Un rodamiento de bolas es un tipo de cojinete que emplea como rodillos bolas esféricas que giran confinadas por lo general entre dos surcos circulares.
El propósito de un rodamiento de bolas es reducir la fricción rotacional y soportar cargas radiales y axiales. Lo logra utilizando al menos dos surcos para contener las bolas y transmitir las cargas a través de las bolas. En la mayoría de las aplicaciones, una pista está fija y la otra está unida al conjunto giratorio (por ejemplo, un buje o un eje). Cuando una de las pistas de rodamiento gira, hace que las bolas también giren. Debido a que las bolas están rodando, tienen una fricción mucho más baja que si dos superficies planas se deslizaran una contra la otra.
Los rodamientos de bolas tienden a tener una capacidad de carga más baja para su tamaño que otros tipos de rodamientos, debido al área de contacto más pequeña entre las bolas y los surcos. Sin embargo, pueden tolerar cierta desalineación entre el surco interno y el externo.
Historia
Aunque los rodamientos se habían desarrollado desde la antigüedad, la primera patente moderna registrada sobre rodamientos de bolas fue otorgada a Philip Vaughan, un inventor galés y maestro herrero que creó el primer diseño para un rodamiento de bolas en Carmarthen en 1794. El suyo fue el primer diseño moderno de rodamientos de bolas, con la bola corriendo en una ranura en el conjunto del eje.
Jules Suriray, un mecánico de bicicletas parisino, diseñó el primer rodamiento de bolas de estilo radial en 1869,See: Suriray, "Perfectionnements dans les vélocipèdes" (Improvements in bicycles), French patent no. 86,680, issued: 2 August 1869, Bulletin des lois de la République française (1873), series 12, vol. 6, page 647. Louis Baudry de Saunier, Histoire générale de la vélocipédie [General history of cycling] (Paris, France: Paul Ollendorff, 1891), pages 62–63. que luego se instaló en la bicicleta utilizada por James Moore, ganadora en la primera carrera ciclista en carretera del mundo, la París-Ruan, en noviembre de 1869.Bicycle History, Chronology of the Growth of Bicycling and the Development of Bicycle Technology by David Mozer. Ibike.org. Retrieved 1 September 2012.
Diseños comunes Hay varios diseños comunes de rodamientos de bolas, cada uno de los cuales ofrece distintas particularidades de rendimiento. Pueden estar hechos de muchos materiales diferentes, incluidos: acero inoxidable, acero al cromo y cerámica (nitruro de silicio (Si3N4)). Un rodamiento de bolas híbrido es un rodamiento con bolas de cerámica y surcos de metal.
De contacto angular Un rodamiento de bolas de "contacto angular" dispone de surcos axialmente asimétricos. Una carga axial pasa en línea recta a través del rodamiento, mientras que una carga radial toma una trayectoria oblicua que actúa para separar los surcos axialmente. Por lo tanto, el ángulo de contacto del surco interior es el mismo que el del surco exterior. Los rodamientos de contacto angular soportan mejor las cargas combinadas (carga en las direcciones radial y axial) y el ángulo de contacto del rodamiento debe coincidir con las proporciones relativas de cada uno. Cuanto mayor sea el ángulo de contacto (normalmente en el rango de 10 a 45°), mayor será la carga axial soportada, pero menor será la carga radial. En aplicaciones de alta velocidad, como turbinas, motores a reacción y equipos de odontología, las fuerzas centrífugas generadas por las bolas implican el ajuste de los ángulos de contacto interior y exterior. Las bolas cerámicas (como las de nitruro de silicio) se utilizan regularmente en tales aplicaciones debido a su baja densidad (40% que la del acero). Estos materiales reducen significativamente la fuerza centrífuga y funcionan bien en entornos de alta temperatura. También tienden a desgastarse de manera similar al acero de los cojinetes, en lugar de agrietarse o romperse como el vidrio o la porcelana.
La mayoría de las bicicletas utilizan cojinetes de contacto angular para permitir el giro de la barra de dirección accionada por el manillas porque las fuerzas sobre estos cojinetes son tanto en la dirección radial como en la axial.
Axial Un rodamiento de bolas axial o de empuje dispone los dos surcos superpuestos entre sí. La carga axial se transmite directamente a través del rodamiento, mientras que una carga radial es mal soportada y tiende a separar los surcos, por lo que es probable que una carga radial excesiva dañe el rodamiento.
De surco profundo En un rodamiento radial de surco profundo, las dimensiones de la acanaladura son cercanas a las dimensiones de las bolas que corren en él. Los cojinetes de surco profundo soportan cargas más altas que los que tienen uno menos profundo. Al igual que los cojinetes de rodillos cónicos, soportan cargas radiales y axiales, pero sin la opción de ajustar el diseño del ángulo de contacto para permitir la elección de la proporción relativa de estas capacidades de carga.
Pares precargados Los tipos básicos de cojinetes anteriores se utilizan habitualmente formando sistemas de "pares precargados", donde dos cojinetes individuales se sujetan rígidamente en un eje giratorio para enfrentarse entre sí. Esto reduce la excentricidad axial ("precarga") al absorber la ligera holgura necesaria entre las bolas del rodamiento y los surcos. El emparejamiento también proporciona la ventaja de distribuir uniformemente las cargas, casi duplicando la capacidad de carga total en comparación con un solo rodamiento. Los rodamientos de contacto angular casi siempre se utilizan en pares opuestos: el diseño asimétrico de cada rodamiento soporta cargas axiales en una sola dirección, por lo que se requiere un par opuesto si la aplicación exige soportar esfuerzos axiales en ambos sentidos. El sistema de fuerza de precarga a aplicar (por lo general, un resorte comprimido) debe dimensionarse y ensamblarse con cuidado, ya que se deduce de la capacidad de soportar esfuerzos axiales de los rodamientos y puede dañarlos si se aplica en exceso. El mecanismo de emparejamiento puede simplemente enfrentar los rodamientos juntos directamente o separarlos con una cuña, un buje o algún otro elemento del eje.
Tipos de construcción
Conrad El rodamiento de bolas de estilo Conrad lleva el nombre de su inventor, Robert Conrad, a quien se le otorgó la patente británica 12206 en 1903 y la patente estadounidense 822723 en 1906.
Los cojinetes se ensamblan colocando el anillo interior en una posición excéntrica con respecto al anillo exterior, con los dos anillos en contacto en un punto, lo que da como resultado un gran espacio opuesto al punto de contacto. Las bolas se insertan a través del espacio y luego se distribuyen uniformemente alrededor del conjunto del rodamiento, lo que hace que los anillos se vuelvan concéntricos. El montaje se completa colocando una jaula en las bolas para mantener sus posiciones entre sí. Sin la jaula, las bolas se saldrían de su posición durante el funcionamiento, lo que provocaría el fallo del rodamiento. La jaula no lleva carga y solo sirve para mantener la posición de las bolas.
Los rodamientos Conrad tienen la ventaja de que pueden soportar cargas radiales y axiales, pero tienen la desventaja de una menor capacidad de carga debido al número limitado de bolas que se pueden cargar en el conjunto del rodamiento. Probablemente el rodamiento de bolas industrial más conocido es el estilo Conrad de ranura profunda, que se utiliza en la mayoría de las industrias mecánicas.
Relleno de surco En un rodamiento radial con "relleno de surco", los surcos interno y externo tienen muescas en una cara, de modo que cuando las muescas están alineadas, las bolas se pueden deslizar en el hueco resultante para ensamblar el rodamiento. Un rodamiento de relleno de surco tiene la ventaja de que se pueden ensamblar más bolas (incluso permitiendo un diseño de "relleno completo"), lo que da como resultado una mayor capacidad de carga radial que un rodamiento Conrad de las mismas dimensiones y tipo de material. Sin embargo, un rodamiento de relleno de carga no puede soportar una carga axial significativa y las ranuras provocan una discontinuidad en las pistas que puede tener un efecto pequeño pero adverso en la resistencia a la rodadura del dispositivo.
Surcos con relieve Los rodamientos de bolas con surcos con relieve, como su nombre indica, disponen de unos resaltos que permiten reducir el diámetro exterior del aro interior en un lado o aumentar el diámetro interior del aro exterior en el otro lado lado. Esto permite ensamblar un mayor número de bolas en el surco interior o exterior, y luego encajar a presión la otra pieza sobre el relieve. A veces, el anillo exterior se calienta para dilatarlo momentáneamente y facilitar el montaje. Al igual que la construcción de surco relleno, la construcción de surco con relieve permite una mayor cantidad de bolas que la construcción Conrad, incluyendo el relleno completo, de forma que la disposición del máximo número posible de bolas optimiza la capacidad de carga. Sin embargo, solo puede soportar cargas axiales significativas en una dirección (en sentido contrario al surco con relieve).
Anillo cortado Otra forma de colocar más bolas en un rodamiento de bolas radial es 'fracturando' radialmente (cortando) uno de los anillos por completo, cargando las bolas, volviendo a ensamblar la parte cortada y luego usando un par de bandas de acero para mantener las secciones del anillo seccionado juntas en alineación. Una vez más, esto permite alojar el número máximo de bolas, aunque, a diferencia de las construcciones con relleno de surco o de surco con relieve, puede soportar una carga axial significativa en cualquier dirección.
Número de filas Hay dos diseños de "hileras": rodamientos de una hilera y rodamientos de dos hileras. La mayoría de los rodamientos de bolas tienen un diseño de una sola fila de bolas de rodamiento. Este diseño funciona con cargas radiales y de empuje.
Un diseño de "doble hilera" tiene dos hileras de bolas de rodamiento. Las ventajas de los rodamientos de dos hileras en comparación con los de una hilera incluyen que pueden soportar cargas radiales y axiales en ambas direcciones. Los rodamientos de bolas de contacto angular de dos hileras tienen una forma de montaje oblicuo, que también puede soportar esfuerzos inclinados. Otras ventajas de los rodamientos de dos hileras son su rigidez y compacidad. Su desventaja es que necesitan una mejor alineación que los rodamientos de una hilera.
De brida Los rodamientos con forma de brida en el anillo exterior simplifican su ubicación en un eje. El alojamiento de tales cojinetes puede consistir en un orificio pasante de diámetro uniforme, pero la cara de entrada del alojamiento (que puede ser la cara exterior o interior) debe mecanizarse para que sea realmente normal al eje del orificio. Sin embargo, tales bridas son muy caras de fabricar. Una disposición más rentable del anillo exterior del rodamiento, con beneficios similares, es una ranura del anillo de retención en uno o ambos extremos del diámetro exterior. Un anillo elástico asume la función de la brida.
Enjaulado Las jaulas se utilizan para asegurar la posición relativa de las bolas en un rodamiento del tipo Conrad. En otros tipos de construcción, permiten disminuir el número de bolas dependiendo de la forma específica de la jaula y, por lo tanto, reducir la capacidad de carga. Sin jaulas, la posición tangencial se estabilizaría como el deslizamiento de dos superficies convexas entre sí. Con la jaula, la posición tangencial se estabiliza mediante el deslizamiento de una superficie convexa con respecto a una superficie cóncava emparejada, lo que evita abolladuras en las bolas y presenta una menor fricción. Los rodamientos de rodillos enjaulados fueron inventados por John Harrison a mediados del como parte de su trabajo en cronógrafos.
Híbridos con bolas de cerámica