Un cojinete liso , o más comúnmente cojinete de contacto deslizante y cojinete deslizante (en el ferrocarril a veces llamado cojinete sólido , cojinete liso o cojinete de fricción [1] ), es el tipo más simple de cojinete , que comprende solo una superficie de soporte y ningún elemento rodante. Por lo tanto, el muñón (es decir, la parte del eje en contacto con el rodamiento) se desliza sobre la superficie del rodamiento. El ejemplo más simple de cojinete liso es un eje que gira en un orificio. Un rodamiento lineal simple puede ser un par de superficies planas diseñadas para permitir el movimiento; ej., un cajón y las guías sobre las que se apoya [2] o las guías sobre la bancada de un torno .
Los cojinetes lisos, en general, son el tipo de cojinete más económico. También son compactos y ligeros, y tienen una gran capacidad de carga. [3]
El diseño de un cojinete liso depende del tipo de movimiento que debe proporcionar el cojinete. Los tres tipos de movimientos posibles son:
Los cojinetes lisos integrales se integran en el objeto de uso como un orificio preparado en la superficie de apoyo. Los rodamientos integrales industriales generalmente están hechos de hierro fundido o Babbitt , y en el rodamiento se utiliza un eje de acero endurecido . [7]
Los cojinetes integrales no son tan comunes porque los bujes son más fáciles de acomodar y pueden reemplazarse si es necesario. [2] Dependiendo del material, un rodamiento integral puede ser menos costoso pero no se puede reemplazar. Si un cojinete integral se desgasta, el artículo se puede reemplazar o reelaborar para aceptar un buje. Los rodamientos integrales eran muy comunes en la maquinaria del siglo XIX, pero se volvieron cada vez menos comunes a medida que se popularizó la fabricación intercambiable .
Por ejemplo, un cojinete liso integral común es la bisagra , que es a la vez un cojinete de empuje y un cojinete liso.
Un casquillo , también conocido como casquillo , es un cojinete liso independiente que se inserta en una carcasa para proporcionar una superficie de apoyo para aplicaciones giratorias; esta es la forma más común de cojinete liso. [8] Los diseños comunes incluyen bujes sólidos ( con manguito y bridados ), divididos y apretados . Un casquillo, dividido o apretado es sólo un "manguito" de material con un diámetro interior (ID), un diámetro exterior (OD) y una longitud. La diferencia entre los tres tipos es que un buje con funda sólida es sólido en todos sus lados, un buje dividido tiene un corte a lo largo de su longitud y un cojinete apretado es similar a un buje dividido pero con un cierre (o remachado) a lo largo del corte. conectando las piezas. Un casquillo con brida es un casquillo de manguito con una brida en un extremo que se extiende radialmente hacia afuera desde el diámetro exterior. La brida se utiliza para ubicar positivamente el buje cuando se instala o para proporcionar una superficie de apoyo de empuje. [9]
Los rodamientos lisos de dimensiones en pulgadas se dimensionan casi exclusivamente utilizando el sistema de numeración SAE . El sistema de numeración utiliza el formato -XXYY-ZZ, donde XX es el ID en dieciseisavos de pulgada, YY es el OD en dieciseisavos de pulgada y ZZ es la longitud en octavos de pulgada. [10] También existen tamaños métricos. [11]
Normalmente, un rodamiento lineal no se introduce a presión en una carcasa, sino que se fija mediante un elemento radial. Dos de estos ejemplos incluyen dos anillos de retención o un anillo moldeado en el diámetro exterior del casquillo que coincide con una ranura en la carcasa. Esta suele ser una forma más duradera de retener el casquillo, porque las fuerzas que actúan sobre el casquillo podrían sacarlo.
La forma de empuje de un buje se denomina convencionalmentearandela de empuje .
Los cojinetes lisos de dos piezas , conocidos como cojinetes completos en maquinaria industrial, [12] se utilizan habitualmente para diámetros mayores, como los cojinetes del cigüeñal . Las dos mitades se llaman conchas . [13] Existen varios sistemas utilizados para mantener las conchas ubicadas. El método más común es una pestaña en el borde de la línea de separación que se correlaciona con una muesca en la carcasa para evitar el movimiento axial después de la instalación. Para carcasas grandes y gruesas se utiliza un tope de botón o una clavija . El tope de botón se atornilla a la carcasa, mientras que la clavija une las dos carcasas. Otro método menos común utiliza una clavija que fija la carcasa a la carcasa a través de un orificio o ranura en la carcasa. [14]
La distancia de un borde de separación al otro es ligeramente mayor que la distancia correspondiente en la carcasa, por lo que se requiere una ligera presión para instalar el rodamiento. Esto mantiene el rodamiento en su lugar mientras se instalan las dos mitades de la carcasa. Finalmente, la circunferencia del casquillo también es ligeramente mayor que la circunferencia de la carcasa, de modo que cuando se atornillan las dos mitades, el rodamiento se aplasta ligeramente. Esto crea una gran cantidad de fuerza radial alrededor de todo el rodamiento, lo que evita que gire . También forma una buena interfaz para que el calor salga de los cojinetes hacia la carcasa. [13]
![Diagrama de una caja de diario ferroviario[4]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Journal_box.png/1280px-Journal_box.png)
Los cojinetes lisos deben estar hechos de un material que sea duradero, de baja fricción , de bajo desgaste del cojinete y del eje, resistente a temperaturas elevadas y resistente a la corrosión . A menudo, el rodamiento se compone de al menos dos componentes, uno de los cuales es blando y el otro duro. En general, cuanto más duras sean las superficies en contacto, menor será el coeficiente de fricción y mayor será la presión necesaria para que las dos se endurezcan o se atasquen cuando falla la lubricación . [8] [15]
Babbitt se utiliza habitualmente en rodamientos integrales. Se recubre el orificio, normalmente con un espesor de 1 a 100 mil (0,025 a 2,540 mm ), dependiendo del diámetro. Babbitt está fabricado con un material blando en comparación con el material de composición del muñón o del eje giratorio. Los rodamientos Babbitt están diseñados para no dañar el muñón durante el contacto directo y recoger cualquier contaminante en la lubricación. [12]
Los rodamientos bimateriales constan de dos materiales, una carcasa metálica y una superficie de apoyo de plástico. Las combinaciones comunes incluyen un bronce recubierto de PTFE con respaldo de acero y Frelon con respaldo de aluminio . [16] Los cojinetes de bronce recubiertos de PTFE con respaldo de acero están clasificados para soportar más cargas que la mayoría de los demás cojinetes bimetálicos y se utilizan para movimientos giratorios y oscilantes. Los Frelon con respaldo de aluminio se usan comúnmente en ambientes corrosivos porque el Frelon es químicamente inerte . [17]
Un diseño de cojinete liso común utiliza un eje de acero pulido y endurecido y un casquillo de bronce más blando . El casquillo se sustituye cuando se ha desgastado demasiado.
Las aleaciones de bronce comunes utilizadas para los rodamientos incluyen: SAE 841 , SAE 660 ( CDA 932 ), SAE 863 y CDA 954 . [18]
Se puede utilizar un cojinete de hierro fundido con un eje de acero endurecido porque el coeficiente de fricción es relativamente bajo. El hierro fundido se vidria, por lo que el desgaste es insignificante. [19]
En entornos hostiles, como hornos y secadoras , se utiliza una aleación de cobre y grafito , comúnmente conocida con el nombre comercial de Graphalloy . El grafito es un lubricante seco , por lo tanto es de baja fricción y bajo mantenimiento. El cobre añade resistencia, durabilidad y proporciona características de disipación de calor.
Los cojinetes de grafito sin alear se utilizan en aplicaciones especiales, como lugares sumergidos en agua. [20]
Conocidos como cojinetes de joyas , estos cojinetes utilizan joyas como zafiro , rubí y granate .
Los cojinetes lisos de plástico macizo son cada vez más populares debido a su comportamiento de funcionamiento en seco y sin lubricación. Los cojinetes lisos de polímero sólido son livianos, resistentes a la corrosión y no requieren mantenimiento. Después de décadas de estudios, hoy en día es posible calcular con precisión la vida útil de los cojinetes de fricción de polímero. El diseño con cojinetes lisos de polímero sólido es complicado por el amplio rango y la no linealidad del coeficiente de expansión térmica . Estos materiales pueden calentarse rápidamente cuando se utilizan en aplicaciones fuera de los límites de pV recomendados.
Los rodamientos de tipo polímero sólido están limitados por el proceso de moldeo por inyección . No todas las formas son posibles con este proceso, y las formas que son posibles se limitan a lo que se considera una buena práctica de diseño para el moldeo por inyección. Los cojinetes de plástico están sujetos a las mismas precauciones de diseño que todas las demás piezas de plástico: fluencia, alta expansión térmica, ablandamiento (mayor desgaste/vida útil reducida) a temperaturas elevadas, fracturas frágiles a temperaturas frías e hinchazón debido a la absorción de humedad. Si bien la mayoría de los plásticos/polímeros aptos para rodamientos están diseñados para reducir estas precauciones de diseño, todavía existen y deben considerarse cuidadosamente antes de especificar un tipo de polímero (plástico) sólido.
Los cojinetes de plástico son ahora bastante comunes, incluido el uso en fotocopiadoras , cajas registradoras , equipos agrícolas , maquinaria textil, dispositivos médicos , máquinas de envasado y alimentos, asientos para automóviles y equipos marinos.
Los plásticos comunes incluyen nailon , poliacetal , politetrafluoroetileno (PTFE), polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE), rulon , PEEK , uretano y vespel (una poliimida de alto rendimiento ). [21] [22] [23]
* MDS ( disulfuro de molibdeno )** PEEK ( poliéter éter cetona )
Los tipos de sistema de lubricación se pueden clasificar en tres grupos: [10]
Ejemplos del segundo tipo de cojinete son los Oilites y los cojinetes de plástico hechos de poliacetal ; ejemplos del tercer tipo son los cojinetes de grafito metalizado y los cojinetes de PTFE . [10]
La mayoría de los cojinetes lisos tienen una superficie interior lisa; sin embargo, algunos son ranurados , como los rodamientos ranurados en espiral . Las ranuras ayudan a que la lubricación entre en el rodamiento y cubra todo el muñón. [32]
Los cojinetes lisos autolubricantes tienen un lubricante contenido dentro de las paredes del cojinete. Existen muchas formas de rodamientos autolubricantes. Los primeros, y los más comunes, son los cojinetes de metal sinterizado , que tienen paredes porosas. Las paredes porosas atraen aceite mediante acción capilar [33] y liberan el aceite cuando se aplica presión o calor . [34] Un ejemplo de un cojinete de metal sinterizado en acción se puede ver en las cadenas autolubricantes , que no requieren lubricación adicional durante el funcionamiento. Otra forma es un casquillo metálico sólido de una sola pieza con un canal ranurado en forma de ocho en el diámetro interior que está lleno de grafito. Un rodamiento similar reemplaza la ranura en forma de ocho con orificios tapados con grafito. Esto lubrica el rodamiento por dentro y por fuera. [35] La última forma es un cojinete de plástico, que tiene el lubricante moldeado en el cojinete. El lubricante se libera a medida que se rueda el rodamiento . [36]
Hay tres tipos principales de lubricación: condición de película completa , condición límite y condición seca . Las condiciones de película completa se dan cuando la carga del rodamiento es transportada únicamente por una película de lubricante fluido y no hay contacto entre las dos superficies del rodamiento. En condiciones de mezcla o límite, la carga se transporta en parte por contacto directo de la superficie y en parte por una película que se forma entre los dos. En condiciones secas, la carga completa se transporta por contacto de superficie a superficie.
Los rodamientos fabricados con materiales aptos para rodamientos siempre funcionan en condiciones secas. Las otras dos clases de cojinetes lisos pueden funcionar en las tres condiciones; La condición en la que funciona un rodamiento depende de las condiciones de funcionamiento, la carga, la velocidad superficial relativa, el juego dentro del rodamiento, la calidad y cantidad de lubricante y la temperatura (que afecta la viscosidad del lubricante). Si el cojinete liso no está diseñado para funcionar en condiciones secas o límite, tiene un alto coeficiente de fricción y se desgasta. Se pueden experimentar condiciones secas y límite incluso en un rodamiento fluido cuando se opera fuera de sus condiciones operativas normales; por ejemplo, al inicio y al apagado.
La lubricación fluida da como resultado un modo de lubricación de película completa o de condición límite. Un sistema de rodamientos diseñado correctamente reduce la fricción al eliminar el contacto superficie a superficie entre el muñón y el rodamiento a través de efectos dinámicos de fluidos .
Los cojinetes fluidos pueden lubricarse hidrostática o hidrodinámicamente . Los cojinetes lubricados hidrostáticamente se lubrican mediante una bomba externa que mantiene una cantidad de presión estática . En un rodamiento hidrodinámico, la presión en la película de aceite se mantiene mediante la rotación del muñón. Los cojinetes hidrostáticos entran en un estado hidrodinámico cuando el muñón está girando. [12] Los rodamientos hidrostáticos generalmente usan aceite , mientras que los rodamientos hidrodinámicos pueden usar aceite o grasa ; sin embargo, los rodamientos pueden diseñarse para usar cualquier fluido disponible y varios diseños de bombas usan el fluido bombeado como lubricante. [37]
Los cojinetes hidrodinámicos requieren mayor cuidado en el diseño y funcionamiento que los cojinetes hidrostáticos. También son más propensos al desgaste inicial porque la lubricación no se produce hasta que el eje gira. A velocidades de rotación bajas, es posible que la lubricación no logre una separación completa entre el eje y el casquillo. Como resultado, los cojinetes hidrodinámicos pueden contar con la ayuda de cojinetes secundarios que soportan el eje durante los períodos de arranque y parada, protegiendo las superficies mecanizadas de tolerancia fina del cojinete liso. Por otro lado, los cojinetes hidrodinámicos son más sencillos de instalar y menos costosos. [38]
En el estado hidrodinámico se forma una "cuña" de lubricación que levanta el muñón. El muñón también se desplaza ligeramente horizontalmente en el sentido de rotación. La ubicación del muñón se mide por el ángulo de actitud , que es el ángulo formado entre la vertical y una línea que cruza el centro del muñón y el centro del rodamiento, y la relación de excentricidad, que es la relación de la distancia del centro del muñón desde el centro del rodamiento hasta el juego radial general. El ángulo de inclinación y la relación de excentricidad dependen de la dirección y la velocidad de rotación y de la carga. En los cojinetes hidrostáticos, la presión del aceite también afecta la relación de excentricidad. En equipos electromagnéticos como motores, las fuerzas electromagnéticas pueden contrarrestar las cargas de gravedad, haciendo que el muñón adopte posiciones inusuales. [12]
Una desventaja específica de los cojinetes hidrodinámicos lubricados con líquido en maquinaria de alta velocidad es el remolino de aceite , una vibración autoexcitada del cojinete. El remolino de aceite se produce cuando la cuña de lubricación se vuelve inestable: pequeñas perturbaciones del muñón provocan fuerzas de reacción de la película de aceite, que provocan un mayor movimiento, haciendo que tanto la película de aceite como el muñón "giren" alrededor del semicojinete. Normalmente, la frecuencia de giro es de alrededor del 42% de la velocidad de giro del muñón. En casos extremos, el remolino de aceite provoca un contacto directo entre el muñón y el rodamiento, lo que desgasta rápidamente el rodamiento. En algunos casos, la frecuencia del remolino coincide y se "bloquea" con la velocidad crítica del eje de la máquina; esta condición se conoce como "látigo de aceite". El látigo de aceite puede ser muy destructivo. [12] [39]
El remolino de aceite se puede evitar aplicando una fuerza estabilizadora al muñón. Varios diseños de rodamientos buscan utilizar la geometría del rodamiento para proporcionar un obstáculo al fluido en remolino o para proporcionar una carga estabilizadora para minimizar el remolino. Uno de ellos se llama orificio de limón o orificio elíptico . En este diseño, se instalan cuñas entre las dos mitades de la carcasa del cojinete y luego el orificio se mecaniza al tamaño adecuado. Después de quitar las cuñas, el orificio tiene forma de limón, lo que disminuye el espacio libre en una dirección del orificio y aumenta la precarga en esa dirección. La desventaja de este diseño es su menor capacidad de carga, en comparación con los cojinetes de deslizamiento típicos. También sigue siendo susceptible al remolino de aceite a altas velocidades, aunque su coste es relativamente bajo. [12]
Otro diseño es el dique de presión o ranura de dique , [40] que tiene un corte de relieve poco profundo en el centro del rodamiento sobre la mitad superior del rodamiento. La ranura se detiene abruptamente para crear una fuerza hacia abajo para estabilizar el muñón. Este diseño tiene una alta capacidad de carga y corrige la mayoría de situaciones de remolino de aceite. La desventaja es que sólo funciona en una dirección. Desplazar las mitades del cojinete hace lo mismo que el dique de presión. La única diferencia es que la capacidad de carga aumenta a medida que aumenta el desplazamiento. [12]
Un diseño más radical es el diseño de plataforma basculante , que utiliza múltiples plataformas diseñadas para moverse con cargas cambiantes. Generalmente se utiliza en aplicaciones muy grandes, pero también encuentra una amplia aplicación en turbomáquinas modernas porque elimina casi por completo el remolino de aceite.
Otros componentes que se utilizan comúnmente con cojinetes lisos incluyen:
![Un juego de ruedas de un vagón de Great Western Railway (GWR) que muestra un extremo de cojinete plano o muñón [4]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2e/GWR_Spoked_wagon_wheels.jpg/1280px-GWR_Spoked_wagon_wheels.jpg)
