Arandelas de cojinetes de empuje: función, materiales y criterios de selección

Un rodamiento axial de agujas rara vez funciona solo. El conjunto de jaula y rodillos que soporta cargas axiales necesita pistas de rodadura endurecidas y rectificadas con precisión en ambos lados, y esas pistas son las arandelas del cojinete de empuje. A pesar de ser el componente menos discutido en un conjunto de cojinete de empuje, las arandelas son con frecuencia la fuente de fallas prematuras cuando se especifican incorrectamente o se sustituyen por superficies no calificadas.

Este artículo explica qué hacen las arandelas de cojinetes de empuje, qué estándares de materiales y dureza deben cumplir, en qué se diferencian las series de arandelas principales y qué modos de falla resultan de una especificación incorrecta.

¿Qué es una arandela de cojinete de empuje?

Una arandela de cojinete de empuje es un anillo plano endurecido y rectificado con precisión que proporciona la superficie de la pista de rodadura para un conjunto de jaula y rodillo de agujas de empuje. En una unidad de cojinete de empuje completa, dos arandelas intercalan el conjunto de rodillos: una arandela gira con el eje (la arandela del eje) y la otra permanece estacionaria contra la carcasa (la arandela de la carcasa). Los rodillos de agujas corren entre estas dos caras planas, transmitiendo la carga axial desde el eje giratorio a la estructura de la carcasa estacionaria.

Sin arandelas, el conjunto de rodillos no tiene una pista de rodadura definida. Colocar un conjunto de jaula de rodillos de agujas de empuje contra una superficie no endurecida o sin terminar (un atajo común en prototipos y construcciones de bajo volumen) produce daños rápidos en las pistas de rodadura y una vida útil drásticamente acortada.

Cómo funcionan las lavadoras con conjuntos de rodillos de agujas de empuje

El principio funcional es sencillo: la carga axial sobre el eje comprime el conjunto de rodillos entre las dos caras de la arandela. Cada rodillo de agujas transporta una parte de la carga total a lo largo de toda su longitud de contacto, transfiriendo fuerza de una cara de la arandela a la otra a través del contacto rodante.

Para que esto funcione correctamente, ambas caras de la arandela deben ser planas, paralelas entre sí y perpendiculares al eje del eje. Cualquier desviación (conicidad, deformación, rugosidad de la superficie fuera de las especificaciones) concentra la carga en una fracción de la longitud de contacto del rodillo disponible. Esta carga en los bordes crea una tensión de contacto que puede exceder el límite de fatiga del material localmente, iniciando picaduras y desconchados en la superficie mucho antes de la vida útil nominal L10 del rodamiento.

La arandela también cumple una función secundaria: evita que los rodillos de agujas se salgan radialmente de su posición bajo carga centrífuga. Los labios de diámetro interior y exterior de la arandela (cuando estén presentes) o la geometría de la carcasa limitan el conjunto de rodillos radialmente, manteniendo los rodillos correctamente centrados durante toda la operación.

Requisitos de materiales y dureza

Las arandelas para cojinetes de empuje se fabrican con acero apto para cojinetes (normalmente acero cromado SAE 52100 o aceros cementados como SAE 8620) y se tratan térmicamente para cumplir con los requisitos de dureza de las pistas de rodadura. La especificación estándar exige:

- Dureza superficial: 58–64 HRC en la cara de la pista de rodadura. Esto coincide con la dureza de los propios rodillos de agujas, asegurando que ninguna superficie se deforme preferentemente bajo tensión de contacto.

- Profundidad del revestimiento (para arandelas cementadas): Profundidad efectiva del revestimiento de al menos 0,5–1,0 mm, suficiente para soportar la zona de tensión de contacto hertziana debajo del contacto del rodillo sin alcanzar el material del núcleo más blando.

- Acabado superficial: Ra 0,2–0,4 μm (8–16 μin) en la cara de la pista de rodadura. Las superficies más rugosas interrumpen la formación de la película lubricante y aumentan la fricción y el desgaste desde las primeras horas de funcionamiento.

- Planicidad: Planicidad de la cara de la pista de rodadura entre 5 y 10 μm para arandelas de serie estándar. Se aplican tolerancias más estrictas a las arandelas de precisión utilizadas en aplicaciones de alta velocidad o alta precisión.

Las arandelas también deben desmagnetizarse antes del montaje. El magnetismo residual del esmerilado o de la inspección con partículas magnéticas atrae residuos metálicos que contaminan el lubricante y aceleran el desgaste abrasivo de las superficies del rodillo y de la arandela.

Serie AS vs Serie GS: explicación de la arandela del eje y la arandela de la carcasa

Los dos tipos de arandelas en un conjunto de rodamientos axiales de agujas métricos estándar cumplen funciones mecánicas diferentes y no son intercambiables:

Serie AS (arandela de eje): La arandela AS gira con el eje. Su orificio está dimensionado para un ajuste deslizante ajustado en el muñón del eje, con una tolerancia que evita que la arandela vibre y al mismo tiempo permite el desplazamiento axial a medida que el conjunto se expande y contrae térmicamente. La cara de la pista de rodadura está rectificada con la misma precisión que la arandela GS. Las arandelas AS están disponibles en una gama completa de tamaños de orificio correspondientes a los orificios estándar del conjunto de jaula de la serie AXK.

Serie GS (arandela de carcasa): La arandela GS se asienta contra el hombro estacionario de la carcasa o la cara del orificio. Su diámetro exterior está dimensionado para ubicarse correctamente en la carcasa sin girar. En la mayoría de los conjuntos, se impide que la arandela GS gire por la fricción con la superficie de la carcasa y el par de reacción del conjunto de rodillos. Cuando la prevención de la rotación es crítica, una pequeña pestaña o característica de ubicación en el orificio de la carcasa se indexa con una muesca en el diámetro exterior de la arandela.

Para conjuntos de dimensiones en pulgadas (conjuntos de jaula de la serie NTA), las arandelas correspondientes se denominan serie TRB. Las arandelas TRB siguen los estándares dimensionales de ABMA y no son dimensionalmente intercambiables con las arandelas métricas AS/GS, incluso cuando los diámetros de los orificios parecen similares en tamaño nominal.

Obtenga siempre arandelas y conjuntos de jaula de la misma serie dimensional. La combinación de componentes métricos y en pulgadas, incluso cuando las dimensiones nominales parecen cercanas, da como resultado un juego axial incorrecto y anchos de pistas de rodadura que no coinciden.

Modos de falla comunes causados ​​por especificaciones incorrectas de la lavadora

Las fallas relacionadas con las lavadoras siguen patrones predecibles que son fáciles de diagnosticar:

Picaduras y desconchados debido a una dureza insuficiente: cuando las arandelas se sustituyen por una placa de acero no calificada o se mecanizan a partir de material endurecido inadecuadamente, la superficie de la pista de rodadura se mella al entrar en contacto con los rodillos. Las picaduras resultantes inician grietas por fatiga que se propagan hasta convertirse en desconchones: trozos de material que se desprenden de la cara de la pista de rodadura. Los residuos de desconchado circulan en el lubricante y aceleran el desgaste de las superficies de los rodillos, agravando rápidamente la falla.

Carga de borde de arandelas no paralelas: Las arandelas instaladas contra hombros no planos de la carcasa o con residuos entre la cara posterior de la lavadora y la carcasa transmiten la carga de manera desigual a lo largo de la longitud del rodillo. One end of each roller carries disproportionate load while the other end is lightly loaded. El extremo sobrecargado alcanza primero su límite de fatiga, produciendo una franja característica de picaduras en la cara de la arandela alineada con la zona de alto contacto.

Corrosión por contacto en la cara posterior de la lavadora: Si la cara posterior de la lavadora se microdesliza contra la carcasa o el hombro del eje debido a una carga de sujeción insuficiente o a un ciclo térmico, se desarrolla corrosión por contacto: un residuo de óxido de color marrón rojizo que parece óxido pero se origina por el desgaste mecánico. Los residuos del roce actúan como abrasivo y pueden penetrar el conjunto de rodillos, acelerando el desgaste de las caras de las pistas de rodadura.

Rotación de la arandela: si la arandela de la carcasa comienza a girar, debido a una retención de fricción insuficiente o a la falta de características de ubicación, desgasta la cara de la carcasa y genera calor por el contacto deslizante. La rotación de la arandela de la carcasa se puede identificar por marcas de desgaste circunferenciales en la superficie del hombro de la carcasa.

Lista de verificación de selección para ingenieros OEM

Al especificar arandelas de cojinete de empuje para una nueva aplicación o calificar un reemplazo:

1. Confirme la serie dimensional: haga coincidir la serie de arandelas (AS/GS para sistema métrico, TRB para pulgadas) con la serie del conjunto de jaula (AXK o NTA). Verifique el diámetro interior, el diámetro exterior y el espesor con las tablas dimensionales del fabricante del rodamiento, no solo con el tamaño nominal.

2. Verificar certificación de dureza: Solicitar certificados de materiales y tratamientos térmicos para lotes de producción. Verifique la dureza de la superficie en la inspección entrante utilizando pruebas de Rockwell en la cara de la pista de rodadura.

3. Verifique el hombro de la carcasa: la superficie contra la que se asienta la lavadora GS debe ser plana (dentro de 10 μm para aplicaciones estándar), perpendicular al eje del eje y libre de rebabas o marcas de mecanizado que inclinarían la lavadora.

4. Especifique el acabado de la superficie en los planos de ingeniería: indique explícitamente Ra 0,2–0,4 μm en las caras de las pistas de rodadura de la lavadora. Sin una indicación del acabado de la superficie, los proveedores pueden entregar arandelas rectificadas hasta obtener un acabado más grueso que acorta la vida útil de la película lubricante.

5. Tenga en cuenta la expansión térmica: en aplicaciones con un aumento significativo de temperatura, asegúrese de que la holgura del orificio de la arandela del eje permita el movimiento axial libre sin atascarse a medida que el eje se expande. Una holgura de 0,01 a 0,05 mm en el diámetro del orificio es típica de los ejes estándar de acero al carbono.

6. Haga coincidir el ancho de la arandela con el conjunto de la jaula: el ancho del canal de rodadura de la arandela debe cubrir completamente la longitud de contacto del rodillo. Las arandelas de ancho inferior producen carga en los bordes en el límite del diámetro interior o exterior de la arandela.

Conclusión

Las arandelas de los cojinetes de empuje son componentes críticos para la carga, no hardware básico. Su dureza, acabado superficial, planitud y precisión dimensional determinan directamente si un rodamiento axial de agujas ofrece su vida útil nominal o falla en una fracción de ella. Especificar las arandelas con el mismo rigor aplicado al conjunto de la jaula (y verificar que las piezas entrantes cumplan con las especificaciones) es el paso más eficaz que los ingenieros pueden tomar para mejorar la confiabilidad de los rodamientos de empuje en aplicaciones exigentes.

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