Rodamientos de agujas: 60 años y sigue evolucionando

Jul 20, 2023

Si bien el diseño básico de un rodamiento de agujas no ha cambiado mucho en los últimos 60 años, los desarrollos continuos han dado como resultado nuevos diseños de jaula que brindan una vida útil cinco veces mayor y el doble de capacidad de carga estática que sus contrapartes originales. La mayoría de los ingenieros de diseño ya estará familiarizado con las ventajas técnicas proporcionadas por un rodamiento de agujas: la capacidad de manejar cargas relativamente altas en un diseño compacto. Esta ventaja técnica ha convertido a los rodamientos de agujas en la opción preferida de rodamientos en una amplia variedad de aplicaciones de transmisión de potencia industriales y automotrices a lo largo de los años. Un rodamiento de agujas es un rodamiento que utiliza pequeños rodillos cilíndricos. Estos rodillos se utilizan para reducir la fricción de una superficie giratoria. En comparación con los rodamientos de bolas, los rodamientos de agujas tienen una gran superficie que está en contacto con los muñones de la pista de rodadura del rodamiento. La estructura típica de un rodamiento de agujas consta de una pista interior (o, a veces, solo un eje), una jaula de agujas que orienta y contiene los rodillos de agujas, los propios rodillos de agujas y una pista de rodadura exterior. Hay muchos diseños diferentes de rodamientos de agujas, que incluyen copa estirada, carrera de precisión, rodillo enjaulado y rodillo de empuje. Aquí, consideramos el tipo de rodillo enjaulado. La función de un rodamiento de agujas enjaulado es soportar cargas radiales y velocidades de rotación. Aquí, una jaula guía y retiene los rodillos. Los diseños en jaula normalmente vienen en diseños de fila simple y doble, con una amplia variedad de materiales de jaula disponibles, incluidos acero, plástico (PA66) y aluminio. Los diseños de cojinetes de múltiples filas aumentan la capacidad de carga. Las jaulas, ya sean de acero o de plástico, se pueden fabricar en una variedad de construcciones diferentes, que incluyen jaula sólida, división simple y mitades divididas (dos piezas). Estas jaulas también pueden incorporar pasajes de lubricación y otras características de diseño personalizado. Las aplicaciones típicas de los rodamientos de agujas con jaula son cajas de engranajes, sistemas de transmisión de energía automotriz, motores de dos y cuatro tiempos, juegos de engranajes planetarios y compresores de aire. Independientemente de qué tipo de los cuatro tipos principales de rodamiento de agujas se selecciona para una aplicación, los ingenieros deben considerar una variedad de factores antes de tomar su decisión lo antes posible en la fase de diseño: el tamaño/envolvente de diseño, tipo de carga, capacidad de carga, velocidad, temperatura, desalineación, carcasa y especificaciones del eje, vida útil y requisitos de lubricación. En 1949, al final de la Segunda Guerra Mundial, los fundadores de INA (ahora The Schaeffler Group), el Dr. Georg Schaeffler y su hermano, Wilhelm, inventaron un nuevo tipo de rodamiento de agujas, el Rodamiento de agujas con jaula INA. Fue mientras fabricaba rodamientos para el ejército de los EE. UU. cuando Georg Schaeffler consideró por primera vez cómo superar las desventajas de los rodamientos de agujas completamente llenos. En aquel entonces, los diseños de rodamientos con elementos rodantes tenían tendencia a torcerse, particularmente a altas velocidades de funcionamiento, y por lo tanto sufrían un aumento en la resistencia por fricción (calor). Además, el cojinete se bloqueó fácilmente donde el espacio libre era reducido. La solución del Dr. Georg Schaeffler en 1949 fue guiar las agujas axialmente en una jaula. El rodamiento de agujas enjaulado superó estas desventajas al mismo tiempo que ofrecía altas velocidades y baja fricción. Trabajando con un equipo de ingenieros de INA, Georg desarrolló la idea hasta que estuvo lista para la producción en masa y luego partió con su hermano armado con una caja de muestras para convencer a los clientes de las ventajas de su nuevo rodamiento de agujas. Durante los primeros años, El desarrollo de INA estuvo estrechamente ligado a la industria automotriz. De hecho, el primer objetivo de los rodamientos de agujas enjaulados fue la industria automotriz y algunos de los primeros clientes en convertirse a la nueva tecnología fueron Mercedes Benz y Adler Motorcycles. El negocio de rodamientos de INA realmente había comenzado. En poco tiempo, el rodamiento de agujas enjaulado del Dr. Schaeffler se convirtió en un elemento esencial en muchos diseños de maquinaria y plantas automotrices e industriales. Es notable que el genio de la ingeniería del rodamiento de agujas enjaulado del Dr. Schaeffler todavía se usa en su diseño original en la actualidad. Sin embargo, el diseño original no se ha detenido a lo largo de los años, sino que se ha mejorado continuamente y se ha adaptado para satisfacer demandas cada vez más diversas. El rodamiento de agujas con jaula de INA ha hecho una contribución significativa al desarrollo de vehículos más pequeños, más eficientes y rentables. Incluso hoy en día sería difícil imaginar un sistema de transmisión automotriz que no usara rodamientos de agujas. Hoy en día, los rodamientos de agujas de INA se fabrican en más de 15 000 variantes, con nuevos diseños personalizados para cumplir con los requisitos especiales de las aplicaciones de los clientes. Mecanizado INA Los rodamientos de agujas forman el núcleo de la gama, especialmente con la reciente introducción del estándar de calidad premium X-life de Schaeffler. Los rodamientos de agujas fabricados con calidad X-life ahora ofrecen un aumento del 13 % en la clasificación de carga dinámica en comparación con los rodamientos convencionales, lo que corresponde a un aumento del 50 % en la vida útil. Para el cliente, estas mejoras significan menos estrés del lubricante y reducción de la fricción. y temperaturas más bajas de los cojinetes, lo que a su vez da como resultado un cojinete con mayor eficiencia energética. Además, el aumento en la capacidad de rendimiento permite reducir el tamaño del rodamiento para la aplicación, con las correspondientes reducciones en el peso del rodamiento y sus requisitos de espacio. mediante el uso de nuevos revestimientos y materiales para rodamientos. Un proyecto que se está llevando a cabo actualmente en la División de Automoción de Schaeffler implica el rediseño de un conjunto de engranajes planetarios de alta velocidad para una transmisión de caja de cambios automática en un nuevo vehículo de pasajeros eléctrico híbrido. Stewart Davies, Ingeniero Senior de Aplicaciones en Schaeffler (UK) Ltd comenta: "La industria automotriz actual está bajo una presión cada vez mayor para producir vehículos más eficientes en combustible con menores emisiones de CO2. Un método para lograr esto es mejorar el consumo de combustible del vehículo al reducir la fricción en todo el recorrido. tren Esto significa reducir el peso del vehículo en general al reducir el peso de los componentes individuales". Davies dice que un diseño especial de la jaula para el rodamiento de agujas y características mejoradas que mejoran las características de flujo de lubricación del rodamiento han dado como resultado un diseño de rodamiento de menor fricción, lo que ha permitido que el juego de engranajes planetarios del cliente para los diferenciales eléctricos ser reducido en tamaño, pesando un 17 por ciento menos que el sistema original. Los rodamientos, en combinación con el flujo de aceite optimizado a través del portador, han permitido velocidades de funcionamiento un 20 % más altas (hasta 8000 rpm). más pequeño para acomodar el eje y el orificio de la carcasa del engranaje tiene un acabado para soportar una pista de rodadura del rodamiento. De lo contrario, se habría requerido un anillo externo o interno", explica Davies. Los rodamientos de agujas con jaula se pueden ensamblar en muchas variedades para el cliente . Estos incluyen diseños de una sola división, tipos de media carcasa y una sola división con conexiones de barra de resorte diagonal. Desde finales de la década de 1980 hasta principios de la de 1990, las mejoras en el diseño de las jaulas se centraron en diseños más delgados con masa reducida. Otras mejoras incluyeron nuevas características de diseño que ayudaron a mover el lubricante de manera más efectiva alrededor de todas las áreas del cojinete, lo que mejoró el flujo de aceite. Originalmente, las jaulas se diseñaron simplemente para guiar los elementos rodantes. Sin embargo, más recientemente, los rodamientos de agujas se están proporcionando con diseños de jaulas muy mejorados, que incluyen, por ejemplo, jaulas premoldeadas especiales. La precesión no solo ayuda a distribuir el desgaste entre todos los rodillos, sino que también distribuye lubricante alrededor del rodamiento. El 'brinelling falso' es un modo de falla típico para los rodamientos de agujas con jaula, particularmente en aplicaciones de transmisión de potencia. Estos modos de falla comúnmente son causados ​​por microvibraciones y movimientos entre los elementos rodantes y los muñones de la pista de rodadura, lo que crea condiciones de contacto de metal con metal. ofrecen hasta un 25 % más de capacidad de carga estática para un rodamiento de tamaño similar, lo que equivale a más del doble de la clasificación de carga dinámica. Para aplicaciones con múltiples movimientos pequeños, la vida útil de los rodamientos suele aumentar de tres a cinco veces. Para obtener más información, visite www.schaeffler.co.uk