Disposición de rodamientos en cajas de engranajes: extremo fijo frente a extremo flotante y cómo las cargas del engrane determinan el tipo

¿Necesita esta caja de engranajes un extremo de fijación y otro flotante?

Un eje sobre dos o tres rodamientos necesita un rodamiento fijado que determine su posición axial, incluso cuando el empuje es despreciable¹⁰. Cuando los apoyos están muy separados, el eje y la carcasa crecen en cantidades distintas, y un rodamiento debe flotar para que el crecimiento diferencial no cree un empuje parásito¹⁰.

Lo mismo aplica a una acumulación de tolerancias axiales entre las dos posiciones de rodamiento¹⁰. El movimiento térmico se absorbe de una de dos maneras.

Un rodamiento flotante deja que el eje se deslice axialmente, o una holgura interna diseñada absorbe el cambio; un juego radial mayor conviene a un anillo interior más caliente, y ese juego se cierra a medida que el eje se expande⁴.

Los rodamientos de rodillos cilíndricos NU/N pueden absorber el desplazamiento dentro del propio rodamiento²³. Un eje de reductora largo con distancia significativa entre apoyos es el caso en el que se requieren un rodamiento fijado y uno flotante¹⁰.

Un eje corto cuya contracción apenas afecta al funcionamiento es el caso en el que no hace falta distinguir los dos lados. Un par apareado de rodamientos de contacto angular o cónicos toma entonces la carga axial, con la holgura ajustada mediante tuercas o arandelas calibradas²².

Esa es una discrepancia genuina entre las fuentes, no un umbral que se pueda leer: ninguna fuente da la longitud del eje o la separación a partir de la cual el rodamiento flotante se vuelve necesario^10,12,22.

Antes de fijar la disposición, pida a su proveedor o diseñador de engranajes la diferencia de temperatura esperada entre eje y carcasa en los asientos de los rodamientos, y la acumulación de tolerancias axiales entre las dos posiciones.

Ninguna de las dos cifras está en este conjunto de fuentes, y ambas deciden si el rodamiento flotante es necesario.

Qué tipo de rodamiento corresponde al extremo flotante

La posición flotante se resuelve mejor con un rodamiento de rodillos cilíndricos con una pista recta, porque los rodillos lubricados se deslizan por el camino recto y absorben el desplazamiento axial dentro del propio rodamiento¹⁰.

SKF describe los mismos diseños N y NU para posiciones no fijadas en las que debe admitirse la expansión térmica del eje²³.

Si en el lado libre usa en su lugar un rodamiento no separable, la práctica habitual es un ajuste con holgura entre el anillo exterior y la carcasa, o en algunos casos entre el eje y el anillo interior. Así el eje puede moverse a través del rodamiento¹².

Los rodamientos rígidos de bolas, de bolas de contacto angular de doble hilera, cónicos TDO y de rodillos esféricos se tratan todos así cuando están en el lado libre¹⁰.

Un detalle que sorprende a mucha gente: un rodamiento de rodillos cilíndricos usado como rodamiento flotante sigue necesitando que su anillo exterior esté retenido, porque no va unido al anillo interior y puede desplazarse².

La misma fuente señala que el rodillo ancho y plano puede agitar el aceite gravemente si queda demasiado aceite en esa zona, así que la gestión del aceite importa si la eficiencia es un motor².

Revise el plano de la carcasa para el ajuste que pretende en la posición flotante antes de emitir la RFQ. Un NU/N separable necesita una función de fijación para el anillo exterior; una alternativa no separable necesita el ajuste con holgura escrito en el plano, no dejado al maquinista.

Elegir el tipo del extremo fijo según la carga axial que debe soportar

El lado fijo determina la posición axial del eje y debe tomar carga axial en ambos sentidos, así que su tipo se elige por capacidad bajo esa carga¹².

La lista de candidatos es amplia: rígidos de bolas, pares apareados o apilados de contacto angular, doble hilera de contacto angular, rodamientos oscilantes de bolas, rodillos cilíndricos con pestaña (NUP y NH), cónicos de doble hilera y de rodillos esféricos¹².

Cuál elija depende de la magnitud de la carga, la velocidad y la rigidez necesaria, y ninguna fuente nombra un único tipo obligatorio para un extremo fijo de reductora¹².

Donde el crecimiento térmico produce una fuerza de reacción axial, los rodillos cónicos en par opuesto toman por diseño las componentes axial y radial juntas²¹. Los rodamientos de contacto angular generan una fuerza de componente axial propia, por lo que un par se dispone en O o en X¹⁸.

Los rodamientos de rodillos esféricos se autoalinean mientras soportan cargas combinadas radial y axial pesadas, y se citan como habituales en reductoras¹¹. En un eje vertical con carga axial pesada, el lado fijo recibe igualmente un rodamiento que soporte carga radial y axial a la vez.

Y puede añadirse un rodamiento de empuje junto a uno radial cuando la carga axial es grande²². Dé al proveedor la carga axial en ambos sentidos y la rigidez requerida, no solo el diámetro del agujero.

La lista de candidatos es lo bastante larga para que el caso de carga, y no la página del catálogo, deba acotarla.

Acoplar la dirección de la fuerza del engrane al tipo de rodamiento

Los rodamientos ven cargas radiales perpendiculares al eje del árbol y cargas axiales a lo largo de él, y muchos diseños soportan ambas a la vez, con la estructura interna optimizada para la dirección y magnitud dominantes¹⁷.

El tipo, la magnitud y la dirección de la carga son el primer factor de selección, por delante de la velocidad, la temperatura y el espacio⁹.

Los engranajes rectos de dentado recto no generan carga axial, de modo que una reductora puede funcionar con rodamientos todos cilíndricos cuyos collarines solo tienen como misión mantener el eje en su sitio². Ese es el caso en el que sobreespecificar un rodamiento de carga combinada no compra nada.

Cuando el engrane sí produce carga axial, el lado fijo necesita un tipo que la soporte: los rodillos cónicos toman carga radial y axial unidireccional juntos y se usan típicamente en pares, mientras que los rodillos cilíndricos solo toman carga radial pura¹⁴.

Las variantes de rodillos cilíndricos difieren aquí, y la diferencia importa en la RFQ. Los diseños NU y N solo toman carga radial; NJ toma carga axial en un sentido; NUP o NJ+HJ en ambos²³.

Para carga combinada, la carga dinámica equivalente es P = XFr + YFa, con el límite e decidiendo si el término axial cuenta en absoluto¹⁸. Determine si su engrane produce fuerza axial antes de elegir el tipo del extremo fijo.

Si no la produce, la disposición enteramente cilíndrica es una práctica citada; si la produce, el lado fijo debe soportar esa fuerza en ambos sentidos.

Fijar la base de vida útil y fiabilidad antes de comprometerse con un tamaño

La vida se calcula según ISO 281 como L10 a partir de la carga dinámica básica del rodamiento y la carga dinámica equivalente, usando cargas pico que incluyen el arranque, el régimen estable y la parada de emergencia^5,24.

La fiabilidad por encima del 90 % se maneja con un factor a1 aplicado a ese resultado: 1,00 en L10, 0,64 en L5 y 0,25 en L1²⁶. Si la vida ajustada es inaceptable, la respuesta es un rodamiento con mayor capacidad dinámica, no una disposición distinta²⁶.

El objetivo en sí es específico de la aplicación. Lo fijan las normas del sector o la política de la empresa y la frecuencia de uso del equipo — intermitente frente a continuo, turnos por día, días por semana³¹.

Ninguna fuente de este conjunto indica un objetivo L10h requerido, un coeficiente de seguridad estático o dinámico, ni un valor aISO para una reductora, así que eso debe venir de su propia especificación de servicio. Ejecute el cálculo L10 sobre el candidato elegido y aplique después el factor a1 para la fiabilidad que realmente necesita.

Si la cifra se queda corta, suba la capacidad dinámica antes de replantear la disposición.

Lubricación y sellado para la disposición elegida

La configuración de sellado fija la protección contra contaminación y la carga de mantenimiento. Los rodamientos abiertos giran más rápido sin protección, los escudos metálicos son sin contacto y retienen polvo moderado, y los sellos de goma 2RS dan protección máxima a costa de velocidad³⁰.

Un proveedor de rodamientos de precisión describe los sellos laberinto sin contacto como primera línea de protección, y afirma que los sellos CF dan eficacia de sellado completa contra líquidos salpicados sin espacio adicional²⁹. El método de lubricación puede cambiar el resultado más que el sello.

Una papelera convirtió los rodamientos de sus rodillos de prensa de grasa a aceite en circulación tras fallos repetidos. Desde el cambio no ha habido fallos de rodamiento en esa sección y las lecturas de vibración que señalan daños tempranos por patinaje disminuyeron⁷.

La misma fuente señala que el cambio exige más formación del personal de lubricación y mantenimiento, incluida la eliminación del aceite y el control de nivel⁷. Para una posición flotante con rodillos cilíndricos, recuerde el punto del batido de aceite de la sección flotante: demasiado aceite en esa zona cuesta eficiencia².

Decida el método de lubricación y el tipo de sello juntos, porque la elección del sello limita la velocidad y la elección de la lubricación fija la rutina de mantenimiento. Ni el caudal de aceite ni la vida de la grasa están establecidos en este conjunto de fuentes; esos datos vienen del proveedor del lubricante.

Qué fijar en el montaje y qué dejar ajustable

Donde la disposición necesita mayor rigidez bajo carga más pesada o de impacto, los rodamientos del lado fijo se montan en O con precarga, y el eje y la carcasa deben fabricarse con dimensiones precisas¹⁹.

Cuando los intervalos entre rodamientos son cortos, la holgura axial puede ajustarse en cambio después del montaje con tuercas o arandelas calibradas²². Las comprobaciones siguientes separan los dos casos antes de liberar el plano.

• ✓Confirmar si el lado fijo necesita precarga para rigidez, o si el ajuste de holgura con tuercas o arandelas calibradas es aceptable.
• ✓Si se requiere precarga, verificar que las dimensiones del eje y la carcasa están toleradas para un montaje preciso.
• ✓Comprobar la separación entre rodamientos frente al caso de intervalo corto en el que no se distinguen lado fijo y libre.
• ✓Confirmar que el caso de carga se ha caracterizado antes de congelar la disposición.
• ✓Comprobar la velocidad requerida frente a la velocidad límite y el índice dN del rodamiento candidato.
• ✓Confirmar la tolerancia a desalineación, la lubricación y el montaje frente al eje, la carcasa y el entorno reales.

Dónde se determinan realmente el coste y el plazo

No existe la disposición universalmente mejor; la aplicación dirige el diseño de la caja de engranajes, y esta dirige el sistema de rodamientos⁸.

Un tren de engranajes de alto rendimiento y silencioso puede justificar ejes con precarga, mientras que un diseño dirigido por coste y eficiencia puede usar rodamientos con menos precisión y rigidez de funcionamiento y aceptar NVH secundario⁸.

En producción de series cortas de rodamientos especiales, el diseño de la jaula puede convertirse en el factor decisivo del tipo de rodamiento, porque diámetros primitivos y complementos de elementos rodantes únicos suelen ser poco realistas una vez contada la herramienta⁶.

El grado del material alimenta la misma decisión: los plásticos de bajo grado se venden por alrededor de 1 US$/kg mientras que polímeros más sofisticados cuestan unos 60 US$/kg³². Estándar frente a especial también mueve las condiciones comerciales.

Un proveedor indica que la cantidad mínima de pedido para rodamientos C3 varía según el tipo, la especificación y si se necesita personalización, y que un presupuesto y una evaluación de plazo requieren el modelo, el código de holgura, la cantidad y la aplicación³³.

Si sus volúmenes son bajos, compruebe si la jaula especificada tiene un diámetro primitivo y un complemento estándar antes de asumir que el rodamiento está disponible de catálogo. Esa única pregunta a menudo decide si merece la pena presupuestar la vía especial.

Dónde discrepan las fuentes

Lo que las fuentes no establecen

• Ninguna fuente proporciona un método o datos para calcular las componentes tangencial, radial y axial de la fuerza del engrane, el espectro de carga o el ciclo de servicio de una reductora.
• Ninguna fuente cuantifica la precisión de posicionamiento axial requerida ni la flotación axial admisible.
• Ninguna fuente proporciona valores numéricos de carga radial o axial, velocidades límite, límites de desalineación o rigidez para los tipos de rodamiento candidatos.
• Ninguna fuente da magnitudes de crecimiento térmico ni un método de cálculo para la expansión del eje y la carcasa en una reductora.
• Ninguna fuente indica un objetivo L10 o L10h requerido, coeficientes de seguridad estáticos o dinámicos, ni valores aISO para esta aplicación.
• Ninguna fuente da tiempos de montaje o desmontaje, ni requisitos de utillaje para montaje ajustado frente a fijo.
• Ninguna fuente da caudales de aceite, nivel de aceite, vida de la grasa ni especificaciones de protección contra contaminación para una reductora.
• Ninguna fuente da coste unitario del rodamiento, mecanizado de la carcasa, mano de obra de montaje ni umbrales de volumen para rodamientos especiales frente a estándar.
• Ninguna fuente aborda casos de carga específicos de la reductora como la desalineación de engranajes, las fuerzas dinámicas del engrane o el efecto de la precarga en el contacto dentario.