La importancia de la selección de rodamientos en el rendimiento de la caja de cambios

- Dec 05, 2019-

La importancia de la selección de rodamientos en el rendimiento de la caja de cambios

Las grandes cajas reductoras están diseñadas para transmitir un alto par reduciendo la alta velocidad de entrada a la velocidad de salida deseada. Esta es la razón por la cual una caja de engranajes es ampliamente utilizada y una pieza común de equipo a través de transportadores, molinos, trituradoras y bombas de la industria pesada.

Los engranajes a lo largo de una caja de engranajes están fabricados con precisión y alta precisión que requieren técnicos capacitados para ensamblar e instalar. No es inusual que una caja de engranajes de reducción simple tenga muchas etapas que pueden incluir engranajes cónicos y de piñón para cambios de dirección de transmisión / entrada, así como múltiples engranajes helicoidales de diferentes relaciones para lograr la salida deseada.

El objetivo es que la caja de cambios funcione de la manera más silenciosa posible. Para ayudar con esto, los engranajes helicoidales se utilizan generalmente en lugar de engranajes rectos (o de corte transversal) para reducir el ruido audible de la malla del engranaje. ¿Todos recordamos el 'gemido' de nuestros autos manuales cuando retrocedimos? En estos casos, el reverso es un engranaje recto.

Los engranajes helicoidales son excelentes para la transmisión de potencia, durabilidad y operación silenciosa, sin embargo, hay un inconveniente en este diseño. Como estos engranajes se fabrican con un ángulo, siempre hay una fuerza axial (de empuje) resultante que requiere atención.

En aplicaciones donde esta carga axial se vuelve extremadamente grande, los engranajes helicoidales se cortan en direcciones opuestas, a menudo denominados 'engranajes en espiga'. Este diseño requiere:

  • Aumentar el tamaño de la caja de cambios

  • Más precisión en el montaje y

  • Agrega costo adicional en la precisión

Sin embargo, en funcionamiento, este diseño de engranaje no dará como resultado cargas axiales (de empuje). En los accionamientos helicoidales y de engranajes cónicos / de piñón más comunes, la carga axial (de empuje) resultante debe ser soportada por los cojinetes de soporte. A menudo, la elección de los rodamientos se basa en la capacidad de carga y la vida teórica del rodamiento, sin una comprensión esencial del rodamiento y su diseño fundamental.

Hay muchos rodamientos diferentes disponibles, cada uno con un conjunto único de características de carga. Estas características deben entenderse claramente junto con las características de carga de la aplicación antes de la instalación. En la mayoría de las aplicaciones, el eje requiere ubicación, así como la capacidad de girar.

Las cargas de los rodamientos pueden ser radiales, axiales o una combinación de ambos. En general, la mayoría de las aplicaciones tienen una combinación de estos dos. Los rodamientos están diseñados para soportar diferentes cargas, y la mayoría puede acomodar combinaciones de cargas. Un rodamiento de bolas, por ejemplo, está diseñado para acomodar cargas radiales, sin embargo, es capaz de soportar cierta carga axial (de empuje) y, por lo tanto, es excelente para usar en un motor eléctrico, ya que este rodamiento ubicará positivamente el rotor. En este ejemplo también habrá algo de crecimiento térmico del eje. Para eliminar el riesgo de "ubicación cruzada" del rodamiento, se puede utilizar un rodamiento de rodillos cilíndricos. Este tipo de rodamiento está disponible en muchas configuraciones. Se puede usar ya que hay configuraciones que permitirán el movimiento axial dentro del rodamiento, mientras se mantiene la carga radial.

Algunos rodamientos también están diseñados para permitir la desalineación. Esto puede ser beneficioso cuando existe la posibilidad de una imprecisión del alojamiento al eje, o una posibilidad de desviación del eje. Similar al diseño de engranaje helicoidal, estos rodamientos tienen ventajas y desventajas.

En el caso de los rodamientos de rodillos esféricos, la capacidad de desalinearse mientras se permite la rotación sin comprometer la capacidad de carga es excelente. Estos rodamientos son un excelente diseño para usar en una polea transportadora, ya que siempre es difícil mantener una alineación precisa y la carga radial aplicada suele ser alta. Además, estos rodamientos también tienen la capacidad de 'localizar' el eje al acomodar pequeñas cargas axiales (de empuje).

La desventaja, o desventaja, de un rodamiento de rodillos esféricos es que, por su diseño interno, existe un compromiso con la eficiencia de la rodadura. Imagínese tratando de hacer rodar un barril de vino cuesta abajo, no es probable que ruede en línea recta. Lo mismo ocurre dentro del rodamiento de rodillos esféricos: los elementos rodantes tienden a torcerse y deslizarse, lo que aumenta las temperaturas de funcionamiento. El componente crítico que mantiene la alineación del elemento rodante es la jaula. Sin la jaula, los elementos rodantes se sesgan fácilmente, lo que resulta en una falla catastrófica.

Las ineficiencias de rodamiento de un rodamiento de rodillos esféricos se pueden comparar fácilmente haciendo referencia a las clasificaciones de velocidad en cualquier catálogo de fabricantes de rodamientos. Revise las velocidades de los rodamientos del mismo tamaño general: ID, OD y ancho. Compare esta velocidad para los rodamientos de bolas, los rodamientos de rodillos cilíndricos, incluso los rodamientos de rodillos cónicos, y es muy probable que la velocidad nominal del rodamiento de rodillos esféricos sea significativamente menor.

¿Por qué? Las clasificaciones de velocidad se basan en un estándar que requiere que se aplique una carga específica con el rodamiento capaz de mantener una temperatura prescrita a esta velocidad 'limitante'. Algunos fabricantes tienen "velocidades de referencia" que difieren de la "velocidad límite". Sin embargo, la medida es fundamentalmente la misma. Las cajas de engranajes a menudo tienen rodamientos de rodillos esféricos instalados en ejes de reducción de velocidad más lenta, lo cual es interesante desde la perspectiva de la aplicación de rodamientos.

Las cajas de engranajes son precisas por diseño. La malla, el contragolpe y la alineación del engranaje son críticos para la vida útil del engranaje y el funcionamiento confiable. El diseño del eje debe mantener esta precisión sin desviarse. La alineación del orificio de la carcasa debe garantizar que el eje mantenga los requisitos de precisión del engranaje.

Dadas estas restricciones de precisión, parece haber una falta de conocimiento fundamental de ingeniería de rodamientos en la selección de rodamientos. La aplicación no requiere la capacidad de desalinearse. Es probable que se produzca una carga axial (de empuje) y las fuerzas de separación del engranaje son insuficientes para mantener el requisito mínimo de carga del rodamiento para mantener el contacto de rodadura. Las ineficiencias internas de rodadura y la carga radial insuficiente pueden combinarse con la carga axial (de empuje) para provocar una falla prematura del rodamiento. Un rodamiento que es ideal para una polea transportadora que se utiliza en una aplicación de caja de cambios puede no ser la mejor opción.

Se puede considerar un rodamiento diseñado específicamente para tener la capacidad de acomodar una combinación de carga radial y axial (empuje), junto con una capacidad de carga que mantiene los requisitos mínimos de carga. El rodamiento de rodillos cónicos suele ser una excelente alternativa si los rodamientos de rodillos esféricos fallan prematuramente o no proporcionan una vida útil adecuada en las aplicaciones de cajas de engranajes.

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