6.5: Fricción de Rodamientos

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Un rodamiento es el elemento de máquina utilizado para soportar un eje giratorio. La fricción del rodamiento es la fricción que existe entre el eje giratorio y el rodamiento que soporta ese eje. Aunque existen muchos tipos de rodamientos (lisos, de bolas, de rodillos, hidrodinámicos), en este curso solo veremos cojinetes lisos, también llamados a veces cojinetes de fricción.

Acercamiento de una rueda de tren a medida que el tren se mueve por una vía. — Figura\(\PageIndex{1}\): Habrá alguna fricción en los rodamientos de este vagón del tren. Imagen de Dominio Público por ds_30.

Un cojinete liso consiste en un eje circular encajado en un orificio circular ligeramente más grande como se muestra a continuación. El eje generalmente girará y ejercerá algún tipo de carga\((F_{load})\) sobre el rodamiento. El rodamiento entonces soportará el eje con cierta fuerza normal, y existirá una fuerza de fricción entre la superficie del rodamiento y la superficie del eje. En ocasiones la rotación del rodamiento hará que el eje suba por el lado del lado del rodamiento, provocando que el ángulo de la normalidad y las fuerzas de fricción cambien, pero esta escalada suele ser lo suficientemente pequeña como para que se descuide.

Diagrama de un cojinete liso: un eje circular, que gira en sentido horario, dentro de un orificio circular ligeramente mayor. El borde inferior derecho del eje descansa contra el borde del rodamiento, produciendo una fuerza normal y una fuerza de fricción contra la dirección de rotación. Se ejerce una fuerza de carga hacia abajo en el centro del eje. — Figura\(\PageIndex{2}\): En un cojinete liso como el que se muestra aquí, una fuerza de fricción se opondrá a la rotación del eje giratorio en el cojinete estacionario. Esta fuerza provocará un pequeño momento opuesto a la rotación del eje.

Si asumimos que la escalada en el rodamiento es insignificante, la normal del rodamiento en el eje será igual y opuesta a la fuerza de carga del eje en el rodamiento. Además, si el eje está girando con relación al rodamiento, entonces la fuerza de fricción será igual al coeficiente cinético de fricción multiplicado por la fuerza normal del rodamiento en el eje.

Si se supone que el ángulo de ascenso es pequeño, entonces...

\[ F_{load} = F_N \]\[ F_f = \mu_k * F_N \]

La fuerza de fricción estará entonces ejerciendo un momento alrededor del centro del eje que se opone a la rotación del eje. A menos que algún otro momento mantenga el eje girando, este momento eventualmente disminuirá la velocidad y detendrá la rotación en el eje. La magnitud de este momento será igual a la magnitud de la fuerza de fricción multiplicada por el radio del eje.

\[ M_f = r_{shaft} * (\mu_k * F_N) \]

Otro factor importante a tener en cuenta es que la mayoría de los rodamientos están lubricados. Esto puede disminuir significativamente los coeficientes de fricción (esta es en realidad la razón principal para usar lubricación en maquinaria). Al realizar cálculos, es importante saber si el rodamiento está lubricado y, de ser así, utilizar los coeficientes de fricción apropiados.

Videoconferencia que cubre esta sección, impartida por el Dr. Jacob Moore. Fuente de YouTube: https://youtu.be/v8q6xnJN9zE.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Un carro y su carga pesan un total de 200 lbs. Hay dos ruedas en el carro, cada una con un diámetro de 2 pies y cada una soportando la mitad de la carga de 200 lb. El rodamiento que une cada rueda al carro es un cojinete de cojinete lubricado acero-sobre acero (coeficiente cinético de fricción = 0.05), con un eje de una pulgada de diámetro. ¿Cuál es el momento debido a la fricción de cada rodamiento? Asumiendo que no hay otras fuentes de fricción, ¿qué magnitud debe tener la fuerza de tracción para mantener el carro en movimiento a una velocidad constante?

Vista lateral de un carro orientado hacia la derecha. Se aplica una fuerza de tracción en el asa frontal del carrito. — Figura\(\PageIndex{3}\): diagrama de problemas para Ejemplo\(\PageIndex{1}\); un carro de dos ruedas ensamblado con cojinetes es tirado por alguna fuerza hacia la derecha.

Solución: Video\(\PageIndex{2}\): Solución trabajada a problema de ejemplo\(\PageIndex{1}\), proporcionado por el Dr. Jacob Moore. Fuente de YouTube: https://youtu.be/1R3BZIBQsXE.