Rodamientos de agujas: 60 años y siguen evolucionando

Jun 23, 2023

Si bien el diseño básico de un rodamiento de agujas no ha cambiado mucho en los últimos 60 años, los continuos desarrollos han dado como resultado nuevos diseños de jaula que brindan cinco veces más vida útil y duplican la capacidad de carga estática de sus contrapartes originales. La mayoría de los ingenieros de diseño Ya estará familiarizado con las ventajas técnicas que ofrece un rodamiento de agujas: la capacidad de manejar cargas relativamente altas en un diseño compacto. Esta ventaja técnica ha convertido al rodamiento de agujas en la opción preferida de rodamiento 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 comprende una pista interior (o a veces simplemente 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, incluidos los de copa estirada, de carrera de precisión, de rodillos enjaulados y de rodillos de empuje. Aquí, consideramos el tipo de rodillos enjaulados. 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 con jaula normalmente vienen en diseños de una o dos filas, con una amplia variedad de materiales de jaula disponibles, incluidos acero, plástico (PA66) y aluminio. Los diseños de rodamientos de varias hileras aumentan la capacidad de carga. Las jaulas, ya sean de acero o de plástico, se pueden fabricar en una variedad de construcciones diferentes, incluidas jaulas sólidas, partidas simples y mitades partidas (de dos piezas). Estas jaulas también pueden incorporar conductos de lubricación y otras características diseñadas a medida. Las aplicaciones típicas de los rodamientos de agujas enjaulados son cajas de cambios, sistemas de transmisión de potencia para automóviles, motores de dos y cuatro tiempos, juegos de engranajes planetarios y compresores de aire. Independientemente de qué tipo de los cuatro tipos principales Al seleccionar un rodamiento de agujas para una aplicación, los ingenieros deben considerar una variedad de factores antes de tomar una decisión lo más temprano posible en la fase de diseño: el tamaño/envoltura de diseño, el tipo de carga, la capacidad de carga, la velocidad, la temperatura, la desalineación, la 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 Grupo Schaeffler), 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 estadounidense cuando Georg Schaeffler consideró por primera vez cómo superar las desventajas de los rodamientos de agujas sin jaula. En aquel entonces, los diseños de rodamientos con elementos rodantes tenían tendencia a torcerse, especialmente a altas velocidades de funcionamiento, y por lo tanto sufrían un aumento en la resistencia a la fricción (calor). Además, el rodamiento se bloqueaba fácilmente cuando el espacio 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 y al mismo tiempo 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 del INA estuvo estrechamente vinculado con la industria del automóvil. De hecho, el primer objetivo de los rodamientos de agujas enjaulados fue la industria automotriz y algunos de los primeros clientes que se convirtieron 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 había convertido en un elemento esencial en muchos diseños de maquinaria e instalaciones industriales y de automoción. Es notable que el genio de la ingeniería del rodamiento de agujas enjaulado del Dr. Schaeffler todavía se utilice en su diseño original hoy en día. 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 enjaulado 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 utilizara rodamientos de agujas. Hoy en día, los rodamientos de agujas INA se fabrican en más de 15.000 variantes, con nuevos diseños personalizados para satisfacer los requisitos especiales de las aplicaciones de los clientes. Los rodamientos de agujas constituyen el núcleo de la gama, especialmente con la reciente introducción del estándar de calidad premium X-life de Schaeffler. Los rodamientos de agujas producidos con la calidad X-life ahora ofrecen un aumento del 13 por ciento en la capacidad de carga dinámica en comparación con los rodamientos convencionales, lo que corresponde a un aumento del 50 por ciento en la vida útil. Para el cliente, estas mejoras significan menos estrés del lubricante y menor fricción. y temperaturas de rodamiento más bajas, lo que a su vez da como resultado un rodamiento con mayor eficiencia energética. Además, el aumento de 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. En el improbable caso de que los requisitos de la aplicación excedan incluso los rodamientos X-life, se pueden realizar mejoras técnicas adicionales en el rendimiento. se puede obtener mediante el uso de nuevos revestimientos y materiales para rodamientos. Un proyecto que se está llevando a cabo actualmente en la División Automotriz 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: “Hoy en día, la industria automotriz está bajo una presión cada vez mayor para producir vehículos más eficientes en el consumo de combustible y con menores emisiones de CO2. Un método para lograrlo es mejorar el consumo de combustible del vehículo reduciendo la fricción en todo el tren motriz. Esto significa reducir el peso del vehículo en general reduciendo el peso de los componentes individuales”. “Los fabricantes de automóviles ahora requieren rodamientos y otros componentes del motor que proporcionen mejores características de fricción, y aquí es donde entran en juego las ventajas de los rodamientos de agujas enjaulados. .”Davies dice que un diseño especial de jaula para el rodamiento de agujas y características mejoradas que mejoran las características del flujo de lubricación del rodamiento, han dado como resultado un diseño de rodamiento con menor fricción, lo que ha permitido que el conjunto de engranajes planetarios del cliente para los diferenciales eléctricos sea de tamaño reducido, pesando un 17 por ciento menos que el sistema original. Los rodamientos, en combinación con un flujo de aceite optimizado a través del soporte, han permitido velocidades de funcionamiento un 20 por ciento más altas (hasta 8.000 rpm). “La jaula fue diseñada a medida para la aplicación. Debido a una envolvente de diseño restringida, la jaula necesitaba ser más pequeña para acomodar el eje y el orificio de la carcasa del engranaje está terminado para soportar una pista de rodadura del rodamiento. De lo contrario, se habría necesitado un aro exterior o interior”, explica Davies. Los rodamientos de agujas enjaulados se pueden montar en muchas variedades para el cliente. Estos incluyen diseños de división simple, tipos de media carcasa y conexiones de barra de resorte diagonal de división simple. Desde finales de los 80 hasta principios de los 90, 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 rodamiento, 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 cuentan con diseños de jaulas muy mejorados, incluidas, por ejemplo, jaulas preprocesadas especiales. La precesión no sólo ayuda a distribuir el desgaste entre todos los rodillos, sino que también distribuye el lubricante alrededor del rodamiento. El 'falso brinelling' es un modo de falla típico de los rodamientos de agujas enjaulados, particularmente en aplicaciones de transmisión de potencia. Estos modos de falla comúnmente son causados ​​por microvibración y movimientos entre los elementos rodantes y los muñones de la pista, creando condiciones de contacto de metal con metal. El resultado de mejoras como las descritas ha llevado a que los últimos diseños de rodillos con jaula de rodamiento sean capaces de Ofrecen capacidades de carga estática hasta un 25 por ciento más altas para un rodamiento de tamaño similar, lo que equivale a más del doble de la capacidad de carga dinámica. Para aplicaciones con múltiples movimientos pequeños, la vida útil del rodamiento normalmente aumenta de tres a cinco veces. Para obtener más información, visite www.schaeffler.co.uk