¿Qué es un rodamiento de contacto angular de dos hileras?

un rodamiento de contacto angular de doble hilera es un rodamiento de elementos rodantes que contiene dos filas de bolas dispuestas una al lado de la otra dentro de un solo anillo exterior, ambas filas hacen contacto con sus pistas de rodadura en un ángulo de contacto definido, generalmente 25° o 30° —en lugar de a 90° con respecto al eje del rodamiento. Esta geometría de contacto angular permite que el rodamiento soporte simultáneamente cargas radiales (perpendiculares al eje) y cargas axiales (a lo largo del eje del eje) en ambas direcciones, mientras que la disposición de dos hileras proporciona una capacidad de carga significativamente mayor y una mayor rigidez contra momentos de inclinación que un rodamiento de contacto angular de una hilera del mismo diámetro exterior.

En términos prácticos de ingeniería, un rodamiento de contacto angular de dos hileras reemplaza lo que de otro modo requeriría dos rodamientos de contacto angular de una hilera separados montados cara a cara o espalda con espalda, haciéndolo en un espacio axial más estrecho y sin la necesidad de una precarga coincidente durante el ensamblaje. Esto lo convierte en una solución de rodamientos altamente eficiente para aplicaciones que combinan cargas combinadas pesadas con limitaciones de espacio, en particular husillos de máquinas herramienta, cubos de ruedas de automóviles, cajas de cambios y bombas.

El principio del contacto angular: por qué es importante el ángulo de contacto

La característica definitoria de cualquier rodamiento de contacto angular, de una o dos hileras, es el ángulo de contacto: el ángulo entre la línea que conecta los puntos de contacto de la bola con las pistas de rodadura interior y exterior y un plano perpendicular al eje del rodamiento. En un rodamiento rígido de bolas, este ángulo es efectivamente cero en condiciones sin carga; en un rodamiento de contacto angular, se trata de una geometría fija diseñada.

Cómo el ángulo de contacto afecta la capacidad de carga

El ángulo de contacto determina la relación entre la capacidad de carga axial y radial. Un ángulo de contacto mayor aumenta la capacidad de carga axial en relación con la capacidad radial; un ángulo de contacto más pequeño hace lo contrario. La relación es aproximadamente lineal dentro del rango práctico de ángulos de contacto utilizados en rodamientos comerciales:

• Ángulo de contacto de 15° — capacidad radial relativamente alta, capacidad axial moderada; Se utiliza donde dominan las cargas radiales y se necesita algo de soporte de carga axial.
• Ángulo de contacto de 25° — capacidad radial y axial equilibrada; El ángulo más común en rodamientos de contacto angular de dos hileras para aplicaciones generales de máquinas herramienta y bombas.
• Ángulo de contacto de 30° — mayor capacidad axial; Se utiliza en aplicaciones con fuerzas axiales sostenidas significativas, como algunas disposiciones de cajas de engranajes y compresores.
• Ángulo de contacto de 40° o 45° — capacidad axial muy elevada; encontrado en aplicaciones especializadas de empuje dominante; menos común en configuración de doble fila

El efecto de la carga axial inducida

un single-row angular contact bearing loaded radially generates an internal axial force component as a consequence of its contact angle—this is the induced axial load. When two single-row angular contact bearings are paired, they are arranged so that their induced axial loads oppose each other and cancel. In a double row angular contact bearing, this balance is achieved internally within the single bearing unit because the two rows have their contact angles opposed: one row carries axial force in one direction, the other row carries axial force in the opposite direction. The result is a bearing that is inherently balanced for bidirectional axial load without any special mounting arrangement.

Estructura y geometría interna de un rodamiento de contacto angular de dos hileras

Comprender la construcción interna de un rodamiento de contacto angular de dos hileras explica tanto sus ventajas de rendimiento como sus requisitos operativos específicos.

Anillo exterior

El anillo exterior es un componente de una sola pieza con dos ranuras de pista mecanizadas con la curvatura precisa requerida para el tamaño de bola y el ángulo de contacto especificados. La construcción de una sola pieza garantiza una concentricidad perfecta entre las dos pistas de rodadura y proporciona la rigidez estructural que le da al rodamiento de doble hilera su resistencia al momento de inclinación, una capacidad ausente en las disposiciones emparejadas de una sola hilera donde los dos anillos son componentes independientes.

Anillo Interior: Una Pieza o Dividido

El aro interior de un rodamiento de contacto angular de dos hileras puede ser de una sola pieza o de una construcción dividida (de dos piezas). Un anillo interior de una sola pieza proporciona máxima rigidez y se utiliza en la mayoría de los diseños estándar de doble fila. Un aro interior dividido, en el que el aro interior consta de dos mitades que se pueden separar, permite ensamblar complementos de bolas más grandes, aumentando la capacidad de carga; sin embargo, la junta dividida introduce una fuente potencial de concentración de tensiones y limita la velocidad máxima a la que el rodamiento puede funcionar de forma fiable.

Complemento de pelota y jaula

Cada fila de un rodamiento de contacto angular de dos hileras contiene un complemento completo de bolas: la cantidad máxima de bolas que se pueden acomodar manteniendo la separación mínima necesaria entre bolas adyacentes. La jaula (retenedor) mantiene un espacio uniforme entre las bolas dentro de cada fila, evita el contacto entre bolas y guía las bolas a través de la zona descargada a medida que gira el rodamiento. Las jaulas para rodamientos de contacto angular de dos hileras suelen estar hechas de acero prensado, poliamida (nylon) o latón mecanizado, según la velocidad de funcionamiento, la temperatura y las condiciones de lubricación.

Precarga

Rodamientos de contacto angular de dos hileras se fabrican con una precarga interna definida: una precompresión aplicada a las bolas entre las pistas de rodadura de los anillos interior y exterior durante la fabricación, antes de aplicar cualquier carga externa. Esta precarga elimina el juego interno, aumenta la rigidez del rodamiento y mejora significativamente la precisión de funcionamiento. La precarga se especifica como ligera (C), media (CA) o pesada (CB) y es un parámetro crítico para aplicaciones de husillo de máquinas herramienta donde se requiere una precisión de descentramiento submicrométrica. un bearing with excessive preload will overheat and fail prematurely; insufficient preload produces vibration and reduced accuracy under load.

Características de rendimiento: capacidad de carga, rigidez y velocidad

Las características de rendimiento de los rodamientos de contacto angular de dos hileras están determinadas por su geometría, dimensiones y el material y la calidad de sus componentes. Las siguientes relaciones cuantitativas son fundamentales para comprender cuándo y por qué especificar este tipo de rodamiento.

Capacidad de carga dinámica y estática

La capacidad de carga dinámica (C) de un rodamiento de contacto angular de dos hileras (la carga a la que el rodamiento tiene una vida nominal teórica de un millón de revoluciones) es de aproximadamente 1,6 a 1,8 veces la capacidad de carga dinámica de un rodamiento de contacto angular de una hilera comparable del mismo diámetro interior y serie. Este aumento refleja la fila de bolas adicional que comparte la carga aplicada. La clasificación de carga estática (C₀), que define la carga máxima que el rodamiento puede soportar sin causar deformación permanente de las pistas o bolas, muestra un aumento proporcional similar con respecto a los equivalentes de una sola fila.

Capacidad de rigidez y momento de vuelco

La rigidez del rodamiento (resistencia a la deflexión elástica bajo carga) es un parámetro crítico en los husillos de máquinas herramienta, donde la deflexión se traduce directamente en un error dimensional en la pieza de trabajo mecanizada. El anillo exterior de una sola pieza de un rodamiento de contacto angular de dos hileras proporciona una distancia fija y conocida entre los puntos de contacto de las dos hileras, creando un brazo de momento estable que resiste la inclinación del eje bajo cargas de herramientas sobresalientes o fuerzas excéntricas de la pieza de trabajo. Esta resistencia al momento de inclinación es una de las principales razones por las que los rodamientos de contacto angular de dos hileras son la opción estándar en husillos de máquinas herramienta para equipos de torneado, fresado y rectificado manuales y CNC.

Límites de velocidad

La velocidad máxima de funcionamiento de un rodamiento de contacto angular de dos hileras es menor que la de un rodamiento de contacto angular de una hilera comparable, debido a la mayor generación de calor de dos hileras de elementos rodantes y a las mayores tensiones internas asociadas con el funcionamiento precargado. Los catálogos de rodamientos suelen especificar dos límites de velocidad:

• Límite de velocidad térmica — la velocidad a la que la generación y disipación de calor alcanzan el equilibrio en condiciones de lubricación de referencia; exceder este límite provoca un aumento progresivo de la temperatura que degrada el lubricante y acelera el desgaste de los rodamientos.
• Límite de velocidad mecánico — la velocidad a la que las fuerzas centrífugas de la jaula y de las bolas alcanzan los límites estructurales del material de la jaula; Normalmente es más alto que el límite térmico para la mayoría de los rodamientos engrasados.

Para un rodamiento típico de contacto angular de dos hileras con un diámetro interior de 70 mm, los límites de velocidad en el rango de 5.000 a 12.000 rpm son comunes según la serie, el material de la jaula, el método de lubricación y el nivel de precarga. La lubricación por niebla de aceite o por chorro extiende las velocidades alcanzables más allá del límite térmico de lubricación con grasa.

Rodamientos de contacto angular de doble hilera frente a disposiciones de rodamientos alternativas

Para comprender dónde son más apropiados los rodamientos de contacto angular de dos hileras, compararlos con las alternativas más comunes aclara sus ventajas y limitaciones específicas.

Aplicaciones principales de los rodamientos de contacto angular de dos hileras

La combinación específica de propiedades que ofrecen los rodamientos de contacto angular de dos hileras los convierte en el diseño óptimo para varias aplicaciones exigentes donde las alternativas son inadecuadas o menos eficientes.

Husillos para máquinas herramienta

Los husillos de máquinas herramienta (en tornos, fresadoras, rectificadoras y centros de mecanizado) requieren rodamientos que sean a la vez muy rígidos, muy precisos, capaces de soportar las fuerzas de corte radiales y axiales combinadas y lo suficientemente compactos como para caber dentro del cartucho del husillo. Los rodamientos de contacto angular de dos hileras, especificados en las clases de precisión ISO P5, P4 o P2 (equivalentes a ABEC 5, 7 o 9), alcanzan valores de descentramiento radial tan bajos como 1 a 3 micrómetros en las clases de precisión más altas, lo que permite acabados superficiales y tolerancias dimensionales en piezas de trabajo mecanizadas que son imposibles con disposiciones de rodamientos de menor precisión.

unutomotive Wheel Hubs

Los conjuntos de cubos de ruedas delanteras no motrices de automóviles modernos (y en algunos diseños, conjuntos de ruedas traseras) utilizan rodamientos de contacto angular de doble hilera como elemento central de transporte de carga. El peso del vehículo actúa como una gran carga radial, las fuerzas en las curvas añaden un componente axial bidireccional y el frenado y la aceleración crean momentos de inclinación en el cubo de la rueda, una combinación que hace que el rodamiento de contacto angular de doble hilera sea la elección natural. Los cojinetes de cubo de rueda con especificaciones automotrices generalmente son unidades selladas de por vida con bridas integradas para la fijación de la rueda y el disco de freno, y no requieren ajuste de lubricación en campo durante su vida útil de típicamente 150.000 a 250.000 kilómetros .

Bombas, compresores y ventiladores

Las bombas centrífugas y los ventiladores generan cargas radiales significativas debido al peso del impulsor y las fuerzas hidráulicas/aerodinámicas, combinadas con cargas axiales debido a diferencias de presión y desalineación de correas o acoplamientos. Los rodamientos de contacto angular de doble hilera en las carcasas de rodamientos de estas máquinas manejan estas cargas combinadas de manera eficiente y al mismo tiempo brindan la precisión de funcionamiento necesaria para un sellado del eje confiable, un requisito crítico ya que las fallas en el sello del eje son la causa principal del tiempo de inactividad de la bomba en la mayoría de los registros de mantenimiento de las plantas.

Cajas de cambios y reductores

En las etapas de engranajes cónicos y helicoidales, la geometría del engranaje genera fuerzas radiales y axiales en el eje simultáneamente. Un rodamiento de contacto angular de una sola hilera puede soportar estas cargas combinadas en el eje del engranaje, reemplazando lo que de otro modo requeriría dos rodamientos de una sola hilera en una disposición de tramo. Esto simplifica el diseño de la carcasa de la caja de cambios, reduce el número de piezas y disminuye el tiempo de montaje, todo lo cual contribuye a reducir los costos de fabricación para el diseñador de la caja de cambios.

Robótica y juntas rotativas de precisión

Las juntas de robots industriales y las etapas de posicionamiento giratorio de precisión requieren rodamientos con muy alta rigidez, baja desviación y la capacidad de soportar cargas de momento desde el brazo en voladizo y la carga útil. Los rodamientos de contacto angular de doble hilera de sección delgada, caracterizados por una sección transversal muy delgada en relación con el diámetro del orificio, se utilizan en juntas de robots donde cada milímetro de espacio axial es crítico y el rodamiento debe proporcionar la capacidad de carga total de un rodamiento de sección profunda convencional dentro de una fracción del ancho axial.

Designación y especificación: lectura de códigos de rodamientos

Los rodamientos de contacto angular de dos hileras se identifican mediante códigos de designación estandarizados que codifican los parámetros clave del rodamiento. Comprender estos códigos permite a los ingenieros especificar, obtener y hacer referencias cruzadas de rodamientos de diferentes fabricantes.

un typical double row angular contact bearing designation follows this structure:

• Designación de tipo — el prefijo o número de derivación que identifica el rodamiento como del tipo de contacto angular de dos hileras (por ejemplo, 32, 33, 52, 53 en los sistemas de designación ISO/DIN, donde 52 y 53 indican rodamientos de contacto angular de dos hileras con un aro interior de una sola pieza).
• código de perforación — dos dígitos que indican el diámetro del orificio (por ejemplo, 08 = 40 mm, 10 = 50 mm, 12 = 60 mm en el sistema 5× para códigos de orificio 04 y superiores)
• Serie de ancho — un dígito que indica el ancho axial en relación con el diámetro del orificio
• Códigos de sufijo — letras que indican el ángulo de contacto (A = 30°), el nivel de precarga (C, CA, CB), la clase de precisión (P5, P4, P2), el sellado (RS, 2RS) y el tipo de jaula (M = latón, TN = poliamida)

Por ejemplo, un rodamiento designado 3206 A-2RS es un rodamiento de contacto angular de doble hilera con diámetro interior de 30 mm, ángulo de contacto de 30° y sellos de goma de dos lados para retención de grasa y exclusión de contaminantes en aplicaciones selladas de por vida.

Consideraciones de lubricación, sellado y mantenimiento

La lubricación correcta es esencial para lograr la vida útil nominal de cualquier rodamiento con elementos rodantes, y los rodamientos de contacto angular de dos hileras presentan requisitos específicos que difieren de los tipos de rodamientos más simples.

Lubricación con grasa para aplicaciones estándar

La mayoría de los rodamientos de contacto angular de dos hileras en aplicaciones industriales generales están lubricados con grasa. La cavidad del rodamiento se llena de grasa durante el montaje hasta aproximadamente 30 a 50% del volumen de espacio libre —El sobrellenado genera calor por el batido y puede causar fallas prematuras en los rodamientos. Para rodamientos que funcionan a velocidades y temperaturas moderadas, es adecuada una grasa de complejo de litio de alta calidad con una consistencia de NLGI 2 y un rango de temperatura de -30 °C a 120 °C. Para operaciones a mayor velocidad, se especifican grasas de menor viscosidad y baja pérdida por agitación.

Lubricación con aceite para aplicaciones de máquinas herramienta de alta velocidad

En husillos de máquinas herramienta que funcionan cerca o en el límite de velocidad del rodamiento, se puede usar lubricación por niebla de aceite, lubricación por aire o por chorro de aceite en lugar de grasa. Estos métodos proporcionan un reabastecimiento continuo de lubricante y un enfriamiento activo del rodamiento, lo que permite el funcionamiento a velocidades entre un 20 y un 50 % superiores al límite de velocidad térmica lubricado con grasa. La viscosidad del lubricante se selecciona en función del parámetro de velocidad de funcionamiento del rodamiento (n · dm, donde n es la velocidad en rpm y dm es el diámetro medio del rodamiento en mm), utilizándose aceites de menor viscosidad para parámetros de velocidad más altos.

Rodamientos sellados versus abiertos

Los rodamientos de contacto angular de dos hileras están disponibles en configuraciones abiertas (sin blindaje), blindadas (protectores metálicos, designación 2Z) y selladas (sellos de goma, designación 2RS). Los rodamientos sellados están precargados con grasa de por vida y no requieren relubricación; son la opción estándar para cubos de ruedas de automóviles y para aplicaciones industriales en entornos contaminados donde el reemplazo de rodamientos es más práctico que la lubricación periódica. Los rodamientos abiertos se utilizan en husillos de máquinas herramienta y otras aplicaciones de precisión donde el sistema de lubricación es parte del diseño de la máquina y la contaminación se controla por otros medios (sellos laberínticos, presión de aire positiva).