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 superficies. Las dos superficies no se tocan, lo que evita los problemas tradicionales relacionados con los cojinetes de fricción, desgaste, partículas y manipulación de lubricante , 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 hacer simuladores de actitud basados en cojinetes de aire para satélites CubeSat . [3]
Se diferencia entre cojinetes aerodinámicos, que establecen el colchón de aire mediante el movimiento relativo entre partes estáticas y móviles, y cojinetes aerostáticos, en los que la presión se introduce externamente.
Los cojinetes de gas se utilizan principalmente en máquinas 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 cojinetes lubricados con gas se clasifican en dos grupos, dependiendo de 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 estos casos, el rodamiento se alimenta normalmente 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 en función del tipo de articulación que realizan:
Los principales tipos de cojinetes de aire se dividen en las siguientes categorías:
El gas presurizado actúa como lubricante en el espacio entre las partes móviles del cojinete. 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 de suministrar la 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 cojinete aerostático se puede lograr mediante algunos métodos diferentes: [4]
No existe un único método que sea el mejor 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 las cámaras y canales que existen 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 cojinetes aerostáticos convencionales de una sola boquilla, el aire comprimido fluye a través de unas pocas boquillas relativamente grandes (diámetro de 0,1 – 0,5 mm) hacia el hueco del cojinete. Por tanto, el consumo de gas solo permite cierta flexibilidad, de modo que las características del cojinete (fuerza, momentos, superficie del cojinete, altura del hueco del cojinete, amortiguación) solo se pueden ajustar de forma insuficiente. Sin embargo, para permitir una presión de gas uniforme incluso con solo unas pocas boquillas, los fabricantes de cojinetes aerostáticos adoptan técnicas constructivas. Al hacerlo, estos cojinetes generan volúmenes muertos (volumen de aire no comprimible y, por lo tanto, débil). En efecto, este volumen muerto es muy perjudicial para la dinámica del cojinete de gas y causa vibraciones autoexcitadas. [7]
La cámara pre-presurizada consiste en una cámara alrededor de la boquilla central. Normalmente, la proporción de esta cámara está entre el 3% y el 20% de la superficie del cojinete. Incluso con una profundidad de cámara de 1/100 mm, el volumen muerto es muy alto. En los peores casos, estos cojinetes de aire consisten en una superficie de cojinete cóncava en lugar de una cámara. Las desventajas de estos cojinetes de aire incluyen una rigidez de inclinación muy pobre. [8]
Por lo general, 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 la década de 1980, se fabrican cojinetes aerostáticos con estructuras de microcanales sin cámaras. Sin embargo, esta técnica también tiene que gestionar problemas con el volumen muerto. A medida que aumenta la altura del espacio, la carga y la rigidez del microcanal disminuyen. Como en el caso de los accionamientos lineales de alta velocidad o los husillos de alta frecuencia, esto puede causar graves desventajas. [9]
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Los cojinetes aerostáticos con microboquillas perforadas con láser utilizan técnicas de diseño y fabricación por ordenador para optimizar el rendimiento y la eficiencia. Esta tecnología permite a los fabricantes una mayor flexibilidad en la fabricación, lo que a su vez permite un mayor margen de diseño 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 boquillas grandes, los cojinetes aerostáticos con muchas microboquillas evitan los 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. Algunos ejemplos de los beneficios 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 los errores inducidos por ruido más bajos; y transmisión sin sellos de gas o vacío para accionamientos rotativos y lineales a través del espacio debido al suministro de aire guiado.
Los cojinetes aerostáticos con microboquillas consiguen una distribución de la presión casi perfecta y eficaz dentro del espacio con un gran número de microboquillas. Su diámetro típico oscila entre 0,02 mm y 0,06 mm. La sección transversal más estrecha de estas boquillas 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 apoyo y en el área de las boquillas de suministro de aire.
Las microboquillas se perforan automáticamente con un rayo láser, lo que garantiza una calidad y una repetibilidad máximas. El comportamiento físico de los cojinetes de aire muestra una baja variación tanto para volúmenes de producción grandes como pequeños. A diferencia de los cojinetes convencionales, con esta técnica los cojinetes de aire no requieren una fabricación manual o 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 únicas entre todos los demás cojinetes aerostáticos. [10] [11]
Los cojinetes de aire estándar se ofrecen con varios montajes para unirlos en un sistema:
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Los cojinetes lubricados por gas se modelan habitualmente utilizando la ecuación de Reynolds para describir la evolución de la presión en el dominio de la película delgada. A diferencia de los cojinetes lubricados por 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 cojinete (cojinetes de movimiento lineal, de muñón y de empuje). En la mayoría de los casos, la película de gas puede considerarse isotérmica y respetar la ley de los gases ideales, lo que lleva a una simplificación de la ecuación de Reynolds.
Incluso en el caso de movimientos que provocan daños debido al desgaste de los cojinetes de rodillos, la vida útil de los sistemas de accionamiento es ilimitada.
Para generar confianza y para las primeras investigaciones, se realizó una conversión inicial de un turbocompresor convencional guiado por aceite a uno guiado por aire. Para una versión futura real, será muy útil el uso de resultados obtenidos a partir de soluciones de alta temperatura, productos en serie (costes de producción comprobados) y husillos de alta frecuencia (know-how de fondo dinámico).
En la medición de obleas y paneles planos es muy importante colocar el chip sensor con precisión y sin contacto con la superficie. Por ello, el chip se integra directamente en la superficie del cojinete. La tolerancia máxima de distancia a la superficie, que se refiere a la variación de la holgura del cojinete de aire, es inferior a 0,5 μm. Al colocar el cojinete de aire con el chip sensor, estos no deben tocar la superficie de la oblea que se está midiendo. En cuanto al movimiento de subida y bajada, se utiliza un pistón neumático que, por razones de repetibilidad, también está guiado por aire. La precarga del cojinete de aire y, por tanto, la altura de la holgura también se ajustan con este pistón.
Para la comprobación eléctrica de obleas, el mandril se puede elevar sin tirones ni deslizamientos hasta 3 mm. La fuerza de contacto necesaria para la sonda es ajustable e independiente de la carrera. El accionamiento de elevación se basa en un motor de bobina móvil; la guía es guiada por aire. Un pistón neumático guiado por aire entre el mandril y el accionamiento limita la fuerza de contacto.
La estructura de filigrana permite realizar mediciones mediante luz para la producción de chips de 300 nm con la máxima precisión de menos de 1 nm. En particular, los cojinetes de aire están diseñados para un consumo de aire mínimo con la máxima rigidez.
El accionamiento Doppler de alta aceleración sostiene 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 de 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, cojinetes de aire, sistema de medición) no se mueven para evitar roturas debido a ciclos de carga elevados. Los cojinetes de aire son absolutamente insensibles a las fluctuaciones geométricas como resultado de un cambio 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 estática. El motor lineal con núcleo de hierro y los cojinetes de pistón logran la precarga para los cojinetes de aire. De este modo, el accionamiento es fácil de montar y es insensible a las variaciones geométricas, por ejemplo, debido a las influencias de la temperatura o la disposición de las máquinas. [16]
Con cojinetes de aire se han conseguido accionamientos sin grasa ni aceite para respiradores, movimientos sin tirones ni deslizamientos de escáneres o una alta velocidad de rotación de rotores de gran tamaño.
Alta velocidad de rotación (> 5,5 Hz / 330 rpm), bajos costos de operación, sin ruido, gran diámetro interior del rotor (> 1 m), peso reducido del rotor y del bastidor, posibilidad de inclinación del rotor y alta confiabilidad. Además de la transmisión directa, también es posible la transmisión por correa.
En primer lugar, se requieren movimientos sin tirones ni deslizamientos y/o fuerzas mínimas. La tecnología de cojinetes de aire está predestinada para movimientos altamente dinámicos sin grasa ni aceite con recorridos cortos.
Con las unidades guiadas por aire, los componentes ópticos se pueden disponer de manera que tengan el mismo diámetro en una mesa giratoria. El cojinete de aire con precarga de vacío y una altura de holgura de cojinete constante flota sin contacto sobre la parte superior de la mesa giratoria.
El deslizador 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. Una vez fijado, el componente mantiene su posición para su posterior fabricación en el rango submicrométrico.
Para transportar los paneles solares para satélites en un cohete de lanzamiento, estos deben plegarse. Una vez en órbita, se despliegan mediante un mecanismo de resorte, sin peso y sin fricción. Este proceso requiere pruebas previas en la Tierra por razones de fiabilidad. Durante el diseño de prueba, los paneles solares se cuelgan de cojinetes de aire pretensados magnéticamente que compensan la gravedad. De este modo, el proceso de despliegue se realiza con un impacto de fricción mínimo, lo que significa que los paneles solares se prueban casi en la realidad. Además, el diseño ofrece un manejo absolutamente libre de mantenimiento con movimientos secuenciales uniformes.
Los elementos de soporte de aire (diámetro de 34 mm) con imanes integrados son tan pequeños que pueden deslizarse sin contacto sobre placas de chapa laminada convencionales con suavidad y una altura de holgura de unos 25 μm. La fuerza de sujeción de un soporte de aire para un panel solar es de 600 N de media. Esta fuerza se consigue mediante una distribución uniforme de la carga en 16 elementos de soporte de aire individuales. El proceso de despliegue de los paneles solares se ha desarrollado para una superficie de 21 mx 2,5 m.
El sistema de guía de aire con cojinetes precargados con imán permanente se puede utilizar para muchos tipos de movimientos de transporte colgantes, así como para muchas otras aplicaciones, como por ejemplo para el posicionamiento sin movimientos bruscos de componentes durante el montaje.
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