Rodamientos de agujas: 60 años y aún en evolución

- Dec 03, 2019-

Rodamientos de agujas: 60 años y aún en evolución.

Si bien el diseño básico de un rodamiento de agujas no ha cambiado mucho en los últimos 60 años, los continuos desarrollos han dado como resultado nuevos diseños de jaula que proporcionan cinco veces la vida útil y duplican la capacidad de carga estática de sus contrapartes originales.

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La mayoría de los ingenieros de diseño ya estarán familiarizados con las ventajas técnicas proporcionadas por un rodamiento de agujas: la capacidad de manejar cargas relativamente altas en un sobre de diseño compacto. Esta ventaja técnica ha hecho que el rodamiento de agujas sea la opción preferida de rodamiento en una amplia variedad de aplicaciones de transmisión de potencia industrial y automotriz a lo largo de los años.

Un rodamiento de agujas es un rodamiento que utiliza rodillos cilíndricos pequeños. Estos rodillos se utilizan para reducir la fricción de una superficie giratoria. En comparación con los rodamientos de bolas, los rodamientos de agujas tienen una gran superficie que está en contacto con los diarios de rodamientos.

La estructura típica de un rodamiento de agujas comprende una pista interior (o, a veces, solo un eje), una caja de agujas que orienta y contiene los rodillos de aguja, los rodillos de aguja y una pista de rodadura exterior. Hay muchos diseños diferentes de rodamientos de agujas, que incluyen copa extraída, carrera de precisión, rodillo enjaulado y rodillo de empuje. Aquí, consideramos el tipo de rodillo enjaulado.

La función de un rodamiento de agujas enjaulado es soportar cargas radiales y velocidades de rotación. Aquí, una jaula guía y retiene los rodillos. Los diseños enjaulados normalmente vienen en diseños de una o dos filas, con una amplia variedad de materiales de jaula disponibles, incluidos acero, plástico (PA66) y aluminio. Los diseños de rodamientos de múltiples filas aumentan la capacidad de carga.

Las jaulas, ya sean de acero o plástico, se pueden hacer en una variedad de construcciones diferentes, que incluyen una jaula sólida, mitades divididas y divididas en dos (dos piezas). Estas jaulas también pueden incorporar pasajes de lubricación y otras características de diseño personalizado.

Las aplicaciones típicas para los rodamientos de agujas enjaulados son cajas de engranajes, sistemas de transmisión de potencia automotriz, motores de dos y cuatro tiempos, conjuntos de engranajes planetarios y compresores de aire.

Independientemente del tipo de los cuatro tipos principales de rodamientos de agujas seleccionados para una aplicación, los ingenieros deben considerar una variedad de factores antes de tomar su decisión lo antes posible en la fase de diseño: el tamaño / envolvente de diseño, tipo de carga, carga capacidad, velocidad, temperatura, desalineación, especificaciones de carcasa y eje, vida útil y requisitos de lubricación.

La historia del rodamiento de agujas

En 1949, al final de la Segunda Guerra Mundial, los fundadores de INA (ahora The Schaeffler Group), el Dr. Georg Schaeffler y su hermano, Wilhelm, inventaron un nuevo tipo de rodamiento de agujas, el rodamiento de agujas enjaulado INA.

Fue durante la fabricación de rodamientos para el ejército de los EE. UU. Que Georg Schaeffler consideró por primera vez cómo superar las desventajas de los rodamientos de agujas completos. En aquel entonces, los diseños de rodamientos con elementos rodantes tenían una tendencia a distorsionarse, particularmente a altas velocidades de funcionamiento, y por lo tanto sufrían un aumento en la resistencia a la fricción (calor). Además, el rodamiento se bloqueó fácilmente donde el espacio libre era apretado. La solución del Dr. Georg Schaeffler en 1949 fue guiar las agujas axialmente en una jaula.

El rodamiento de agujas enjaulado superó estas desventajas al tiempo que ofrece altas velocidades y baja fricción. Trabajando con un equipo de ingenieros en INA, Georg desarrolló la idea hasta que estuvo lista para la producción en masa y luego partió con su hermano armado con una caja de muestras para convencer a los clientes de las ventajas de su nuevo rodamiento de agujas.

Durante los primeros años, el desarrollo de INA estuvo estrechamente relacionado con la industria automotriz. De hecho, el primer objetivo para el rodamiento de agujas enjaulado fue la industria automotriz y algunos de los primeros clientes que se convirtieron a la nueva tecnología fueron Mercedes Benz y Adler Motorcycles. El negocio de rodamientos de INA realmente había comenzado. En poco tiempo, el rodamiento de agujas enjaulado del Dr. Schaeffler se había convertido en un elemento esencial en muchos diseños de plantas y maquinaria automotriz e industrial.

Es notable que el genio de la ingeniería del rodamiento de agujas enjaulado del Dr. Schaeffler todavía se use en su diseño original hoy en día. Sin embargo, el diseño original no se ha detenido a lo largo de los años, sino que se ha mejorado continuamente y se ha adaptado para satisfacer demandas cada vez más diversas.

El rodamiento de agujas enjaulado ha contribuido significativamente al desarrollo de vehículos más pequeños, más eficientes y rentables. Incluso hoy sería difícil imaginar un sistema de transmisión automotriz que no utilizara rodamientos de agujas.

Hoy en día, los rodamientos de agujas se fabrican en más de 15,000 variantes, con nuevos diseños personalizados para cumplir con los requisitos especiales de las aplicaciones del cliente.

Los rodamientos de agujas mecanizados forman el núcleo de la gama, particularmente con la reciente introducción del estándar de calidad premium X-life de Schaeffler. Los rodamientos de agujas producidos con calidad X-life ahora ofrecen un aumento del 13% en la capacidad de carga dinámica en comparación con los rodamientos convencionales, lo que corresponde a un aumento del 50% en la vida útil.

Para el cliente, estas mejoras significan menos esfuerzo de lubricación, menor fricción y temperaturas de rodamiento más bajas, lo que a su vez da como resultado un rodamiento con mayor eficiencia energética. Además, el aumento en la capacidad de rendimiento permite reducir el tamaño del rodamiento para la aplicación, con las correspondientes reducciones en el peso del rodamiento y sus requisitos de espacio.

En el improbable caso de que los requisitos de la aplicación excedan incluso los rodamientos X-life, se pueden obtener más mejoras de rendimiento técnico mediante el uso de nuevos revestimientos y materiales para rodamientos.

Un proyecto que se está llevando a cabo actualmente en la División Automotriz de Schaeffler implica el rediseño de un conjunto de engranajes planetarios de alta velocidad para una transmisión automática de la caja de cambios en un nuevo vehículo de pasajeros eléctrico híbrido.

"Los fabricantes de automóviles ahora requieren rodamientos y otros componentes del motor que brinden mejores características de fricción, y aquí es donde entran en juego las ventajas del rodamiento de agujas".

Davies dice que un diseño especial de jaula para el rodamiento de agujas y características mejoradas que mejoran las características de flujo de lubricación del rodamiento, han resultado en un diseño de rodamiento de menor fricción, lo que ha permitido reducir el conjunto de engranajes planetarios del cliente para los diferenciales eléctricos tamaño, que pesa un 17 por ciento menos que el sistema original. Los rodamientos, en combinación con un flujo de aceite optimizado a través del transportador, han permitido velocidades de funcionamiento un 20% más altas (hasta 8,000 rpm).

“La jaula fue diseñada a medida para la aplicación. Debido a una envoltura de diseño restringida, la jaula debía ser más pequeña para acomodar el eje y el orificio de la carcasa del engranaje está terminado para soportar una pista de rodadura. De lo contrario, se habría requerido un anillo exterior o interior ”, explica Davies.

Flujo de aceite mejorado

Los rodamientos de agujas enjaulados se pueden ensamblar en muchas variedades para el cliente. Estos incluyen diseños de división simple, tipos de media carcasa y división simple con conexiones de barra de resorte diagonal.

A fines de la década de 1980 hasta principios de la década de 1990, las mejoras en el diseño de la jaula se centraron en diseños más delgados con masa reducida. Otras mejoras incluyeron nuevas características de diseño que ayudaron a mover el lubricante de manera más efectiva en todas las áreas del rodamiento, lo que condujo a un mejor flujo de aceite.

Originalmente, las jaulas fueron diseñadas simplemente para guiar los elementos rodantes. Sin embargo, más recientemente, los rodamientos de agujas están provistos de diseños de jaula muy mejorados, que incluyen, por ejemplo, jaulas precesadas especiales.

La precesión no solo ayuda a distribuir el desgaste entre todos los rodillos, sino que también distribuye lubricante alrededor del rodamiento. 'Falso brinelling' es un modo de falla típico para los rodamientos de agujas enjaulados, particularmente en aplicaciones de transmisión de potencia. Estos modos de falla son causados comúnmente por micro vibraciones y movimientos entre los elementos rodantes y los diarios de la pista de rodadura, creando condiciones de contacto de metal con metal.

El resultado de mejoras como las descritas, ha llevado a que los últimos diseños de rodillos enjaulados de rodamientos puedan ofrecer capacidades de carga estática hasta un 25% más altas para un rodamiento de tamaño similar, lo que equivale a más del doble de la capacidad de carga dinámica. Para aplicaciones con múltiples movimientos pequeños, la vida útil del rodamiento generalmente aumenta de tres a cinco veces.

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