Rigidez axial de rodamientos rígidos de bolas: una guía práctica para ingenieros

Un eje comienza a dejar una leve marca de vibración a 8.000 rpm. El rodamiento rígido de bolas cumple con su capacidad de carga publicada, pero el eje se desvía axialmente mucho más de lo que permite el presupuesto de diseño. Esta es una escena familiar en maquinaria de precisión: se comprobó el número de carga, pero nunca se especificó el número de rigidez. La rigidez axial determina cuánto se mueve un eje cuando actúa sobre él una fuerza axial y, en equipos como motores pequeños, robots y dispositivos de medición, ese movimiento es tan importante como la vida útil del rodamiento. Este artículo explica qué significa rigidez axial, qué variables de diseño la gobiernan y cómo asegurarse de que el rodamiento que seleccione se comporte con la rigidez que requiere la aplicación.

Qué significa rigidez axial en un rodamiento rígido de bolas

La rigidez axial es la relación entre una carga axial aplicada y la deflexión axial resultante, expresada en newtons por milímetro. Para un rodamiento rígido de bolas, esta relación no es constante. La deflexión entre las bolas y las pistas de rodadura sigue el comportamiento de contacto hertziano: a medida que aumenta la carga, el área de contacto crece, la deflexión se vuelve proporcionalmente menor y el rodamiento parece más rígido. En otras palabras, la rigidez aumenta con la carga.

Para poner un número, un pequeño rodamiento rígido de bolas de tamaño 608 podría mostrar una rigidez axial en el rango de 30 a 80 N/μm dependiendo de su juego y el nivel de carga. Un rodamiento más grande, como el 6205, puede alcanzar varios cientos de N/μm en las mismas condiciones. Estas cifras no son calificaciones fijas; son instantáneas de un punto de carga específico en una curva no lineal.

Un rodamiento rígido de bolas es simétrico en la dirección axial, lo que significa que puede soportar cargas axiales en ambas direcciones. Sin embargo, esta simetría tiene una consecuencia que los ingenieros de diseño suelen pasar por alto. El rodamiento está construido con juego radial interno, por lo que las bolas no hacen contacto con los dos hombros de la pista simultáneamente. Bajo una pequeña fuerza axial, el eje se mueve casi libremente a través del espacio libre hasta que las bolas se asientan en un hombro. La rigidez axial en esta región es efectivamente cero, y sólo después de que se consume ese juego el rodamiento comienza a resistir la carga con su verdadera rigidez de contacto.

Por qué la rigidez axial es más importante que la capacidad de carga

Una clasificación de carga responde a una pregunta: ¿cuánta carga puede soportar el rodamiento? La rigidez axial responde a una pregunta diferente: ¿con qué precisión el rodamiento sujetará el eje? Para muchos productos, la segunda pregunta es qué determina la calidad. Un pequeño motor que permite el desplazamiento del rotor genera vibraciones y ruido. Una articulación robótica con juego axial excesivo pierde repetibilidad de posicionamiento. Un husillo de precisión que se desvía bajo la fuerza de corte genera vibraciones y un acabado superficial deficiente.

Considere un motor cuyo rotor está posicionado mediante dos rodamientos rígidos de bolas. Si el juego axial en el hombro de la pista de rodadura deja 15 µm de recorrido libre, el rotor se desplaza hacia adelante y hacia atrás con cada inversión de la fuerza magnética. El movimiento axial resultante se traduce directamente en ruido audible y microimpactos repetidos entre las bolas y el hombro de la pista de rodadura. Un rodamiento precargado o un rodamiento con juego reducido elimina este comportamiento en su origen.

Ninguna de estas fallas requiere que el rodamiento esté cerca de su límite de carga. El cojinete simplemente no es lo suficientemente rígido para el bucle estructural de la máquina. Es por eso que los datos de rigidez deben tratarse como una especificación de primera clase, no como una ocurrencia tardía en una hoja de datos. Cuando un conjunto está diseñado para mantener el movimiento axial dentro de dos micras, un rodamiento que desvía diez micras bajo la misma fuerza hace que todos los demás componentes de precisión del sistema sean inútiles.

Factores clave que controlan la rigidez axial.

La siguiente tabla enumera los parámetros que afectan más directamente a la rigidez axial de un rodamiento rígido de bolas. Las compensaciones son tan importantes como la propia mejora de la rigidez.

El problema del espacio libre y cómo ayuda la precarga

La razón más común de una rigidez axial deficiente en la práctica no es un diámetro de bola insuficiente; es liquidación. Los rodamientos rígidos de bolas estándar se clasifican en grupos de holgura como C2 (más pequeño de lo normal), CN (normal) y C3 (más grande de lo normal). Un espacio libre mayor simplifica el montaje y tolera la expansión térmica, pero también amplía la zona de desplazamiento axial. Para aplicaciones en las que la rigidez es crítica, un juego C2 o incluso un juego reducido personalizado suele ser la forma más sencilla de reducir el juego axial sin cambiar la geometría del rodamiento.

Si la aplicación no puede aceptar ningún recorrido libre axial, el siguiente paso es la precarga. Un resorte que presiona axialmente sobre el aro exterior asienta continuamente las bolas contra la pista de rodadura, por lo que el rodamiento opera en la parte más rígida de su curva de deflexión en todo momento. La precarga rígida consigue el mismo resultado fijando ambos aros del rodamiento de modo que las bolas estén siempre en contacto. Ambos enfoques reducen el juego axial a casi cero, pero añaden fricción y generan calor, por lo que los valores de precarga deben calcularse cuidadosamente para la velocidad de funcionamiento y el rango de temperatura esperados.

Rigidez radial versus axial en la práctica

Los rodamientos rígidos de bolas a veces se describen como radialmente dominantes y la descripción es justa. Una carga radial se transporta a lo largo de una línea directa a través de las bolas y ambas pistas de rodadura, mientras que una carga axial debe transferirse a través de los hombros de las pistas de rodadura e inducir un ángulo de contacto creciente. Debido a esta geometría, la rigidez radial de un rodamiento rígido de bolas suele ser mayor que su rigidez axial con la misma carga. La diferencia no es un defecto; es una consecuencia del diseño del rodamiento.

Para un eje que debe ubicarse con precisión en ambas direcciones, la solución práctica suele ser un par de rodamientos o un rodamiento con una brida integrada. Las variantes con bridas registran el rodamiento axialmente contra la cara de la carcasa y simplifican el montaje en pequeños motores eléctricos y reductores. el guía de selección de rodamientos con bridas Explica cómo la posición de la brida y el ajuste de la carcasa afectan la ubicación del eje axial. En motores con espacio restringido, un cojinete con brida blindada como el Transporte con bridas F696ZZ Proporciona soporte axial y una ubicación sencilla de la carcasa sin un anillo de retención adicional.

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Cómo verificar la rigidez axial antes de comprar

Los cálculos de rigidez teórica son un punto de partida, pero la curva carga-deflexión real depende del espacio libre fabricado, el perfil de la pista de rodadura y la redondez de la bola. Una prueba de fuerza-deflexión es sencilla: coloque el rodamiento sobre un soporte rígido, aplique una carga axial en incrementos con una prensa calibrada y mida el desplazamiento del eje con un sensor de desplazamiento. Trazar la carga contra la deflexión da una curva cuya pendiente en la carga operativa es la rigidez tangente del rodamiento.

Cuando se trata de rodamientos en miniatura, la configuración de prueba también debe reducirse. La deflexión con unos pocos newtons de carga axial puede ser de sólo unos pocos micrómetros, por lo que la resolución de medición es más exigente que para un rodamiento industrial grande. Aquí es donde un proveedor de rodamientos con capacidad de medición interna marca la diferencia al calificar un nuevo Rodamiento miniatura compacto 688ZZ para un montaje de precisión.

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Tenga en cuenta que una prueba de carga-deflexión estática mide la rigidez estática. En una máquina en funcionamiento, el rodamiento también responde a efectos dinámicos: comportamiento de la película de aceite entre las bolas y las pistas de rodadura, fuerzas centrífugas sobre las bolas a alta velocidad y expansión térmica de los anillos. Para la mayoría de las aplicaciones por debajo del 60 por ciento de la velocidad nominal del rodamiento, la rigidez estática es una base confiable de comparación. El ablandamiento relacionado con la velocidad se vuelve significativo principalmente en husillos de alta velocidad, donde se requieren pruebas dinámicas directas.

Pasos prácticos de selección para disposiciones de rodamientos rígidas

El proceso de selección debe comenzar con un presupuesto de deflexión axial, no con un cálculo de carga. Decida cuánto movimiento del eje puede tolerar la aplicación con la fuerza axial máxima. Luego compare las opciones de rodamientos según su comportamiento carga-deflexión previsto para esa fuerza específica, en lugar de mediante un único número de rigidez tomado de un catálogo. La rigidez no tiene una clasificación universal; es una función de carga, holgura y precarga.

Para motores pequeños, robótica e instrumentos médicos, la dirección de la carga importa tanto como su magnitud. Un rodamiento miniatura de acero inoxidable como el Rodamiento de acero inoxidable SMR148-2RS Ofrece resistencia a la corrosión y buen funcionamiento en ambientes donde el motor está expuesto a la humedad o agentes de limpieza. Cuando el espacio es extremadamente limitado, un diseño compacto mantiene pequeña la envolvente del rodamiento y al mismo tiempo proporciona un comportamiento axial predecible mediante una cuidadosa selección del juego.

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Los rodamientos seleccionados por su rigidez también deben validarse en el ajuste real de la carcasa y el eje. Los ajustes de interferencia cambian el juego interno después del montaje, y un rodamiento que parece rígido en un banco de pruebas puede ablandarse una vez que se presiona dentro de una carcasa. Incluya la condición de montaje en su evaluación de rigidez en lugar de tratar el rodamiento como un componente aislado. Para obtener una visión más profunda de cómo los rodamientos pequeños soportan sistemas de precisión, consulte nuestra descripción general de Cómo los rodamientos en miniatura impulsan la ingeniería de precisión y la maquinaria de alta velocidad .