Precarga en sistemas de rodamientos con rodamientos de rodillos cónicos o de bolas con contacto angular

A la hora de determinar la precarga, se debe calcular en primer lugar la fuerza de precarga requerida para conseguir una combinación óptima de rigidez, vida útil del rodamiento y confiabilidad de funcionamiento. A continuación, se calcula la fuerza de precarga que se deberá utilizar en el momento de ajustar los rodamientos durante su montaje. Durante el montaje, los rodamientos deben estar a temperatura ambiente y no someterse a ninguna otra carga.
La precarga adecuada a la temperatura normal de funcionamiento depende de la carga del rodamiento. Los rodamientos de bolas de contacto angular o los rodamientos de rodillos cónicos pueden soportar cargas radiales y axiales simultáneamente. Cuando se los somete a cargas radiales, estos rodamientos producen una carga axial resultante que debe compensarse mediante la adición de un segundo rodamiento orientado hacia la dirección opuesta. El desplazamiento puramente radial de uno de los aros del rodamiento respecto del otro implica que la mitad de los elementos rodantes están sometidos a la carga. La carga axial resultante que se produce en el rodamiento puede determinarse usando las siguientes fórmulas:
  • para los rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular.
    Fa = R Fr
  • para los rodamientos de una hilera de rodillos cónicos.
    Fa = 0,5 Fr / Y

donde
Fa=carga axial del rodamiento (fig. 1)
Fr=carga radial del rodamiento (fig. 1)

=variable para condiciones de contacto interno (→ Determination of axial forces)

=factor de cálculo (→ product table)

Cuando un único rodamiento se somete a una carga radial Fr, debe aplicarse al rodamiento una carga axial Fa (externa) de la misma magnitud que la carga resultante si se desea aprovechar al máximo la capacidad de carga básica. Si la carga externa aplicada es menor, la cantidad de elementos rodantes que soportan la carga es menor, con la consiguiente reducción de la capacidad de carga del rodamiento.
En un sistema de rodamientos conformado por dos rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular o dos rodamientos de rodillos cónicos colocados espalda con espalda o cara a cara, cada disposición de rodamientos debe soportar la carga axial en una dirección. Cuando estos sistemas de rodamientos tienen juego casi cero, la carga radial se reparte en iguales proporciones entre los dos rodamientos, y la mitad de los elementos rodantes de cada rodamiento se ven sometidos a la carga.
En otros casos, cuando existe una carga axial externa, puede ser necesario aplicar una precarga a los rodamientos para compensar el juego que pueda producirse por la deformación elástica del rodamiento sometido a una carga axial. La precarga también distribuye las cargas más eficazmente por los rodamientos sin carga axial.
La precarga también incrementa la rigidez del sistema de rodamientos. No obstante, se debe tener en cuenta que la rigidez también se ve influenciada por la elasticidad del eje y el soporte, por los ajustes del eje y el soporte, y por la deformación elástica de todos los demás componentes adyacentes a los rodamientos, incluidos los resaltes. Cada uno de estos factores tiene una influencia considerable sobre la resiliencia de todo el sistema de rodamientos. Las resiliencias axial y radial de un rodamiento dependen de su diseño interno, las condiciones de contacto (contacto puntual o lineal), la cantidad de elementos rodantes y su diámetro, y el ángulo de contacto. Mientras mayor es el ángulo de contacto, mayor es el grado de rigidez en la dirección axial.
Si, como primera aproximación, se supone una relación lineal entre la resiliencia y la carga, como un coeficiente de elasticidad constante, al efectuarse una comparación entre el desplazamiento axial de un sistema de rodamientos con precarga y de uno sin precarga para la misma fuerza axial externa Ka, se observa que, en el primer caso, el desplazamiento axial es menor que en el segundo (diagrama 1). El diseño de la disposición del piñón (fig. 2 y fig. 3), por lo general, consiste en dos rodamientos de rodillos cónicos de diferente tamaño, A y B, con diferentes constantes de elasticidad, cA y cB. Ambos se someten a una fuerza de precarga F0. Si se aplica una fuerza axial Ka al rodamiento A, el rodamiento B se libera de toda carga y la carga adicional aplicada al rodamiento A produce el desplazamiento axial de una distancia de δa, cuyo valor es inferior al que se obtendría si no se aplicara ninguna precarga a los rodamientos. No obstante, el rodamiento B se libera de la fuerza de precarga axial, y el desplazamiento axial al aplicar una carga adicional es el mismo que el de un sistema de rodamientos sin precarga, es decir, está determinado únicamente por la constante de elasticidad cA si la fuerza axial externa supera el valor.



Para evitar que el rodamiento B pierda toda carga cuando el rodamiento A se somete a una fuerza axial Ka, se requiere aplicar la siguiente fuerza de precarga:



Es más fácil comprender las cargas y los desplazamientos elásticos en un sistema de rodamientos con precarga, así como los efectos de un cambio en la precarga, mediante un diagrama de fuerza de precarga/desplazamiento axial (diagrama 2). Este diagrama muestra las curvas de elasticidad de los componentes ajustados entre sí para aplicar la precarga y permite obtener las siguientes relaciones:
  • la relación entre la fuerza de precarga y el desplazamiento axial dentro del sistema de rodamientos con precarga;
  • la relación entre la fuerza axial externa Ka y la carga de los rodamientos para un sistema de rodamientos con precarga, así como la deformación elástica producida por una carga externa.
En el diagrama 2, todos los componentes sometidos a cargas externas durante el funcionamiento están representados por las curvas que aumentan de izquierda a derecha, mientras que todos los componentes sin carga están representados por las curvas que aumentan de derecha a izquierda. Las curvas 1, 2 y 3 corresponden a diferentes fuerzas de precarga (F01, F02 < F01 y F03 = 0). Las líneas discontinuas representan los rodamientos individuales, mientras que las líneas continuas representan todo el sistema de rodamientos (el [los] rodamiento[s] y componentes asociados) en relación con las diferentes fuerzas de precarga.
A partir del diagrama 2, también es posible explicar la relación entre los diferentes componentes. Por ejemplo, en el diseño de la disposición del piñón (fig. 2), el rodamiento A se encuentra adyacente a un engranaje y está ajustado contra el rodamiento B para conseguir la precarga. La fuerza axial externa Ka (componente axial de las fuerzas en los dientes) se superpone sobre la fuerza de precarga F01 (curva 1) de tal modo que el rodamiento A está sometido a una carga adicional mientras que el rodamiento B está descargado. La carga del rodamiento A se designa como FaA y la del rodamiento B, como FaB. Cuando se lo somete a la influencia de la fuerza axial Ka, el eje del piñón se desplaza axialmente una distancia de δa1.
Se ha seleccionado la menor fuerza de precarga F02 (curva 2), de modo que el rodamiento B pierda la carga solamente en relación a la fuerza axial Ka, es decir, FaB = 0 and FaA = Ka. En este caso, el eje del piñón se ha desplazado la distancia δa2 > δa1.
Cuando la disposición no tiene una precarga (curva 3), el desplazamiento axial del eje del piñón alcanza su valor máximo (δa3 > δa2).
SKF logo