. Además de la transmisión directa, también es posible una transmisión por correa.
En primer lugar se necesitan movimientos que no se deslicen y/o fuerzas mínimas. La tecnología de cojinetes neumáticos está predestinada para movimientos altamente dinámicos sin grasa ni aceite con carreras cortas.
Con las unidades guiadas por aire, los componentes ópticos se pueden disponer para que tengan el mismo diámetro en una mesa giratoria. El cojinete neumático con precarga de vacío y una altura constante de la ranura del cojinete flota sin contacto sobre la mesa giratoria.
El cursor lineal guiado por aire y determinado estáticamente garantiza un posicionamiento de alta precisión del componente óptico antes del rectificado. El proceso de autoalineación se realiza sin fricción ni fuerza. Cuando se sujeta, el componente conserva su posición para su posterior fabricación en el rango submicrométrico.
Cuando se transportan paneles solares para satélites en un cohete de lanzamiento, estos deben estar plegados. Después de alcanzar la órbita, se despliegan mediante un mecanismo de resorte, sin peso y sin fricción. Este proceso requiere pruebas previas en la Tierra por motivos de fiabilidad. Durante el diseño de prueba, los paneles solares se cuelgan de cojinetes de aire magnéticos precargados que compensan la gravedad. Al hacerlo, el proceso de movimiento de despliegue se lleva a cabo con un impacto de fricción mínimo, lo que significa que los paneles solares se prueban casi con la realidad. Además, el diseño ofrece un manejo absolutamente libre de mantenimiento con movimientos secuenciales iguales.
Los componentes portadores de aire (34 mm de diámetro) con imanes integrados son tan pequeños que pueden deslizarse sin contacto a lo largo de chapas laminadas convencionales de forma suave y con una altura de hendidura de aproximadamente 25 μm. La fuerza de sujeción de un cojinete neumático para un panel solar es de 600 N en promedio. Esta fuerza se logra mediante una distribución equitativa de la carga entre 16 elementos individuales del cojinete neumático. El proceso de despliegue de los paneles solares se ha desarrollado para una superficie de 21 mx 2,5 m.
El sistema de guía por cojinetes neumáticos precargado con imán permanente se puede utilizar para muchos tipos de movimientos de transporte suspendidos, así como para muchas otras aplicaciones, como por ejemplo para el posicionamiento sin deslizamientos de componentes durante el montaje.
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