02/05/2025
Los rodamientos, también conocidos como cojinetes con rodillos en algunas regiones, son componentes esenciales en innumerables mecanismos que implican movimiento rotatorio. Su función principal es transmitir las cargas de un eje giratorio a un bastidor o soporte, facilitando este movimiento con una resistencia mínima. Esto se logra mediante el uso de pequeños elementos intermedios, como bolas o rodillos, confinados entre dos anillos con surcos de rodadura. El diseño inteligente de estas piezas permite que los elementos rodantes giren con muy poca fricción, haciendo que el deslizamiento entre las superficies sea casi nulo.
La popularidad de los rodamientos radica en su excelente equilibrio entre factores cruciales como el costo, el tamaño, el peso, la capacidad de carga, la durabilidad, la precisión y la fricción resultante. Aunque existen otros tipos de cojinetes, como los de deslizamiento o los de fluidos, que pueden destacar en aspectos específicos, los rodamientos ofrecen una solución versátil que los convierte en componentes fundamentales en aplicaciones tan diversas como la automoción, la industria pesada, la navegación y la aviación, siendo, junto a los cojinetes de deslizamiento, los más utilizados globalmente.
Fundamento Mecánico
El principio detrás del funcionamiento de un rodamiento se basa en convertir el deslizamiento (alta fricción) en rodadura (baja fricción). Un ejemplo clásico para ilustrar esto es el uso de troncos para mover una gran piedra; en lugar de arrastrar la piedra directamente por el suelo (deslizamiento), se colocan troncos debajo que ruedan (rodadura), reduciendo drásticamente el esfuerzo necesario. Los rodamientos aplican este concepto a la rotación de un eje dentro de un orificio. Los elementos rodantes se colocan entre el eje y el orificio mayor, actuando como los troncos. A medida que el eje gira, los elementos ruedan, facilitando el movimiento con una resistencia mínima. En un rodamiento giratorio, los elementos rodantes permanecen confinados y continuamente soportan la carga.
Historia de los Rodamientos
La historia de los rodamientos es milenaria, con evidencias que se remontan a más de siete siglos antes de Cristo. Excavaciones de carros de guerra celtas han revelado pequeñas piezas cilíndricas de madera cerca de los bujes, sugiriendo un conocimiento temprano del rodamiento de rodillos cilíndricos alrededor del año 700 a. C. El concepto primitivo ya existía en la antigua Roma, con descripciones por Vitruvio y el uso de rodamientos de bolas en polipastos al final de la República. Durante el rescate de los barcos de Nemi, pertenecientes al emperador Calígula (37-41 d. C.), se encontró un rodamiento que podría haber sido parte de la base de una estatua giratoria.
Tras un largo periodo de menor actividad en la Edad Media, el rodamiento experimentó un renacimiento con figuras como Leonardo da Vinci (1452-1519), quien realizó estudios sobre cojinetes de bolas. Su desarrollo continuó de manera constante en los siglos XVII y XVIII.
La industrialización del siglo XIX impulsó la necesidad de cojinetes más eficientes que los lisos, que se desgastaban rápidamente, especialmente a bajas velocidades o con lubricación deficiente (un problema común en las primeras locomotoras de vapor). Los avances en la metalurgia permitieron mejoras significativas. Desde finales del siglo XIX, la industria alemana, con empresas como FAG Kugelfischer (hoy parte de Schaeffler) y SKF (con sede alemana también en Schweinfurt), ha tenido un papel destacado en el desarrollo y la tecnología de precisión de los rodamientos.
Con el tiempo, se han añadido numerosas variantes de diseño, incrementando la precisión de fabricación y desarrollando lubricantes más eficaces. La estandarización mediante normas fijó dimensiones comunes, simplificando el diseño y la producción. Hoy en día, los rodamientos industriales avanzados pueden incluir sensores electrónicos para monitorizar tensiones y desgaste.
Diseño y Tipos de Rodamientos
Los rodamientos se utilizan principalmente para soportar ejes rotativos debido a su baja fricción. Su tamaño varía enormemente, desde unos pocos milímetros hasta varios metros de diámetro, con capacidades de carga que van de gramos a miles de toneladas. La mayoría incluye jaulas para mantener separados los elementos rodantes y reducir la fricción y el desgaste entre ellos.
La gran variedad de aplicaciones ha llevado a la evolución de distintos diseños, optimizados para resistir cargas axiales, radiales, o combinaciones de ambas. Los rodamientos de bolas son de propósito general, pero para grandes cargas radiales se prefieren rodillos cilíndricos; para cargas radiales y axiales combinadas, se usan elementos cónicos; y para cargas axiales importantes, rodamientos de empuje.
Las pistas de rodadura suelen ser anulares (bolas, cilíndricos, cónicos), pero pueden ser esféricas o toroidales para permitir una ligera desalineación del eje. Existen cinco tipos fundamentales de elementos rodantes: bolas esféricas, cilíndricos o agujas, con forma de barril, diábolos y cónicos. Las pistas de rodadura pueden ser anulares, anulares dentadas, cónicas, esféricas o toroidales, y su orientación puede ser radial o axial.
Clasificación General
Los rodamientos se clasifican según el tipo de elemento rodante, la dirección de la carga que soportan y su capacidad de autoalineación. La dirección de la carga se define por el ángulo de presión (α): radiales (0° < α < 45°), axiales (45° < α < 90°) y radiales-axiales (diseño intermedio).
| Dirección de Carga | Rodamientos de Bolas | Rodamientos de Rodillos |
|---|---|---|
| Radiales | Rígido (simple y doble hilera), Autoalineables | Cilíndricos (también de agujas), Rótula de rodillos de barril (simples o dobles) |
| Radiales-Axiales | Angulares (simple y doble hilera), Cuatro puntos | Cónicos, Cilíndricos cruzados, Oscilantes axiales |
| Axiales (Empuje) | Empuje de bolas (rígido y autoalineable) | Empuje de rodillos (cilíndricos, a rótula) |
Rodadura Radial
Diseñados principalmente para cargas perpendiculares al eje.
Rodamientos de Bolas
Son el tipo más común. Tienen surcos internos y externos entre los que ruedan las bolas. La carga se distribuye sobre un área pequeña de contacto, causando una ligera deformación en bolas y pistas. Son fáciles de diseñar, no separables, aptos para altas velocidades y requieren poco mantenimiento. Soportan grandes cargas radiales pero no empujes axiales muy elevados. Se usan, por ejemplo, en bicicletas (rodamientos radiales de bolas).
Rodamientos Radiales-Axiales de Bolas
Tienen pistas diseñadas para un contacto angular, soportando cargas radiales y grandes cargas axiales en una dirección. Deben montarse en oposición con otro rodamiento similar para soportar carga axial en sentido contrario.
Rodamientos de Rodillos Cilíndricos
Utilizan cilindros más largos que su diámetro. Tienen mayor capacidad de carga radial que los de bolas, pero menor capacidad axial y mayor fricción bajo cargas axiales. Si las pistas se desalinean, su capacidad de carga cae rápidamente. Según la disposición de las pestañas (NU, N, NJ, NUP), pueden permitir o restringir el movimiento axial del eje. Son más rígidos que los de bolas y se usan para cargas pesadas y ejes grandes.
Rodamientos de Agujas
Usan cilindros muy largos y delgados (agujas). A pesar de su pequeña sección radial, tienen gran capacidad de carga y son ideales donde el espacio radial es limitado. Son comunes en pedales para bicicletas y avionetas.
Rodamientos de Engranaje
Combinan rodillos dentados con pistas dentadas, formando un engranaje epicicloidal. Son complejos de fabricar y se han usado en suspensiones rotativas o mecanismos de engranaje planetario simplificados.
Rodamientos de Rodillos Cónicos
Emplean rodillos y pistas cónicas. Soportan cargas radiales y axiales simultáneas, generalmente mayores que los de bolas. Son comunes en ruedas de vehículos terrestres. Su desventaja es que tienden a expulsar el rodillo bajo cargas pesadas, aumentando la fricción. El aro interior y exterior son separables.
Rodamientos de Rodadura Esférica
Se comportan como rótulas gracias a su pista exterior esférica y rodillos en forma de barril. Permiten desalineaciones estáticas y dinámicas. Son costosos y tienen mayor fricción que otros tipos ideales. Son útiles donde hay riesgo de desalineación (dilataciones, flexiones). Tienen baja fricción interna y son aptos para mayores velocidades bajo carga.
- Rodamiento de rodillos a rótula: Dos hileras de rodillos en forma de barril con una pista esférica común. Gran capacidad de carga radial y considerable axial en ambas direcciones.
- Rodamiento de bolas a rótula: Dos hileras de bolas sobre una pista esférica exterior. Permiten desalineaciones angulares.
Rodamientos de Rodadura Toroidal (CARB)
Son similares a los de rodadura esférica pero permiten desalineación angular y desplazamiento axial. Son una forma intermedia entre esféricos y cilíndricos. Suelen usarse con otro rodamiento que fije axialmente el eje. Fueron introducidos por SKF en 1995.
Rodadura Axial
Diseñados principalmente para soportar cargas paralelas al eje (esfuerzos de empuje).
Rodamientos de Empuje
Soportan cargas axiales, como las de ejes verticales. Tipos comunes son de bolas, de rodadura esférica, de rodillos cónicos o de rodillos cilíndricos.
- Rodamiento axial de bolas de simple efecto: Una hilera de bolas entre dos aros. Uno fijo al eje (plano), el otro en el soporte (plano o esférico). Resiste carga axial en una dirección. Usados en el eje de giro del manillar de una bicicleta.
- Rodamientos de empuje de aguja: Para cargas axiales pesadas, insensibles a golpes, requieren poco espacio axial.
- Rodamientos de empuje de rodillos cilíndricos: Para cargas axiales pesadas, insensibles a choques, fuertes, requieren poco espacio axial. Solo reciben cargas axiales en un sentido. Usados donde la capacidad del rodamiento de empuje de bolas es insuficiente.
- Rodamientos axiales de rodillos a rótula: Rodillos situados oblicuamente, guiados por una pestaña, giran sobre una superficie esférica. Gran capacidad de carga, autoalineación, aptos para altas velocidades bajo carga. Pueden resistir cargas radiales (a diferencia de otros rodamientos axiales).
Rodamientos de Movimiento Lineal
Diseñados para ejes o superficies planas, facilitan el movimiento a lo largo de una línea recta en lugar de rotación.
Partes Clave: La Jaula
En la mayoría de los rodamientos modernos, una jaula mantiene los elementos rodantes separados a distancias iguales. Esto reduce la fricción y el desgaste entre ellos. Algunos diseños antiguos o especiales carecen de jaula para aumentar la capacidad de carga (usando más elementos), pero solo son adecuados para velocidades bajas o moderadas. El material de la jaula tradicionalmente era latón, pero hoy en día se usa más plástico (poliamida reforzada con fibra de vidrio) por costo y peso, o acero sin templar. El latón sigue usándose en rodamientos grandes.
Materiales de los Rodamientos
Generalmente, los rodamientos se fabrican con acero al cromo (tipo 100Cr6), que es muy duro pero propenso a la oxidación. Se usan variantes como 100CrMnSi6-4 y 100CrMo7, con manganeso y molibdeno añadidos para aumentar la dureza y resistencia al desgaste.
Para ambientes corrosivos, se emplean aceros de alta aleación (X65Cr13, X30CrMoN15-1), aunque no son completamente "inoxidables" de forma permanente. Existen rodamientos para condiciones especiales:
- Acero inoxidable para ambientes agresivos.
- Híbridos: anillos de acero, elementos rodantes de cerámica (nitruro de silicio, dióxido de circonio), usados en husillos de máquinas herramienta.
- Cerámicos: anillos y elementos de cerámica (nitruro de silicio, dióxido de zirconio, carburo de silicio).
- Plástico con elementos de vidrio o cerámica para resistencia química.
- Con jaula de plástico para funcionamiento silencioso.
- Con revestimiento aislante para evitar el paso de corriente eléctrica dañina (común en motores controlados por convertidores de frecuencia).
Aplicaciones Comunes
Los rodamientos son ideales en aplicaciones que requieren baja fricción a bajas velocidades y altas cargas, o donde las velocidades cambian frecuentemente. Ofrecen ventajas significativas frente a los cojinetes lisos:
| Ventajas de los Rodamientos | Desventajas de los Rodamientos |
|---|---|
| Baja fricción, baja generación de calor | Sensibles a golpes y vibraciones (parados o a bajas velocidades) |
| Sin efecto stick-slip (par de arranque similar al de operación) | Velocidad máxima y vida útil limitadas por fatiga |
| Bajo requerimiento de lubricante | Sensibles a la suciedad y contaminación |
| Poco cuidado y mantenimiento | Construcción más compleja |
| Fácilmente intercambiables (estandarización) | Nivel sonoro generalmente más alto |
| Permiten cambio de sentido de giro sin modificaciones |
Instalación y Montaje
Los rodamientos se montan típicamente en ejes o semiejes. En diseños especiales sin aros separados, las superficies de rodadura pueden integrarse directamente en el eje o la carcasa, como es común con los rodamientos de agujas, para ahorrar espacio.
Para asegurar el rodamiento y protegerlo, se usan anillos de retención, contratuercas o manguitos espaciadores. Se instalan carcasas o sellos para retener el lubricante y proteger contra la contaminación. Durante la instalación, la presión nunca debe aplicarse a través de los elementos rodantes; se deben usar herramientas especiales (manguitos de arrastre) o aplicar presión solo al aro correspondiente. Para rodamientos grandes, se calientan (80-100°C) antes del montaje para expandir los aros y facilitar el ajuste. La retirada también requiere herramientas adecuadas. Existen soportes normalizados (pedestales, bridas) para alojar rodamientos en diversas máquinas.
Análisis de Fallos
Aunque diseñados para operar en condiciones exigentes, los rodamientos pueden fallar de forma inesperada. Problemas aparentemente menores, como la falta de lubricación por vibraciones estáticas (falso punzonamiento), pueden llevar a fallos rápidos. El análisis de vibraciones es una técnica común para identificar fallos.
Hay tres límites principales para la vida útil o capacidad de carga: abrasión (desgaste por contaminantes), fatiga (fragilización por carga repetida) y soldadura inducida por presión (micro-soldaduras entre superficies bajo alta presión). La falta de lubricación, la contaminación y el agua en el aceite agravan estos problemas, reduciendo drásticamente la vida útil. Un ejemplo notable de fallo por condiciones adversas es el de un rodamiento trasero de bicicleta de montaña dañado por alta humedad, lubricación inadecuada y fatiga por cargas de choque.
Cálculo de la Vida Útil
La vida útil de un rodamiento se define como el número de revoluciones o horas de funcionamiento antes de la primera señal de fatiga. Dado que la vida útil es variable incluso en condiciones idénticas, se expresa estadísticamente. La información sobre capacidad de carga se basa en la vida útil que se espera que el 90% de un grupo de rodamientos alcance o supere (vida L10). Esto es esencial para dimensionar correctamente el rodamiento.
El modelo tradicional (ISO 281, basado en Palmgren y Lundberg, 1924-1952) utiliza la ecuación básica L10 = (C/P)^p, donde C es la capacidad de carga dinámica, P la carga aplicada, y p un exponente (3 para bolas, 4 para rodillos). Este modelo implica que la vida útil es finita y disminuye drásticamente con la sobrecarga.
Con las mejoras en los aceros y acabados de las pistas en la segunda mitad del siglo XX, este modelo se volvió inexacto, prediciendo vidas mucho menores que las reales. Se desarrollaron modelos más modernos, como el Ioannides-Harris (incorporado en ISO 281:2000 y 2007) y el Modelo Generalizado de Vida Útil del Rodamiento (GBLM) de SKF (2015, actualizado en 2019). Estos modelos consideran factores como la lubricación, la contaminación y la calidad del material, y separan los modos de fallo superficiales y sub-superficiales, prediciendo la vida útil de forma más realista, especialmente para rodamientos de alta calidad y rodamientos híbridos (acero y cerámica).
Restricciones de Diseño
El diseño de rodamientos implica numerosas restricciones. Las pistas suelen tener formas complejas, dificultando la fabricación. Los elementos rodantes pequeños, aunque reducen el impulso a altas velocidades (que pueden superar las 100.000 rpm, con esfuerzos ligados a la cantidad de movimiento, no solo a la carga), se flexionan más bruscamente, aumentando el riesgo de fatiga. La velocidad máxima a menudo se expresa como nDm (producto del diámetro medio y las RPM).
La elección del material es crucial: un material más duro resiste la abrasión pero es más propenso a la fatiga. Los defectos microscópicos en el material son una causa principal de fallo; la mejora en la homogeneidad del acero ha sido clave para aumentar la vida útil. El lubricante debe elegirse según la aplicación y condiciones (temperatura, carga). Un ejemplo extremo es el rodamiento de la bomba de oxígeno del transbordador espacial STS, lubricado con oxígeno líquido debido a la reactividad de otros lubricantes.
Aunque los rodamientos se desgastan, un diseño adecuado puede garantizar una vida útil superior a la del resto de la máquina si se mantienen limpios, lubricados, a temperatura adecuada, dentro de su carga nominal y con materiales libres de defectos. Por ello, el enfriamiento, la lubricación y el sellado son aspectos vitales del diseño.
Los sellos, aunque aumentan la fricción, protegen contra la contaminación, un factor abrasivo importante. Sin embargo, en rodamientos sellados permanentemente, el lubricante puede contaminarse internamente con partículas de desgaste. La presencia de agua en el lubricante es otra causa significativa de fallo.
Denominación Técnica (ISO 15)
Los rodamientos métricos de elementos rodantes tienen denominaciones alfanuméricas estandarizadas por la norma ISO 15. La designación principal es un número de siete dígitos (por ejemplo, 7208, donde los ceros iniciales no se imprimen). Los dos últimos dígitos (08 en 7208) definen el diámetro interior (ID), multiplicando por cinco para diámetros de 20 a 495 mm (08 * 5 = 40 mm ID). Para IDs menores, hay códigos específicos (00=10mm, 01=12mm, 02=15mm, 03=17mm).
El tercer dígito (2 en 7208) define la "serie de diámetros" (diámetro exterior - OD). El cuarto dígito (7 en 7208) define el tipo de rodamiento (0: radial simple de bolas, 1: radial esférico de bolas, 2: radial de cilindros, 3: radial esférico de cilindros, 4: agujas, 6: radial-axial de bolas, 7: cónico, etc.). Los dígitos quinto y sexto definen modificaciones estructurales (ángulo de contacto, sellos). El séptimo dígito (serie de grosor) define el espesor del rodamiento. El tercer y séptimo dígito juntos definen la "serie dimensional".
Existen caracteres opcionales como prefijos (ej. A321-XXXXXXX) para indicar clase (vibración, tolerancias), momento friccional, juego radial y precisión. También hay caracteres opcionales como sufijos (ej. XXXXXXXA) para indicar capacidad de carga aumentada, jaula de plástico, acero resistente al calor, tipo de lubricante o grado de templado.
Aunque la norma ISO 15 proporciona una base, muchos fabricantes utilizan sistemas de numeración propios que no siempre se corresponden directamente con este estándar.
Preguntas Frecuentes (FAQ)
¿Cuál es la principal diferencia entre un rodamiento de bolas y uno de rodillos?
Los rodamientos de bolas usan elementos esféricos y generalmente tienen menor fricción y son aptos para mayores velocidades. Los rodamientos de rodillos (cilíndricos, cónicos, etc.) usan elementos con mayor área de contacto, ofreciendo típicamente una mayor capacidad de carga para el mismo tamaño, pero pueden generar más fricción.
¿Por qué fallan los rodamientos?
Los fallos más comunes se deben a la fatiga del material por cargas repetidas, la abrasión causada por la entrada de contaminantes (suciedad, partículas metálicas) y la soldadura por presión entre superficies bajo alta carga y sin lubricación adecuada. La falta de lubricación y la contaminación son causas frecuentes que aceleran estos mecanismos de fallo.
¿Puede un rodamiento durar para siempre?
En teoría, si un rodamiento opera siempre por debajo de su límite de fatiga, está perfectamente lubricado, limpio y a temperatura controlada, su vida útil podría ser extremadamente larga. Sin embargo, en la práctica, factores como la contaminación, la variación de cargas, las imperfecciones microscópicas y el deterioro del lubricante limitan su vida útil. Los modelos de cálculo predicen una vida útil finita basada en probabilidades de fallo por fatiga.
¿Qué significa L10 en la vida útil de un rodamiento?
L10 es una medida estadística que representa el número de revoluciones o horas de funcionamiento que se espera que al menos el 90% de un grupo de rodamientos idénticos alcance o supere antes de mostrar signos de fatiga. Es el valor de vida útil utilizado comúnmente para dimensionar y seleccionar rodamientos.
¿Qué tipo de rodamiento se usa en las ruedas de una bicicleta?
Comúnmente se utilizan rodamientos radiales de bolas en las ruedas de las bicicletas debido a su equilibrio entre fricción, capacidad de carga y costo para este tipo de aplicación. En pedales se pueden usar rodamientos de agujas, y en la dirección (manillar) rodamientos de empuje.
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