Clases de tolerancia de eje y carcasa para rodamientos: cómo la elección del ajuste determina el juego interno

Primero decida qué anillo gira respecto a la carga

La selección del ajuste comienza con una pregunta: ¿la dirección de la carga gira respecto al anillo, o el anillo permanece bajo la carga?

Un anillo que gira respecto a la carga tiende a deslizarse (fluir) sobre su asiento si el ajuste no lo retiene, así que el asiento necesita un ajuste con interferencia o de transición.

Un anillo cuya dirección de carga es estacionaria se queda en su sitio, por lo que un ajuste con juego es aceptable y a menudo deseable, porque permite el desplazamiento axial del anillo. Los dos asientos se tabulan por separado.

En el eje, una carga giratoria del anillo interior exige clases con interferencia como h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 o r6 según la carga y el diámetro, mientras que una carga estacionaria del anillo interior usa g6 cuando el anillo debe moverse con suavidad, o h6 cuando no es necesario².

En la carcasa, una carga estacionaria del anillo exterior usa clases con juego H7, H8, G7 o F7, mientras que una carga giratoria del anillo exterior usa M7, N7 o P7⁵.

Ambas tablas son funciones del tipo de carga, del tipo de rodamiento y del tamaño, de modo que la clase no puede elegirse solo a partir de la dirección de la carga²⁵. Equivocarse aquí cuesta dos veces.

Un asiento flojo permite que la pista de rodadura gire y frettee contra el eje o la carcasa, y un asiento que no sostiene correctamente la delgada pista acorta la vida útil y puede obligar a reacondicionar el eje o la carcasa antes de instalar el rodamiento de repuesto¹¹.

Leer la clase de eje en la tabla de carga y diámetro

Para un anillo interior giratorio, la clase de eje se tabula contra la magnitud de la carga y el diámetro del eje, y el ajuste se define respecto a la tolerancia Normal del taladro del rodamiento, de modo que una misma clase de letra significa una interferencia absoluta distinta a diferentes diámetros²¹².

La tabla siguiente corresponde al caso de carga ligera y normal para rodamientos de taladro cilíndrico de las clases 0, 6X y 6; la carga pesada o de impacto desplaza la clase a n6, p6 o r6 y exige un rodamiento con un juego interno mayor que el estándar². Dos flexibilizaciones son relevantes.

Donde se busca alta precisión, js5, k5 y m5 sustituyen a js6, k6 y m6². En rodamientos de rodillos cónicos y de bolas de contacto angular de una hilera, k5 y m5 pueden sustituirse por k6 y m6 porque no es necesario considerar la reducción del juego interno debida al ajuste².

Leer la clase de carcasa en la tabla de carga y desplazamiento

La clase de carcasa depende de si el anillo exterior debe poder desplazarse axialmente, del tipo de carga y de la temperatura a la que funcionan el eje y el anillo interior. Por ello, una única clase por defecto es incorrecta para un anillo exterior giratorio o un eje caliente⁵.

Cuando la carga del anillo exterior es estacionaria y el anillo debe desplazarse con facilidad, H7 es la elección habitual; G7 puede aplicarse para un rodamiento grande o una gran diferencia de temperatura entre el anillo exterior y la carcasa⁵.

Cuando el eje y el anillo interior funcionan calientes, la clase de carcasa pasa a G7, con F7 para un rodamiento grande o una gran diferencia de temperatura⁵. Una carga giratoria del anillo exterior no es desplazable y toma M7, N7 o P7 según la carga y la sección de la carcasa⁵.

Comprobar si la interferencia consume el juego interno

Un ajuste con interferencia expande el anillo interior, y esa expansión reduce el juego interno fabricado, es decir, el juego de banco del rodamiento¹⁹. Un ajuste de carcasa apretado hace lo mismo desde el exterior al comprimir el anillo exterior, de modo que ambas reducciones se suman³.

Si no se tiene en cuenta la reducción, puede no quedar suficiente juego de banco para dejar algún juego de funcionamiento, y el rodamiento puede pasar a juego negativo, fricción excesiva y fallo prematuro³¹⁹. La reducción no es simplemente la interferencia nominal.

La interferencia efectiva se calcula como dos tercios de la interferencia nominal menos una dimensión de aplanamiento, tanto para el anillo interior como para el exterior, y el cambio de juego resultante depende de la interferencia efectiva, del diámetro del eje acoplado y del espesor de pared del taladro de la carcasa⁹.

Por eso la clase de ajuste y la clase de juego deben elegirse juntas y no en secuencia.

Cuando el ajuste es fuerte, la temperatura de funcionamiento es consistentemente alta o las velocidades superan el rango estándar, una clase de juego mayor como C3 es la elección adecuada; C4 se reserva para temperaturas excepcionalmente altas, una diferencia térmica significativa entre eje y carcasa, carcasas de pared delgada o desalineación severa²⁰.

Un proveedor indica que C3 es la recomendación por defecto para muchos motores industriales y cajas de engranajes habituales, lo cual es la posición de ese proveedor y no una regla para toda aplicación²⁰.

Diferencia de temperatura y disposición con lado libre

El juego también se mueve con la temperatura.

Cuando se espera que el anillo interior o el eje funcionen más calientes y se dilaten más que el anillo exterior o la carcasa, el juego del rodamiento disminuye en operación, por lo que conviene desde el inicio un juego radial mayor; si el anillo exterior se dilata más que el interior, el juego aumenta en cambio⁴.

La misma lógica impulsa la clase de juego: C3 cuando la temperatura de funcionamiento es consistentemente alta, los ajustes son fuertes o las velocidades superan el estándar, y C4 cuando la diferencia térmica entre eje y carcasa es significativa²⁰. Un rodamiento en el lado libre es la otra forma de absorber ese movimiento.

Compensa la dilatación o contracción causada por el cambio de temperatura en operación, y cuando se usa un rodamiento no desmontable en el lado libre, se prevé un ajuste con juego entre el anillo exterior y la carcasa, o en algunos casos entre el eje y el anillo interior²¹.

Ese ajuste con juego es una previsión térmica deliberada, no una versión más floja del ajuste del lado fijado.

Limitar la interferencia por ambos extremos

El ajuste debe ser lo bastante apretado para impedir que el anillo fluya sobre su asiento y lo bastante flojo para no sobrecargarlo.

Los ajustes correctos impiden la rotación de la pista de rodadura respecto al eje o la carcasa y el fretting y agarrotamiento que se derivan, y sostienen las pistas relativamente delgadas del rodamiento; las tolerancias de eje y carcasa admisibles son solo ligeramente mayores que las de los componentes del rodamiento acoplados¹¹.

Prensar el anillo interior añade tensión tangencial (hoop) en el anillo.

Para un caso concreto — un rodamiento de bolas de contacto angular de 120 mm de taladro como empuje de eje principal en acero M50 para un turborreactor — la fuente recomienda que este componente de la tensión tangencial debido al ajuste a prensa no supere unos 140 MPa¹⁷.

Ese valor proviene de una única aplicación aeroespacial de alta velocidad y no es un límite general de la industria; trátelo como un recordatorio de que la interferencia máxima está limitada por la tensión del anillo, y pregunte al proveedor de rodamientos por el límite aplicable a su rodamiento.

Elegir un método de montaje que alcance el ajuste

La interferencia del plano debe poder alcanzarse sin dañar la pista de rodadura. Los rodamientos con taladro cilíndrico se montan generalmente a prensa, o calentando el anillo interior para dilatar su taladro antes del montaje — un ajuste por contracción (shrink fit)²⁶.

En rodamientos mayores o con mayor interferencia, el montaje en caliente reduce el riesgo de dañar la pista de rodadura durante el prensado, y cuando el anillo exterior necesita un ajuste con interferencia, el rodamiento puede enfriarse primero con hielo seco, aplicando previamente un tratamiento anticorrosivo²⁶. La herramienta importa tanto como la temperatura.

Deben usarse prensas de rodamientos, calentadores de inducción o prensas hidráulicas según el tipo de rodamiento y el ajuste, y la fuerza nunca debe aplicarse directamente sobre los elementos rodantes — solo sobre el anillo que se monta¹³.

Qué confirmar en el plano antes de pedir

Los ajustes se escriben como combinaciones de letra más dígito como m6 y H7, donde una letra minúscula es el diámetro exterior del eje y una mayúscula el taladro de la carcasa, y cada uno se define respecto a la tolerancia Normal del taladro o del diámetro exterior del rodamiento¹².

Como esas tolerancias Normales crecen con el tamaño del rodamiento, la misma clase produce un ajuste absoluto distinto en un rodamiento mayor, así que el plano está incompleto sin la clase de tolerancia del rodamiento contra la que se define¹².

Las fuentes no aportan valores numéricos de geometría de asiento ni de superficie, por lo que deben formularse como puntos de verificación y no como cifras copiadas.

• ✓Indicar la clase de tolerancia del rodamiento contra la que se define el ajuste, usando la designación ISO, DIN, ANSI/ABEC o JIS con la que trabaja el proveedor [S12][S14][S25]
• ✓Confirmar la clase de eje contra el caso de carga y el rango real de diámetro del eje, no una clase por defecto [S2]
• ✓Confirmar la clase de carcasa contra la necesidad de desplazamiento del anillo exterior y la temperatura del eje [S5]
• ✓Indicar la clase de juego interno (CN, C3 o C4) y el ajuste con el que se eligió [S20]
• ✓Exigir al taller que verifique el diámetro del eje, el taladro de la carcasa, la rugosidad y la forma antes del montaje [S11]
• ✓Pedir al proveedor que confirme la reducción de juego prevista para el ajuste especificado [S19][S9]
• ✓Nombrar el método de montaje y la herramienta para que la interferencia especificada sea alcanzable sin dañar la pista de rodadura [S26][S13]

Dónde las fuentes se contradicen o callan

Las tablas anteriores provienen de guías de selección de ajuste de proveedores, y no todas apuntan en la misma dirección. Las filas siguientes mantienen separada cada posición; la evidencia no resuelve cuál aplica a una máquina determinada, por lo que el comprador verifica contra la aplicación real.

Lo que las fuentes no establecen

• Ninguna fuente da valores numéricos de desviación de diámetro interior y exterior Δdmp/ΔDmp para un rodamiento concreto, por lo que la interferencia real no puede calcularse a partir de este artículo.
• Ninguna fuente da rangos numéricos del juego interno radial para CN, C3 o C4 antes del montaje.
• Ninguna fuente da una fórmula completa del factor de relación de anillos para la reducción del juego; solo se indican el factor 2/3 y la dimensión de aplanamiento G*.
• Ninguna fuente da cálculos numéricos de dilatación térmica ni el diferencial de temperatura a partir del cual C3 o C4 resulta necesario.
• Ninguna fuente da una fórmula de interferencia mínima para evitar deslizamiento o fretting, ni un límite general de interferencia máxima para agrietamiento o tensión circunferencial.
• Ninguna fuente da requisitos numéricos de rugosidad superficial (Ra), cilindricidad, redondez o perpendicularidad del hombro.
• Ninguna fuente da valores de interferencia alcanzables o requeridos, ni valores de fuerza de montaje, para ajuste a prensa, calentamiento por inducción, inyección de aceite o tuerca hidráulica.
• Ninguna fuente da tolerancias geométricas numéricas de los asientos de árbol o carcasa respecto a las tolerancias del rodamiento.