cojinetes de desplazamiento

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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria Universidad Nacional Experimental de Fuerza Armada Extensión Santa Teresa del Tuy – Núcleo Miranda Cátedra: Diseño de Elementos de Maquinas II Sección IMD1_9S Profesor(a): Josefina Domínguez Realizado por:

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Page 1: Cojinetes de desplazamiento

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Defensa

Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria

Universidad Nacional Experimental de Fuerza Armada

Extensión Santa Teresa del Tuy – Núcleo Miranda

Cátedra: Diseño de Elementos de Maquinas II

Sección IMD1_9S

Profesor(a): Josefina Domínguez Realizado por:

Kenny Cormier CI. 17.440.723

Yureidy Flores CI. 19.513.848

Santa Teresa del Tuy, Marzo 2011

Page 2: Cojinetes de desplazamiento

ÍNDICE

ÍNDICE........................................................................................................2

INTRODUCCIÓN........................................................................................3

COJINETES................................................................................................4

TIPOS DE COJINETES..............................................................................6

TIPOS DE LUBRICACIÓN..........................................................................9

VISCOSIDAD. LEY DE NEWTON............................................................10

ECUACIÓN DE PETROFF.......................................................................17

CONCLUSIÓN..........................................................................................21

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................22

Page 3: Cojinetes de desplazamiento

INTRODUCCIÓN

El cojinete es uno de los más antiguos y al mismo tiempo uno de

los más modernos mecanismos de máquina.

Un cojinete de deslizamiento representa siempre solo una parte de un

sistema controlador de fricción, el desgaste y la lubricación que tienen

lugar durante el contacto entre las superficies sólidas en movimiento de la

maquina y los cojinetes.

Solo se puede lograr la necesaria seguridad de funcionamiento si

los otros dos componentes del sistema; el mecanismo controlador de

fricción (cojinetes) y el lubricante cumplen los requisitos que se les exige.

COJINETES

Page 4: Cojinetes de desplazamiento

Cuando una superficie metálica se desplaza con respecto a otra,

por esmerado que sea el trabajo de pulimentación, aunque parezca lisa y

suave a simple vista, en realidad está formada por rugosidades y

asperezas casi microscópicas, las cuales entran en contacto, se

enganchan, desgarran y trituran, originándose así el rozamiento, por el

cual el material se desgasta, la temperatura sube y las piezas se

calientan, se dilatan y llegan incluso a fundirse, pudiendo producirse el

denominado gripado.

El engrase o lubricación consiste en interponer entre las superficies

con movimiento relativo una película de aceite sobre la que se desplazan.

Se puede afirmar, que salvo en casos muy particulares, cuando existe

movimiento relativo entre los elementos de una máquina es precisa la

lubricación. Para ello se usan los lubricantes, gracias a los cuales se

reduce el rozamiento entre piezas, disminuyendo así el desgaste, el

calentamiento y la posibilidad de agarrotamiento de los elementos.

La película de lubricante interpuesta entre las dos superficies,

aunque varía de espesor, puede ser tan delgada que tan sólo llegue a

alcanzar milésimas de milímetro, y a pesar de ello, cuando se coloca una

película de aceite entre piezas en contacto, el rozamiento entre ellas

disminuye, el trabajo absorbido es menor y menores las pérdidas de

energía por calor.

Cuando la película de aceite tiene cierto espesor se puede

considerar dividida en tres capas claramente diferenciadas, dos de ellas

se adhieren a las superficies metálicas, y la tercera o intermedia hace de

cojín hidráulico.

Es importante tener en cuenta que aunque la presencia de una

capa de aceite elimina o al menos reduce el contacto directo de metal

contra metal, surge un rozamiento dentro de la capa de aceite, el cual es

preciso tener en cuenta. Dicho rozamiento es debido a la inercia del

líquido al ser arrastrado por la cohesión y adherencia de sus moléculas.

Page 5: Cojinetes de desplazamiento

El estudio de los cojinetes va íntimamente ligado al estudio de la

película de lubricante que se sitúa entre las partes móviles.

El cojinete de deslizamiento se compone de dos partes, el muñón o

gorrón que es una pieza cilíndrica giratoria u oscilante y el manguito que

le rodea que puede ser, según casos, estacionario o móvil.

El mango que rodea al muñón puede hacerlo completamente o

parcialmente. En el primer caso se dice que se trata de un cojinete

completo y en el segundo caso que se trata de un cojinete parcial.

Según la holgura existente entre el manguito y el gorrón los cojinetes se

pueden clasificar en cojinetes holgados y cojinetes ajustados. Se define

huelgo a la diferencia existente entre los radios del manguito y del gorrón.

Los cojinetes se fabrican para soportar cargas puramente radiales, de

empuje puro o de una combinación de ambas. En la Figura 1.1 se indica

la nomenclatura de un cojinete de bolas.

Fig. 1.1 Nomenclatura de un cojinete de bolas

Page 6: Cojinetes de desplazamiento

TIPOS DE COJINETES

En la Figura 1.2 se ilustran algunos tipos de cojinetes

estandarizados que se fabrican. Los cojinetes de ranura profunda y una

sola hilera de bolas soportan carga radial y también cierta carga de

empuje.

Fig. 1.2 Diversos tipos de Cojinetes de Bolas

Cuando se emplea una ranura de llenado (parte b de la Figura 1.2)

en los anillos interior y exterior, se logra introducir un mayor número de

bolas y aumentar la capacidad de carga del cojinete; sin embargo, cuando

hay cargas axiales o de empuje, disminuye su capacidad al mismo por el

choque de las bolas contra los bordes de la ranura.

El cojinete de contacto angular (parte c de la Figura 1.2) tiene

mayor capacidad al empuje. Todos éstos pueden obtenerse con cubiertas

o sellos de protección en uno o en ambos lados. Estas cubiertas no

proporcionan un cierre perfecto, pero sí ofrecen una buena protección

contra el polvo y la suciedad.

Page 7: Cojinetes de desplazamiento

Muchos cojinetes se fabrican con sellos en uno o en ambos lados.

En este último caso se lubrican en la fábrica. Aunque, supuestamente, un

cojinete sellado está lubricado de por vida, a veces se cuenta con un

medio de relubricación.

Los cojinetes con una sola hilera de bolas resisten cierto grado de

desalineamiento o desviación del eje, pero si tal efecto es muy intenso

deben usarse cojinetes autolineantes.

Los cojinetes de doble hilera de bolas pueden obtenerse en

diversos tipos y tamaños para soportar mayores cargas radiales y de

empuje. A veces, con este mismo fin, se usan dos cojinetes juntos de una

sola fila de bolas, aunque, en general, los de doble hilera requieren

menos partes y ocupan menos espacio.

Los cojinetes de bolas diseñados para soportar empuje en una sola

dirección (parte i de la Figura 1.2) se fabrican en muchos tipos y tamaños.

Fig. 1.3 Tipos de Cojinetes de Rodillos: a) cilíndricos, b)

esféricos, de empuje, c) cónicos, de empuje, d) de agujas, e) cónicos

ordinarios, f) cónicos de amplio contacto angular

Page 8: Cojinetes de desplazamiento

En la Figura 1.3 se ilustra algunos ejemplos de los diversos tipos

de cojinetes de rodillos estándar que se fabrican. Los de rodillo cilíndricos

(parte a de la Figura 1.3) soportan más carga que los de bola del mismo

tamaño por su mayor área de contacto. Sin embargo, tiene la desventaja

de que requiere de una configuración geométrica casi perfecta en las

pistas y rodillos. Los cojinetes de rodillos cilíndricos no aceptan cargas de

empuje.

El cojinete de empuje de rodillos esféricos (parte b de la Figura 1.3)

sirven cuando hay cargas grandes y deslizamiento. Los elementos

rodantes esféricos tienen la ventaja de aumentar su área de contacto

cuando aumenta la carga.

Los cojinetes de agujas (parte d de la Figura 1.3) son muy útiles

cuando se cuenta con espacio radial limitado. Tiene gran capacidad de

carga cuando llevan separadores.

En los cojinetes de rodillos cónicos (parte e, f de la Figura 1.3) se

combinan las ventajas de los cojinetes de bolas y de los cilíndricos, ya

que pueden aceptar cargas radiales, o axiales o una combinación de

ambas. Además, tienen la gran capacidad de carga de los cojinetes de

rodillos cilíndricos.

Los cojinetes descritos son solo unos cuantos del enorme número

de modelos que pueden escogerse. Muchos se fabrican para usos

especiales y, también, para clases particulares de maquinaria.

TIPOS DE LUBRICACIÓN

Pueden distinguirse cinco formas diferentes de lubricación:

Lubricación hidrodinámica

Lubricación hidrostática

Lubricación elastohidrodinámica

Lubricación límite

Lubricación con material sólido

Page 9: Cojinetes de desplazamiento

La lubricación hidrodinámica es aquella en la que las superficies

del cojinete que soportan la carga están separadas por una capa de

lubricante relativamente gruesa que impide el contacto directo entre

metales.

Este tipo de lubricación no requiere introducir el aceite a presión,

aunque puede hacerse, sólo precisa de un abastecimiento adecuado en

todo momento.

La presión en el lubricante la origina la superficie en movimiento

que lo arrastra hacia una zona conforma de cuña introduciéndolo y

apareciendo una presión que separa a las dos superficies deslizantes. Es

el caso de la lubricación entre pistón y cilindro de una bomba. La

lubricación hidrodinámica se llama también lubricación de película

completa o fluida. La lubricación hidrostática se obtiene introduciendo el

lubricante en el área de soporte de la carga a presión suficientemente

grande como para separar las superficies deslizantes entre sí con una

capa de lubricante suficientemente gruesa como para impedir el contacto

de metal contra metal. Es el caso de los cojinetes del cigüeñal de los

motores.

Este tipo de lubricación se utiliza para diseños en los que las

velocidades relativas son pequeñas o nulas.

La lubricación elastohidrodinámica se da cuando se sitúa el

lubricante entre superficies que ruedan una sobre otra. Es el caso de los

rodamientos de bolas

La lubricación límite se da cuando las condiciones de trabajo son

tales que impiden la formación de películas de lubricante de elevado

espesor. En éste caso además de la viscosidad se precisa en los

lubricantes de elevada untuosidad. Es el caso de los engranajes de

precisión. La lubricación con material sólido se usa cuando los cojinetes

tienen que trabajar a temperaturas extremas. El material utilizado como

Page 10: Cojinetes de desplazamiento

lubricante de película sólida es el grafito o el disulfuro de molibdeno. Es el

caso de los ejes de máquinas antiguas.

VISCOSIDAD. LEY DE NEWTON

Es interesante recordar que si una pieza A de peso Pa se mueve

con deslizamiento sobre una superficie B, es preciso aplicar una fuerza

para vencer el rozamiento que está en relación con Pa por las siguientes

leyes de Coulomb:

La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la carga.

La fuerza de rozamiento es independiente de la extensión de las

superficies en contacto.

La fuerza de rozamiento depende de la naturaleza de las

superficies en contacto.

La fuerza de rozamiento es independiente de la velocidad relativa

entre las superficies deslizantes.

A la relación entre la fuerza de rozamiento R y la carga Pa se le denomina

coeficiente de rozamiento:

Con la lubricación se logran además de disminuir el rozamiento, los

siguientes objetivos:

Reducir el desgaste de las piezas.

Reducir la corrosión.

Disipar el calor producido.

Aumentar la estanquidad de los órganos.

Evacuar sedimentos perjudiciales.

Si la película de lubricante situada entre las superficies deslizantes

es suficientemente gruesa como para que no exista contacto de metal

contra metal se dice que la lubricación es de película gruesa o fluida.

Page 11: Cojinetes de desplazamiento

Es evidente que cuanto más ásperas sean las paredes deslizantes

más gruesa tiene que ser la película de lubricante para separarlas.

El proyecto de un cojinete exige de un espesor mínimo de película

que garantice que los puntos más salientes o crestas de las superficies

deslizantes no entren en contacto. Cuando exista lubricación de película

gruesa la fuerza de rozamiento que se opone al movimiento relativo de los

elementos es independiente de la naturaleza de los mismos y está

afectada sólo por las características del fluido lubricante.

El experimento desarrollado por Newton demuestra que dicha

fuerza de rozamiento está ligada al tamaño de las superficies deslizantes

(no a su naturaleza), al espesor de la película fluida y a la naturaleza del

lubricante determinada por la denominada viscosidad.

El experimento de Newton consistió en medir la fuerza de arrastre

de un cilindro colocado en el interior de otro, con una distancia h (llamada

holgura) entre las superficies laterales interior y exterior, metiendo ambos

cilindros en un depósito de lubricante y haciéndolo girar con velocidades

lineales relativas v. Newton demostró que la fuerza de arrastre originada

por el rozamiento es directamente proporcional a las superficies

enfrentadas y a su velocidad lineal relativa e inversamente proporcional a

la holgura, lo cual expresó mediante la ecuación:

Siendo:

F = fuerza de arrastre

S = superficie deslizante

v = velocidad relativa de desplazamiento

h = distancia entre superficies deslizantes

ʋ = constante de proporcionalidad denominada viscosidad absoluta

o simplemente viscosidad.

Page 12: Cojinetes de desplazamiento

En el sistema c.g.s. cuando F se expresa en dinas, v en cm/s, h en cm

y S en cm2, la unidad de viscosidad es en poise.

El huelgo entre las partes móviles, para que forme una capa

intermedia de lubricante con el espesor adecuado debe ser en función del

diámetro del muñón d, del orden de:

2-3‰ · d para velocidades altas y presiones bajas.

1’5-2‰ · d para velocidades altas y presiones altas.

0’7-2‰·d para velocidades bajas y presiones bajas.

0’3-0’6‰·d para velocidades bajas y presiones altas.

La viscosidad de la mayoría de los aceites lubricantes es inferior a

un poise y es por ello que es usual expresar la medida de viscosidad en

centipoises.

Es evidente que a medida que aumenta la velocidad relativa entre

las superficies deslizantes mayor es la fuerza de rozamiento y cuanto

mayor es la superficie enfrentada má elevada es también la fuerza de

rozamiento lo cual está en contraposición con las leyes de Coulomb.

Como la densidad de los aceites cambia con la temperatura es

frecuente expresar la viscosidad del aceite como viscosidad cinemática

ʋc.

Siendo:

ʋc = viscosidad cinemática

ʋ = viscosidad absoluta

δ = densidad del aceite

Si δ se expresa en gr/cm3, la unidad de ʋc es el Stoke. Ocurre que

un Stoke es mayor que la viscosidad cinemática de los lubricantes y es

Page 13: Cojinetes de desplazamiento

por lo que se acostumbra a usar el centistoke (1 centistoke = 1/100

Stoke).

Debido a las dificultades experimentales y a la poca aceptación que

fuera del campo técnico han tenido estas unidades, se usan en los aceites

comerciales otras formas de medir la viscosidad. Así es usual encontrar

aceites con su viscosidad expresada Grados Saybolt, Engler o Redwood.

La viscosidad en grados Saybolt (S.S.U.) es el tiempo en segundos

necesario para que 60 cm3 de aceite pasen a través de un tubo de

1'76mm. de diámetro y 12'22mm. de longitud a una temperatura dada.

La relación entre n y S.S.U. se obtiene mediante la fórmula

empírica de Hagen-Poseuille:

Una vez obtenida para pasar la viscosidad cinemática a viscosidad

absoluta basta con multiplicar por la densidad del aceite expresada en

gr/cm3.

Entre ciertos límites se puede calcular la viscosidad absoluta por la

fórmula de Ubbelohde:

Siendo:

ʋ: viscosidad absoluta en Kp· s/m2.

E: viscosidad en grados Engler.

ɤ: peso específico del aceite en Kp/dm3.

Hoy en día es frecuente para definir las características de un

aceite, utilizar la nomenclatura S.A.E.

Page 14: Cojinetes de desplazamiento

La siguiente tabla presenta la clasificación de los aceites según la

denominación S.A.E.

Tabla 2.- Clasificación S.A.E. de los aceites

Según dicha denominación las valvulinas abarcan los grupos desde

S.A.E. 80 a S.A.E. 120

La variación de la densidad del aceite con la temperatura puede

expresarse mediante la ecuación empírica:

La siguiente figura ofrece la viscosidad SSU de algunos aceites

lubricantes en función de la temperatura:

Page 15: Cojinetes de desplazamiento

Figura 2.1.- Variación de la viscosidad Saybolt con la temperatura.

Un método muy empleado para expresar la variación de la

viscosidad con la temperatura es el uso del denominado índice de

viscosidad, para ello a los aceites cuya viscosidad cambia poco con la

temperatura se les da un índice de viscosidad 100 y a los que ofrecen

cambios grandes de viscosidad al variar la temperatura se les da índice

de viscosidad 0.

Page 16: Cojinetes de desplazamiento

Para determinar el índice de viscosidad de un aceite dado se

determina su viscosidad S.S.U. a 100ºC y a 38ºC. Sean x e y las

viscosidades determinadas.

El índice de viscosidad se determina mediante la fórmula empírica:

Siendo:

H = 0,0408· x2 + 12,568· x – 475,4

L= 0,2160· x2 + 12,070· x – 721,2

ECUACIÓN DE PETROFF

El fenómeno de rozamiento en los cojinetes fue explicado pr

primera vez por Petroff, con base en la hipótesis de que el eje o árbol es

concéntrico o coaxial con el cojinete.

Fig. 3.1 Comparación de las viscosidades de diversos fluidos

Page 17: Cojinetes de desplazamiento

Fig. 3.2

Es importante el análisis de Petroff porque define grupos de

parámetros adimensionales porque el coeficiente de fricción que predice

esta ley resulta aceptable, aun cuando el muñon del eje no sea coaxial.

Ahora de considerará un eje vertical que gira en un cojinete guía.

Se supone que este soporta una carga muy pequeña, que el espacio libre

c esta completamente lleno de aceite y que las fugas son despreciables

Fig. 3.2. El radio del eje es r la holgura por c y la longitud del cojinete por

l. Si el eje gira a N rps su velocidad periférica será

Como el esfuerzo tangencial o de deslizamiento que se desarrolla

en el lubricante es igual al producto del gradiente de la velocidad por a

viscosidad, entonces, por la ecuación formulada por la Fig. 3.1 se tiene

expresión en la cual la holgura radial c sustituye a la distancia o espesor

h. La fuerza que se requiere para hacer deslizar la película es igual al

esfuerzo tangencial multiplicado por el área. El momento de la fuerza

tangencial o deslizante es igual a la fuerza multiplicada por brazo de

momento. En consecuencia

a)

b)

Page 18: Cojinetes de desplazamiento

Si ahora se designa como W a la fuerza pequeña que actua sobre

el cojinete, entonces la presión o carga por la unidad P = W/2rl el

rozamiento es ʄW siendo ʄ el coeficiente y por lo tanto, el momento del

rozamiento es

c)

Al sustituir en la ecuación (b) y valor del momento obtenido por la

(c) y despejar el coeficiente de fricción, se obtiene

d)

Fig. 3.3 Variación del coeficiente de fricción

Page 19: Cojinetes de desplazamiento

Tabla 3.- valores aconsejables de presión especifica y velocidad

máxima en cojinetes.

Page 20: Cojinetes de desplazamiento

CONCLUSIÓN

Los mecanismos de una maquina se mueven, deben haber

superficies de apoyo para esos mecanismos, donde se lubrican con

facilidad, otras con dificultad y otras no se pueden. Por ello cuando la

carga es ligera y el movimiento es pequeño, dependerá de un operario

que aplique un lubricante intermitente, claro, práctica que se adopta cada

vez menos, en otra categoría de la mecánica q se puede denominar

intermedia de la carga y la velocidad resulta completamente satisfactorio

el uso de lubricante seco, grasa o materiales sintéticos, pero como

hablamos de la actualidad de la mecánica es cuando la carga y la

velocidad ambas son altas como bien ocurre en la maquinas modernas, la

lubricación de las superficies de contacto, ya sea por aceite, aire u otro

fluido, debe proporcionar una película fluida que impida en lo posible el

contacto directo de las superficies móviles para mantener el aparato con

un funcionamiento fluido, optimo y estable.

Page 21: Cojinetes de desplazamiento

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Shigley, Joseph E. & Mitchell, Larry D. (1983), Diseño en Ingeniería

Mecánica, (4ta Edición), por McGrahill Inc., U.S.A.

Faires, Virgil M. (1970), Diseño de Elementos de Maquinas, (4ta.

Edicion), por Montaner y Simón S.A., Barcelona.