300px|mini|right|Husillo de alta frecuencia suspendido por aire con alimentación integrada thumb|300px|Husillo de alta frecuencia accionado por aire
Los cojinetes de aire (también conocidos como cojinetes aerostáticos o cojinetes aerodinámicos) son un tipo de cojinetes de fluidos que utilizan una película delgada de gas presurizado como soporte de baja fricción entre dos superficies en movimiento. Las dos superficies no se tocan, lo que evita los problemas tradicionales relacionados con los cojinetes de fricción (como el desgaste, la formación de partículas o la necesidad de lubricación), y ofrecen claras ventajas si se requiere un ajuste de precisión (como la ausencia de holgura y de fricción estática), y en aplicaciones de alta velocidad.
Son de dos tipos: los cojinetes aerodinámicos, que establecen el colchón de aire a través del movimiento relativo entre partes estáticas y móviles; y los cojinetes aerostáticos, en los que la presión se genera externamente.
Se utilizan principalmente en herramientas de maquinaria de precisión (máquinas de medición y procesamiento) y máquinas de alta velocidad (husillos, turbomaquinaria a pequeña escala y giroscopios de precisión). Los simuladores de las naves espaciales también emplean cada vez con mayor frecuencia cojinetes de aire mecanizados mediante impresoras 3-D, como en el caso del CubeSat.Nemanja Jovanovic, et al. Design and Testing of a Low-Cost, Open Source, 3-D Printed Air-Bearing-Based Attitude Simulator for CubeSat Satellites. Journal of Small Satellites Vol. 8, No. 2, pp. 859–880 (2019). https://jossonline.com/letters/design-and-testing-of-a-low-cost-open-source-3-d-printed-air-bearing-based-attitude-simulator-for-cubesat-satellites/
Tipos de cojinetes de gas
Los cojinetes lubricados con gas se clasifican en dos grupos, según la fuente de presurización de la película de gas que proporciona la capacidad de carga: Cojinetes aerostáticos: el gas se presuriza externamente (mediante un compresor o un tanque de presión) y se inyecta en el juego del cojinete. En consecuencia, los cojinetes aerostáticos pueden soportar una carga incluso en ausencia de movimiento relativo, pero requieren un sistema de compresión de gas externo, lo que genera costos en términos de complejidad y energía. Cojinetes aerodinámicos: el gas es presurizado por la velocidad relativa entre las superficies estática y móvil del cojinete. Dichos cojinetes son de acción automática y no requieren una entrada externa de gas comprimido. Sin embargo, el contacto mecánico ocurre a velocidad cero, lo que requiere una consideración tribológica particular para evitar un desgaste prematuro.
También existen rodamientos híbridos que combinan las dos familias. En tales casos, un rodamiento normalmente se alimenta con gas comprimido externamente a baja velocidad y luego depende parcial o totalmente del efecto de autopresurización a velocidades más altas.
Entre estas dos categorías tecnológicas, los cojinetes de gas se clasifican según el tipo de unión que realizan: Rodamientos de movimiento lineal: admite una traslación en 1 o 2 direcciones entre dos planos Cojinetes lisos: Soporta una rotación entre dos partes Cojinetes de empuje: bloquean el desplazamiento axial de una pieza giratoria, generalmente se usan en combinación con cojinetes lisos
Los principales tipos de cojinetes de aire se clasifican en las siguientes categorías: Tipo Tecnología Descripción Aerostático Medio poroso El flujo de gas se controla a través de un material poroso Microboquilla El flujo de gas se controla a través de orificios de tamaño micrométrico Tipo de orificio El flujo de gas se controla a través de orificios y ranuras Lanzador de aire El flujo de gas se controla a través de una bolsa de aireAerodinámico Cojinete de lámina La superficie de apoyo es flexible, lo que permite un gran desplazamiento y proporciona una buena estabilidad Cojinete ranurado en espiral La película de gas se presuriza mediante ranuras mecanizadas en una de las superficies, consiguiendo una alta capacidad de carga y estabilidad. Los patrones de ranura habituales son en forma de espiga, en espiral o rectos (cojinetes escalonados)
Cojinetes aerostáticos
El gas presurizado actúa como lubricante en el espacio entre las piezas móviles de los cojinetes. El colchón de gas lleva la carga sin ningún contacto entre las partes móviles. Normalmente, el gas comprimido es suministrado por un compresor. Un objetivo clave de suministrar la presión del gas en el espacio es que la rigidez y el amortiguamiento del colchón de gas alcancen el nivel más alto posible. Además, el consumo de gas y la uniformidad de su suministro en el espacio son cruciales para el buen comportamiento de los cojinetes aerostáticos.
Aportación de aire al espacio intermedio
El suministro de gas a la interfaz entre los elementos móviles de un cojinete aerostático se puede lograr con varios métodos diferentes: Superficie porosa Superficie porosa parcial Alimentación por orificio discreto Alimentación por ranura Alimentación por surco
No existe un único método óptimo para alimentar la película. Todos tienen sus ventajas e inconvenientes específicos para cada aplicación.
Volumen muerto
Los volúmenes muertos se refieren en particular a las cámaras y canales existentes en los cojinetes aerostáticos convencionales para distribuir el gas y aumentar la presión comprimida dentro del espacio. En los cojinetes de gas porosos (sinterizados), las cavidades internas también se consideran volumen muerto.
Cojinetes aerostáticos convencionales
thumb|Tobera de un cojinete de aire con cámaras y canales
Con los cojinetes aerostáticos convencionales de una sola boquilla, el aire comprimido fluye a través de unas pocas boquillas relativamente grandes (de 0,1 a 0,5 mm de diámetro) hacia el espacio intermedio del cojinete. Por lo tanto, el consumo de gas solo permite cierta flexibilidad, de modo que las características del rodamiento (fuerza, momentos, superficie de apoyo, altura del entrehierro del cojinete, amortiguación) solo pueden ajustarse de manera insuficiente. Sin embargo, para permitir una presión de gas uniforme incluso con solo algunas boquillas, los fabricantes de cojinetes aerostáticos adoptan técnicas constructivas. Al hacerlo, estos cojinetes generan volúmenes muertos (volumen de aire no comprimible y, por lo tanto, de baja presión). En efecto, este volumen muerto es muy perjudicial para la dinámica del cojinete de gas y provoca vibraciones autoexcitadas.
Cojinetes aerostáticos de boquilla única
El sistema de compresión previo consta de una cámara alrededor de la boquilla central. Normalmente, la relación de esta cámara está entre el 3% y el 20% de la superficie del cojinete. Incluso con una profundidad de cámara de 1/100 mm, el volumen muerto es muy alto. En el peor de los casos, estos cojinetes de aire constan de una superficie de apoyo cóncavo en lugar de una cámara. Su principal desventaja es que disponen de una rigidez ante la inclinación de la parte rotante muy reducida.
Cojinetes de gas con canales y cámaras
Normalmente, los cojinetes aerostáticos convencionales se fabrican con cámaras y canales. Este diseño asume que con una cantidad limitada de boquillas, el volumen muerto debe disminuir mientras se distribuye uniformemente el gas dentro del espacio intermedio. La mayoría de las concepciones se refieren a estructuras de canales especiales. Desde finales de la década de 1980 se fabrican cojinetes aerostáticos con estructuras de microcanales sin cámaras. Sin embargo, esta técnica también tiene que gestionar problemas de volumen muerto. A medida que aumenta la altura del espacio, la carga y la rigidez del microcanal disminuyen. Como en el caso de accionamientos lineales de alta velocidad o husillos de alta frecuencia, esto puede causar serias desventajas.
Cojinetes aerostáticos con microboquillas perforadas con láser
thumb|Corte a través de un elemento cilíndrico thumb|Procesamiento por láser (corte a través de un elemento del cojinete)
Los cojinetes aerostáticos de microboquilla perforados con láser utilizan técnicas de diseño y fabricación computarizadas para optimizar el rendimiento y la eficiencia. Esta tecnología permite a los fabricantes una mayor flexibilidad en la producción, optimizando sus diseños para una aplicación determinada. En muchos casos, los ingenieros pueden crear cojinetes de aire que se acercan al límite teórico de rendimiento.
En lugar de unas pocas boquillas grandes, los cojinetes aerostáticos con muchas microboquillas evitan volúmenes muertos dinámicamente desventajosos. Los volúmenes muertos se refieren a todas las cavidades en las que el gas no puede comprimirse durante la disminución del espacio. Estos aparecen cuando la presión baja del gas estimula la vibración. Ejemplos de los beneficios obtenidos son: accionamientos lineales con aceleraciones de más de 1000 m/s² (100 g) o accionamientos de impacto con incluso más de 100 000 m/s² (10 000 g) debido a la alta amortiguación en combinación con una elevada rigidez dinámica; movimientos subnanométricos debido a los errores inducidos por ruido más bajos; y transmisión de gas o vacío sin juntas para accionamientos rotativos y lineales a través del intersticio gracias al suministro de aire guiado.
Los cojinetes aerostáticos de microboquillas logran una distribución de presión efectiva y casi perfecta dentro del espacio intermedio con una gran cantidad de microboquillas. Su diámetro típico está entre 0,02 mm y 0,06 mm. La sección transversal más estrecha de estas boquillas se encuentra exactamente en la superficie del cojinete. De este modo, la tecnología evita un volumen muerto en la superficie del cojinete de aire de apoyo y dentro del área de las boquillas de suministro de aire.
Las microboquillas se perforan automáticamente con un rayo láser que proporciona la máxima calidad y repetibilidad. Los comportamientos físicos de los cojinetes de aire demuestran tener una baja variación dimensional tanto para grandes como para pequeños volúmenes de producción. A diferencia de los cojinetes convencionales, con esta técnica los cojinetes neumáticos no requieren una fabricación manual ni costosa.
Las ventajas de la tecnología de cojinetes de aire de microboquillas incluyen: Uso eficiente del colchón de aire (cerca del límite físico) a través de una presión uniforme dentro de todo el espacio intermedio Combinación perfecta de propiedades estáticas y dinámicas Mayor flexibilidad posible de las propiedades del cojinete de aire: con una altura de separación particular, es posible optimizar el cojinete de aire de modo que tenga, por ejemplo, una carga máxima, rigidez axial, rigidez a la inclinación, amortiguación o un consumo de aire mínimo (respectivamente también en combinación con otras propiedades) Máxima precisión con aprobación múltiple de todos los cojinetes de aire, mediante una tecnología de medición capaz de detectar los más mínimos movimientos (<< 2 nanómetros) a través de vibraciones autoexcitadas físicas, lo más bajas posibles Rigidez ante la inclinación considerablemente más alta que los cojinetes de aire convencionales, de modo que el aire dentro del espacio fluye a través de canales desde las áreas cargadas hacia las áreas sin carga Sin vibraciones en todo el rango de funcionamiento, incluso con un suministro de aire a alta presión (en realidad, son posibles incluso mucho más de 10 bar) Máxima fiabilidad debido a la gran cantidad de boquillas: la obstrucción de las boquillas por partículas está fuera de discusión (no hay fallos de funcionamiento) porque sus diámetros son mucho mayores que la altura del espacio intermedio Posibilidad de ajustar las propiedades del cojinete para sus condiciones de deformación y tolerancias y las de la superficie opuesta Usabilidad comprobada para muchos materiales y revestimientos de cojinetes