Cojinete liso

Un cojinete liso integral se incorpora al objeto de uso mediante un orificio preparado en la superficie de apoyo. Los cojinetes integrales industriales suelen estar fabricados de hierro fundido o babbitt , y se utiliza un eje de acero endurecido en el cojinete. ^{[ 8 ]}

Los cojinetes integrales no son tan comunes porque los bujes son más fáciles de instalar y se pueden reemplazar si es necesario. ^{[ 3 ]} Dependiendo del material, un cojinete integral puede ser menos costoso, pero no se puede reemplazar. Si un cojinete integral se desgasta, la pieza se puede reemplazar o modificar para que acepte un buje. Los cojinetes integrales eran muy comunes en la maquinaria del siglo XIX, pero se volvieron progresivamente menos comunes a medida que se popularizó la fabricación de piezas intercambiables .

Por ejemplo, un cojinete liso integral común es la bisagra de la puerta , que es a la vez un cojinete de empuje y un cojinete de deslizamiento.

Un casquillo , también conocido como buje , es un cojinete liso independiente que se inserta en una carcasa para proporcionar una superficie de apoyo en aplicaciones rotativas; esta es la forma más común de un cojinete liso. ^{[ 9 ]} Los diseños comunes incluyen casquillos sólidos ( con manguito y bridados ), partidos y remachados . Un casquillo con manguito, partido o remachado es simplemente un manguito de material con un diámetro interior (DI), un diámetro exterior (DE) y una longitud. La diferencia entre los tres tipos es que un casquillo sólido con manguito es sólido en toda su circunferencia, un casquillo partido tiene un corte a lo largo de su longitud, y un cojinete remachado es similar a un casquillo partido pero con un remache (o remache ) a través del corte que conecta las partes. Un casquillo bridado es un casquillo con manguito que tiene una brida en un extremo que se extiende radialmente hacia afuera desde el DE. La brida se utiliza para posicionar positivamente el casquillo cuando se instala o para proporcionar una superficie de apoyo axial. ^{[ 10 ]}

Los cojinetes de manguito con dimensiones en pulgadas se dimensionan casi exclusivamente mediante el sistema de numeración SAE . Este sistema utiliza el formato -XXYY-ZZ, donde XX es el diámetro interior (DI) en dieciseisavos de pulgada, YY es el diámetro exterior (DE) en dieciseisavos de pulgada y ZZ es la longitud en octavos de pulgada. ^{[ 11 ]} También existen tamaños métricos. ^{[ 12 ]}

Un buje lineal no suele insertarse a presión en una carcasa, sino que se fija mediante un elemento radial. Dos ejemplos de esto son dos anillos de retención o un anillo moldeado en el diámetro exterior del buje que encaja en una ranura de la carcasa. Esta suele ser una forma más duradera de sujetar el buje, ya que las fuerzas que actúan sobre él podrían expulsarlo. Los bujes con brida están diseñados para ofrecer una mayor resistencia a las cargas radiales y axiales. ^{[ 13 ]}

La forma de empuje de un buje se denomina convencionalmentearandela de empuje .

Los cojinetes lisos de dos piezas , conocidos como cojinetes completos en maquinaria industrial, ^{[ 14 ]} se utilizan comúnmente para diámetros mayores, como los cojinetes del cigüeñal . Las dos mitades se denominan casquillos . ^{[ 15 ]} Existen varios sistemas para mantener los casquillos en su posición. El método más común consiste en una lengüeta en el borde de la línea de separación que se corresponde con una muesca en la carcasa para evitar el movimiento axial después de la instalación. Para casquillos grandes y gruesos, se utiliza un tope de botón o un pasador de centrado . El tope de botón se atornilla a la carcasa, mientras que el pasador de centrado une los dos casquillos. Otro método menos común utiliza un pasador de centrado que fija el casquillo a la carcasa mediante un orificio o ranura en el casquillo. ^{[ 16 ]}

La distancia entre los bordes de separación es ligeramente mayor que la distancia correspondiente en la carcasa, por lo que se requiere una ligera presión para instalar el rodamiento. Esto mantiene el rodamiento en su lugar mientras se instalan las dos mitades de la carcasa. Finalmente, la circunferencia de la carcasa también es ligeramente mayor que la circunferencia de la carcasa, de modo que cuando se atornillan las dos mitades, el rodamiento se comprime ligeramente. Esto crea una gran fuerza radial alrededor de todo el rodamiento, lo que evita que gire . También crea una buena interfaz para que el calor se transfiera desde el rodamiento hacia la carcasa. ^{[ 15 ]}

El Babbitt se utiliza habitualmente en cojinetes integrales. Se aplica como recubrimiento sobre el orificio, generalmente con un espesor de 0,25 a 2,5 mm (9,8 a 98,4 milésimas de pulgada ) , según el diámetro. El Babbitt se fabrica con un material blando en comparación con el material de composición del muñón o del eje giratorio. Los cojinetes de Babbitt están diseñados para no dañar el muñón durante el contacto directo y para recoger cualquier contaminante en la lubricación. ^{[ 14 ]} 

Los cojinetes bimetálicos constan de dos materiales: una carcasa metálica y una superficie de apoyo de plástico. Las combinaciones más comunes incluyen bronce recubierto de PTFE con respaldo de acero y Frelon con respaldo de aluminio . ^{[ 18 ]} Los cojinetes de bronce recubierto de PTFE con respaldo de acero soportan cargas mayores que la mayoría de los demás cojinetes bimetálicos y se utilizan para movimientos rotatorios y oscilatorios. El Frelon con respaldo de aluminio se utiliza comúnmente en entornos corrosivos debido a su inercia química . ^{[ 19 ]}

Un diseño común de cojinete liso utiliza un eje de acero endurecido y pulido y un casquillo de bronce más blando . El casquillo se reemplaza cuando está demasiado desgastado.

Las aleaciones de bronce comunes utilizadas para cojinetes incluyen: SAE 841 , SAE 660 ( CDA 932 ), SAE 863 y CDA 954. ^{[ 20 ]}

Se puede utilizar un cojinete de hierro fundido con un eje de acero endurecido debido a que el coeficiente de fricción es relativamente bajo. El hierro fundido se vitrifica, por lo que el desgaste se vuelve insignificante. ^{[ 21 ]}

En entornos exigentes, como hornos y secadoras , se utiliza una aleación de cobre y grafito , conocida comúnmente por la marca registrada graphalloy . El grafito es un lubricante seco , por lo que ofrece baja fricción y requiere poco mantenimiento. El cobre aporta resistencia, durabilidad y disipación de calor.

Los cojinetes de grafito sin alear se utilizan en aplicaciones especiales, como lugares que están sumergidos en agua. ^{[ 23 ]}

Conocidos como cojinetes de rubí , estos cojinetes utilizan piedras preciosas como zafiro , rubí y granate . Los cojinetes de rubí se emplean en instrumentos de precisión donde la baja fricción, la larga vida útil y la precisión dimensional son importantes. Su principal uso se encuentra en los relojes mecánicos.

Los cojinetes lisos de plástico sólido son cada vez más populares debido a su funcionamiento en seco sin necesidad de lubricación. Los cojinetes lisos de polímero sólido son ligeros, resistentes a la corrosión y no requieren mantenimiento. Tras décadas de estudios, hoy es posible calcular con precisión la vida útil de los cojinetes lisos de polímero. El diseño con cojinetes lisos de polímero sólido se complica por la amplia variación y la no linealidad del coeficiente de dilatación térmica . Estos materiales pueden calentarse rápidamente cuando se utilizan en aplicaciones que superan los límites pV recomendados.

Los cojinetes de polímero sólido están limitados por las formas que permite el proceso de moldeo por inyección . Los cojinetes de plástico también están sujetos a las mismas precauciones de diseño que todas las demás piezas de plástico: deformación por fluencia, alta dilatación térmica, reblandecimiento (mayor desgaste/menor vida útil) a temperaturas elevadas, fracturas frágiles a bajas temperaturas e hinchazón debido a la absorción de humedad. Si bien la mayoría de los plásticos/polímeros para cojinetes están diseñados para minimizar estas precauciones de diseño, aún existen y deben considerarse cuidadosamente antes de especificar un tipo de polímero sólido (plástico).

Los cojinetes de plástico son ahora bastante comunes, y su uso se extiende a fotocopiadoras , cajas registradoras , maquinaria agrícola , maquinaria textil, dispositivos médicos , máquinas de procesamiento de alimentos y envasado, asientos de automóviles y equipos marinos.

Entre los plásticos comunes se incluyen el nailon , el poliacetal , el politetrafluoroetileno (PTFE), el polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), el rulón , el PEEK , el uretano y el vespel (una poliimida de alto rendimiento ). ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

• MDS ( disulfuro de molibdeno )
  • PEEK ( poliéter éter cetona )

• Igus, iglidur ^{[ 31 ]} : Materiales de cojinete poliméricos especialmente desarrollados con predicción de vida útil
• Los cojinetes cerámicos son muy duros, por lo que la arena y otras partículas que entran en el cojinete se muelen hasta convertirlas en un polvo fino que no interfiere con el funcionamiento del cojinete.
• Lubrite ^{[ 32 ]}
• La madera de lignum vitae es autolubricante y en los relojes proporciona una vida útil extremadamente larga. También se utiliza con ruedas de bronce en el aparejo de los barcos.
• En un piano , varias partes (generalmente de madera) del teclado y el mecanismo están unidas por pasadores centrales, normalmente de alpaca . Estas uniones suelen tener casquillos de fieltro o, más raramente, de cuero .
• Las aleaciones de aluminio se pueden utilizar para aplicaciones de baja carga ^{[ 33 ] [ 34 ]}

La lubricación fluida da como resultado un modo de lubricación de película completa o de condición límite. Un sistema de cojinetes diseñado adecuadamente reduce la fricción al eliminar el contacto superficie con superficie entre el muñón y el cojinete mediante efectos fluidodinámicos .

Los cojinetes de fluido pueden lubricarse hidrostáticamente o hidrodinámicamente . Los cojinetes lubricados hidrostáticamente se lubrican mediante una bomba externa que mantiene una presión constante . En un cojinete hidrodinámico, la presión en la película de aceite se mantiene por la rotación del muñón. Los cojinetes hidrostáticos entran en un estado hidrodinámico cuando el muñón gira. ^{[ 14 ]} Los cojinetes hidrostáticos suelen usar aceite , mientras que los cojinetes hidrodinámicos pueden usar aceite o grasa ; sin embargo, los cojinetes pueden diseñarse para usar cualquier fluido disponible, y varios diseños de bombas utilizan el fluido bombeado como lubricante. ^{[ 40 ]}

Los cojinetes hidrodinámicos requieren mayor cuidado en su diseño y funcionamiento que los cojinetes hidrostáticos. También son más propensos al desgaste inicial, ya que la lubricación no se produce hasta que el eje gira. A bajas velocidades de rotación, la lubricación puede no alcanzar una separación completa entre el eje y el casquillo. Por consiguiente, los cojinetes hidrodinámicos pueden complementarse con cojinetes secundarios que soportan el eje durante los periodos de arranque y parada, protegiendo así las superficies mecanizadas de alta precisión del cojinete de deslizamiento. Por otro lado, los cojinetes hidrodinámicos son más sencillos de instalar y menos costosos. ^{[ 41 ]}

En el estado hidrodinámico se forma una cuña de lubricación que eleva el muñón. Este también se desplaza ligeramente de forma horizontal en el sentido de rotación. La posición del muñón se mide mediante el ángulo de actitud , que es el ángulo formado entre la vertical y una línea que pasa por el centro del muñón y el centro del cojinete, y la relación de excentricidad, que es la relación entre la distancia del centro del muñón al centro del cojinete y la holgura radial total. El ángulo de actitud y la relación de excentricidad dependen de la dirección y la velocidad de rotación, así como de la carga. En los cojinetes hidrostáticos, la presión del aceite también afecta a la relación de excentricidad. En equipos electromagnéticos como los motores, las fuerzas electromagnéticas pueden contrarrestar las cargas gravitatorias, provocando que el muñón adopte posiciones inusuales. ^{[ 14 ]}

Una desventaja específica de los cojinetes hidrodinámicos lubricados con fluido en maquinaria de alta velocidad es el remolino de aceite , una vibración autoexcitada del muñón. El remolino de aceite se produce cuando la cuña de lubricación se vuelve inestable: pequeñas perturbaciones del muñón generan fuerzas de reacción en la película de aceite, que provocan un mayor movimiento, haciendo que tanto la película de aceite como el muñón giren alrededor de la carcasa del cojinete. Normalmente, la frecuencia del remolino es de alrededor del 42 % de la velocidad de giro del muñón. En casos extremos, el remolino de aceite provoca el contacto directo entre el muñón y el cojinete, lo que desgasta rápidamente este último. En algunos casos, la frecuencia del remolino coincide con la velocidad crítica del eje de la máquina y se sincroniza con ella; esta condición se conoce como "latigazo de aceite". El latigazo de aceite puede ser muy destructivo. ^{[ 14 ] [ 42 ]}

La turbulencia del aceite se puede prevenir aplicando una fuerza estabilizadora al muñón. Varios diseños de cojinetes buscan utilizar la geometría del cojinete para obstaculizar la turbulencia del fluido o para proporcionar una carga estabilizadora que la minimice. Un ejemplo es el orificio elíptico o de limón . En este diseño, se instalan calces entre las dos mitades de la carcasa del cojinete y luego se mecaniza el orificio a la medida. Después de retirar los calces, el orificio adquiere la forma de un limón, lo que disminuye la holgura en una dirección y aumenta la precarga en esa dirección. La desventaja de este diseño es su menor capacidad de carga, en comparación con los cojinetes de deslizamiento típicos. También es susceptible a la turbulencia del aceite a altas velocidades; sin embargo, su costo es relativamente bajo. ^{[ 14 ]}

Otro diseño es el de tope de presión o ranura con tope , ^{[ 43 ]} que tiene un corte de alivio poco profundo en el centro del cojinete sobre la mitad superior del mismo. La ranura se detiene abruptamente para crear una fuerza descendente que estabilice el muñón. Este diseño tiene una alta capacidad de carga y corrige la mayoría de las situaciones de remolino de aceite. La desventaja es que solo funciona en una dirección. El desplazamiento de las mitades del cojinete produce el mismo efecto que el de tope de presión. La única diferencia es que la capacidad de carga aumenta a medida que aumenta el desplazamiento. ^{[ 14 ]}

Un diseño más radical es el de almohadillas basculantes , que utiliza múltiples almohadillas diseñadas para moverse con las cargas variables. Se suele emplear en aplicaciones de gran tamaño, pero también tiene una amplia aplicación en la turbomaquinaria moderna , ya que elimina casi por completo la turbulencia del aceite.