John Wallace, vicepresidente de operaciones, AST Bearings y Steven Sanchez, PE, especialista en rodamientos certificado por BSA, gerente de ingeniería, AST Bearings

Los fabricantes de equipos originales (OEM, por sus siglas en inglés) de equipos y vehículos fuera de carretera buscan continuamente nuevas formas de aplicar la tecnología en sus diseños, tanto nuevos como antiguos, cualquier cosa que le dé a sus productos una ventaja en productividad, cargas útiles y eficiencia. Las máquinas y los vehículos que producen deben soportar entornos extremos, condiciones de funcionamiento exigentes y cargas pesadas. La confiabilidad y la facilidad de mantenimiento son primordiales; la reparación de equipos en el sitio es costosa y, a menudo, casi imposible. Sin embargo, muchos diseños se basan en plataformas comprobadas que incorporan transmisiones, suspensiones, articulaciones de dirección, barras de torsión, bielas, juntas articuladas, pivotes de articulación de servicio pesado y cilindros hidráulicos. Todas estas aplicaciones tienen algo importante en común: utilizan rótulas y rótulas esféricas radiales.

Esto es lo que debe saber acerca de estos cojinetes relativamente simples y extremadamente resistentes que se encuentran en la mayoría de las aplicaciones fuera de carretera.

Cómo trabajan ellos

Las rótulas esféricas radiales tienen un aro interior con una superficie exterior convexa esférica y un aro exterior con una superficie de contacto deslizante interior correspondientemente esférica (pero cóncava). Los dos estilos generales se relacionan con el método de fabricación. Los rodamientos de estilo estampado se fabrican "estampando" o formando el anillo exterior sobre el anillo interior (o bola). Los rodamientos de estilo fracturado tienen un anillo exterior que está dividido o fracturado en una posición para facilitar el montaje de los anillos durante la fabricación.

Los rodamientos pueden estar compuestos por diferentes combinaciones de superficies de contacto deslizantes, es decir, las superficies deslizantes de los anillos interior y exterior están hechas de diferentes materiales. Algunas combinaciones requieren mantenimiento (como acero sobre acero), mientras que otras no.

Comparación con las rótulas

Las rótulas constan de una cabeza en forma de ojo con vástago integral, que forma un alojamiento y una de tres opciones: una rótula esférica estándar, un aro interior de rótula esférica o un aro interior de rótula esférica con una capa deslizante entre el orificio de la cabeza y el anillo interior. Como regla general, los extremos de las barras están disponibles con roscas hembra o macho a la izquierda o a la derecha. Los extremos de las varillas pueden tener combinaciones de superficie de contacto deslizante acero sobre acero, acero sobre bronce, material compuesto de acero sobre PTFE o acero sobre tejido de PTFE.

Dado que los rodamientos con combinaciones de superficie de contacto deslizante de acero sobre acero requieren una relubricación regular, normalmente tienen orificios de lubricación y ranuras en el anillo interior y exterior para permitir que la grasa fluya hacia las áreas de contacto deslizante. Es importante que estas características se alineen con las ranuras y puntos de engrase de los componentes acoplados cuando se montan.

Al montar rodamientos con un aro exterior fracturado, es fundamental que la junta se coloque a 90⁰ con respecto a la dirección de la carga principal; de lo contrario, se acortará la vida útil, especialmente bajo cargas pesadas. El ángulo de inclinación, o desalineación, generalmente se indica con el símbolo α en la mayoría de los catálogos y puede variar de 3⁰ a 15⁰. Las tolerancias de los cojinetes, los juegos internos y las prácticas de montaje recomendadas se enumeran en las secciones de Ingeniería de la mayoría de los catálogos. En los EE. UU., las normas ANSI/AFBMA 22.1 y 22.2, Serie 3, cubren estos tipos de rodamientos.

Uno de los usos más comunes de los cojinetes lisos esféricos en equipos fuera de carretera es con cilindros hidráulicos, actuadores lineales diseñados para entregar fuerza en una sola dirección, porque son efectivos para lidiar con la desalineación, una causa común de falla del cilindro hidráulico. Los cojinetes esféricos se utilizan a menudo en los montajes de estilo horquilla de los cilindros hidráulicos. Las desviaciones de la línea central de la carga introducen lo que se conoce como “carga lateral”. Esto genera una tensión lateral en los pistones de los cilindros, los sellos, los bujes y las varillas; estos componentes no están diseñados para resistir estas fuerzas, por lo que fallarán rápidamente. Los cojinetes esféricos permiten cierto grado de desalineación debido a la carga lateral, lo que mejora la longevidad del cilindro.

Una excavadora o retroexcavadora típica tiene media docena de cilindros, o más, para el cucharón, la pluma, el balde, los estabilizadores, la dirección y otros equipos y accesorios en el vehículo donde se utilizan estos cojinetes, además de las articulaciones de la dirección, amortiguadores y puntos de pivote.

Los cojinetes lisos esféricos están disponibles en varios tipos y configuraciones para abordar condiciones específicas de carga y operación, y condiciones ambientales.

Tipo sellado

Los cojinetes lisos esféricos están disponibles con sellos para proteger las superficies deslizantes en entornos severos. Los sellos están fijados al aro exterior y hacen un contacto positivo con el aro interior manteniendo la suciedad y los desechos fuera, y el lubricante dentro. Las variaciones en los materiales y el diseño del sello varían según el fabricante, pero la mayoría de los sellos son de elastómero de poliéster o de nitrilo de buna. caucho adherido a un inserto de chapa de acero. Estos sellos de plástico y caucho son los más adecuados para aplicaciones en las que los cojinetes experimentan movimientos de inclinación o circunferenciales frecuentes. Esto tiende a mantener limpias las superficies de contacto.

Anillo interior extendido

Para facilitar el montaje y eliminar la necesidad de espaciadores, estos rodamientos también están disponibles con un diseño de aro interior extendido. Estos tienen un costo un poco más alto.

Angulo alto

Dependiendo de su tamaño, la mayoría de los cojinetes lisos esféricos se adaptan a la desalineación en el rango de 5 a 15 grados. Sin embargo, los ángulos de desalineación más altos se pueden acomodar con una serie especial. Esta serie tiene un aro interior de mayor sección transversal que permite un mayor ángulo de inclinación, hasta 20 grados.

Resistente a impactos

En algunas aplicaciones todoterreno, las cargas de choque o impacto son comunes y pueden tener un efecto devastador en los rodamientos. La mayoría de los cojinetes lisos esféricos se fabrican con acero al cromo 52100 endurecido. Estos rodamientos tienen buena resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. Sin embargo, con su alta dureza, son susceptibles de astillarse, agrietarse y romperse en estas condiciones. En estas aplicaciones, se recomiendan los cojinetes lisos esféricos fabricados con aceros cementicios de bajo contenido de carbono, como el 8620, y procesados ​​con un tratamiento térmico especial conocido como cementación. El endurecimiento superficial proporciona una capa exterior de alta dureza para la resistencia al desgaste y la fatiga, y el núcleo del cojinete es "más blando" o más dúctil, lo que permite que el cojinete absorba el impacto. Estos rodamientos tienen una prima de precio.

Carga y vida

Las rótulas esféricas pueden soportar cargas tanto en dirección axial como radial, siendo la carga predominantemente radial para esta última. Los tipos de contacto angular están disponibles para mayor empuje o carga axial. Las cargas pueden estar en combinación, y la dirección constante o alterna.

Otras consideraciones de carga:

Las cargas son dinámicas cuando se producen movimientos deslizantes en un rodamiento cargado, lo que provoca el desgaste del rodamiento.

Las cargas dinámicas pueden ser oscilatorias o rotacionales. Las cargas oscilatorias se pueden acomodar solo a lo largo del eje lateral y están limitadas al ángulo de desalineación o inclinación diseñado en el rodamiento.

Cuanto mayor sea la frecuencia de oscilación, menor será la vida útil del rodamiento para una aplicación determinada.

Bajo carga estática, el factor limitante es la resistencia del material del cojinete o del extremo del vástago.

Si bien estos rodamientos tienen principios de funcionamiento y construcción muy sencillos, calcular la vida útil es complicado, por lo que se recomienda a los ingenieros que se comuniquen con el fabricante para obtener ayuda. Los valores de los índices de carga dependen de la definición utilizada, por lo que no siempre es posible realizar comparaciones directas con los índices de carga publicados por cada fabricante.

Capacidad de carga dinámica

La clasificación de carga dinámica se utiliza para los cálculos cuando la rótula esférica está sujeta a tensión dinámica. Representa la carga, constante en magnitud y dirección, bajo la cual se alcanzará una vida útil nominal básica, expresada como una distancia de deslizamiento, para un movimiento oscilante continuo a una velocidad de deslizamiento definida a temperatura ambiente. Supone que la carga que actúa sobre las rótulas esféricas radiales y angulares y sobre las rótulas es puramente radial, y que la carga que actúa sobre las rótulas axiales esféricas es puramente axial y actúa de forma céntrica. Las tensiones dinámicas a menudo ocurren en combinación: cuando se realizan movimientos de inclinación, oscilación o rotación bajo carga; con movimientos de microdeslizamiento bajo cargas alternas; y con cargas alternas a alta frecuencia.