Principios de Tribología y Diseño de Rodamientos en Ingeniería Mecánica

Fundamentos de la Tribología: Objetivos y Tipos de Lubricación

El objetivo principal de la lubricación es mitigar los efectos adversos del contacto entre superficies móviles. Específicamente, busca:

• Reducir el rozamiento.
• Minimizar el desgaste.
• Controlar el calentamiento.
• Prevenir la corrosión.
• Absorber y amortiguar los impactos.

Tipos de Lubricación

Lubricación Hidrodinámica

Es el sistema en el cual la forma y el movimiento relativo de las superficies que se deslizan una sobre otra forman una película fluida que separa completamente las dos superficies.

Lubricación Elastohidrodinámica (EHL)

Se presenta cuando la deformación elástica de las superficies en contacto es sustancial, resultando en una película lubricante firme y suave.

Lubricación Límite

Ocurre cuando el lubricante solo es suficiente para llenar los valles de la superficie de soporte o cojinetes, existiendo un contacto parcial metal con metal.

Lubricación Hidrostática

El lubricante es suministrado mediante un bombeo con la suficiente presión externa para separar las superficies de soporte o cojinetes, independientemente del movimiento.

Propiedades de los Fluidos y Leyes de Fricción

Conceptos de Viscosidad

Viscosidad

Capacidad que tiene un fluido para resistir deformaciones cortantes.

Viscosidad Cinemática

Es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad del fluido.

Leyes Fundamentales

• Ley de Petroff: Se utiliza para determinar el par debido a la fricción fluida en cojinetes.
• Curva de Stribeck: Representa la estabilidad de la lubricación. Permite determinar el coeficiente de fricción de los cojinetes en función de la velocidad de rotación, la carga por unidad de área proyectada y la viscosidad del lubricante.

Rodamientos (Cojinetes de Elementos Rodantes)

Los rodamientos utilizan pequeños elementos (bolas o rodillos) para disminuir la fricción entre las superficies giratorias, aprovechando que la resistencia de fricción por rodadura es significativamente menor que la resistencia de fricción por deslizamiento.

Clasificación de Rodamientos

Rodamientos Radiales

Resisten cargas en dirección perpendicular al eje. Ejemplos: Rodamientos de bolas y de rodillos cilíndricos.

Rodamientos Axiales

Resisten cargas en la misma dirección del eje. Ejemplo: Rodamientos de rodillos cónicos.

Rodamientos de Contacto Angular

Diseñados para soportar una mezcla de cargas radiales y axiales.

Rodamientos Rígidos

Son aquellos que no aceptan desalineamientos del eje.

Rodamientos Rotulados

Son aquellos que permiten que el eje gire algunos grados (tolerancia a la desalineación) sin dañar el rodamiento.

El fallo principal de los rodamientos es la fatiga superficial en las pistas de rodadura y en los elementos rodantes. Este fenómeno se estudia mediante las Fórmulas de Esfuerzo de Hertz.

Factores de Modificación de la Resistencia a la Fatiga

Para determinar el límite de resistencia a la fatiga de un elemento mecánico ($S_e$), se parte del límite de resistencia a la fatiga de la probeta ($S'_e$) y se aplican diversos factores de modificación:

• $S_e$: Límite de resistencia a la fatiga del elemento mecánico.
• $S'_e$: Límite de resistencia a la fatiga de la probeta.
• $K_a$: Factor de acabado superficial.
• $K_b$: Factor de tamaño.
• $K_c$: Factor de confiabilidad.
• $K_e$: Factor de modificación por concentración de esfuerzo.
• $K_f$: Factor de efectos diversos.

Límites de Resistencia a la Tensión ($S_{ut}$)

La resistencia última a la tensión ($S_{ut}$) se relaciona con los límites de resistencia a la fatiga bajo diferentes tipos de carga:

• Flexión: $S_e \approx 0.9 \cdot S_{ut}$
• Axial: $S_e \approx 0.75 \cdot S_{ut}$
• Torsión: $S_e \approx 0.72 \cdot S_{ut}$

Puntos Característicos en la Curva Esfuerzo-Deformación

Los siguientes puntos definen el comportamiento mecánico de un material bajo tensión:

P (Límite de Proporcionalidad)

Punto hasta el cual el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación.

E (Límite Elástico)

Punto hasta el cual no se produce deformación permanente.

Y (Punto de Fluencia)

A partir de este punto, la deformación aumenta rápidamente sin un incremento significativo del esfuerzo.

U (Resistencia Última a la Tensión)

El esfuerzo máximo que el material puede soportar antes de la fractura.