Cargas radiales vs axiales: ¿cuál es la diferencia?

¿Qué es una carga radial?

Una carga radial es una fuerza que actúa en ángulo recto con el eje, siguiendo un radio. El ejemplo más simple es la gravedad sobre un eje horizontal: el eje se apoya contra la parte inferior del diámetro interior del cojinete. La tensión de una banda, el tiro de una cadena, la fuerza de separación entre engranes rectos, las fuerzas de desbalance y la reacción en un perno de pivote son todas cargas radiales.

En un cojinete de deslizamiento, la carga radial la soporta la superficie cilíndrica de trabajo. El eje no toca todo el diámetro interior: descansa sobre un arco cargado que, para efectos de cálculo, se trata como el área proyectada diámetro interior × longitud. Por eso la carga específica de un buje se escribe p = F / (d × L): la misma fuerza sobre un buje más largo o de mayor diámetro produce una presión menor.

¿Qué es una carga axial?

Una carga axial, también llamada carga de empuje, actúa paralela al eje. En lugar de empujarlo de lado, intenta hacerlo pasar a través del cojinete. Sus fuentes son la reacción del impulsor de una bomba o de una hélice, la componente de empuje de los engranes helicoidales o de tornillo sinfín, la fuerza de apriete a lo largo de un tornillo o de un husillo, y el peso de un eje vertical.

Un diámetro interior cilíndrico no puede soportar una carga axial: el eje simplemente se deslizaría a través de él. El empuje lo recibe una cara plana perpendicular al eje: una arandela de empuje entre el resalte del eje y el alojamiento, la brida de un buje con brida, o la cara frontal de un buje contra un resalte del eje. La carga específica es la fuerza dividida por el área de la cara del cojinete, p = F / A, donde A es el área anular de la arandela o de la brida menos las ranuras.

Ejemplos de cargas radiales y axiales

Una misma máquina suele tener las dos. El perno de la pluma de una excavadora soporta radialmente el peso de la pluma y la reacción de excavación, mientras que las cargas laterales sobre el cucharón producen empuje axial en los extremos del perno. El eje de una bomba centrífuga recibe carga radial por el desbalance hidráulico del impulsor y carga axial por la diferencia de presión a través de él. La maza de la rueda de un vehículo soporta el peso del vehículo radialmente y la fuerza lateral en curva axialmente.

Cargas combinadas y cómo se soportan

La mayoría de las articulaciones reciben ambas cargas a la vez, y hay tres disposiciones para soportarlas. Un buje cilíndrico con una arandela de empuje independiente mantiene cada carga sobre su propia superficie y permite dimensionar y reemplazar cada pieza por separado; es la solución habitual en maquinaria pesada. Un buje con brida reúne las dos funciones en una sola pieza: el cuerpo cilíndrico soporta la carga radial y la brida soporta una carga axial ligera o moderada, además de posicionar el buje en el alojamiento. La tercera disposición, común en mecanismos pequeños, es un par de bujes con resaltes en el eje.

La brida de un buje con brida no es un cojinete de empuje completo. Es delgada, su cara posterior suele trabajar sin lubricación y su área es pequeña, así que sirve para cargas de posicionamiento y empujes ocasionales, no para una carga axial continua. Cuando la componente axial es significativa, especifique una arandela de empuje.

Qué hace cada carga en el cojinete

La carga radial determina la presión sobre la pared en el arco cargado, la película hidrodinámica en un cojinete lubricado con aceite y, a través del juego de funcionamiento, cuánto se desplaza el eje fuera del centro. Un exceso de carga radial para el material produce flujo plástico de la capa de deslizamiento (bronce y bimetálico), fluencia en frío del polímero (PTFE, POM) o grietas por fatiga bajo carga cíclica. La desalineación convierte una carga radial distribuida en una carga de borde en un extremo del diámetro interior, que es la causa más frecuente de falla prematura de los bujes en pivotes.

La carga axial determina la presión sobre la cara de empuje. Como las caras de empuje son pequeñas y su velocidad de deslizamiento crece con el radio, trabajan más calientes que un buje a la misma presión; lo que suele excederse primero es el límite PV, no el límite de carga. El lubricante debe llevarse hasta la cara mediante ranuras radiales, porque no puede entrar desde el costado como en un buje.

La carga específica p y la velocidad de deslizamiento v se comprueban por separado contra la p máx., la v máx. y el (p·v) máx. del material. Llegar a uno de los límites no deja margen para los otros.

Factores que alteran la distribución de la carga

El cálculo nominal supone que la carga se reparte de manera uniforme sobre el área proyectada. En la práctica, varias cosas la empeoran.

• Desalineación entre eje y alojamiento: concentra la carga radial en un extremo del diámetro interior (carga de borde). Las construcciones autoalineantes, los bujes más cortos o un asiento esférico la reducen.
• Relación longitud/diámetro: un buje largo y esbelto (L/d por encima de 1.5, aproximadamente) es más sensible a la desalineación; uno corto (L/d por debajo de 0.5) soporta menos carga y deja escapar más lubricante.
• Juego de funcionamiento: con muy poco juego, la película se queda sin lubricante y el cojinete se agarrota; con demasiado, el eje se descentra y golpea bajo cargas alternantes.
• Rigidez del alojamiento: un alojamiento delgado o ranurado deja que el buje se deforme bajo carga, y el diámetro interior deja de ser redondo.
• Choques e inversiones de carga: las cargas cíclicas y alternantes fatigan la capa de deslizamiento a una presión menor que una carga constante; aplica el límite de carga dinámica, no el estático.
• Dilatación térmica: en caliente, el eje, el buje y el alojamiento crecen a ritmos distintos y el juego cambia; el juego se fija para la temperatura de operación, no para la de montaje.

Cómo calcular la carga específica

Para un buje cilíndrico de diámetro interior d y longitud L que soporta una fuerza radial F, la carga específica es p = F / (d × L). Para una arandela de empuje de diámetro interior d₁ y diámetro exterior d₂ que soporta una fuerza axial F, el área de la cara es A = π (d₂² − d₁²) / 4 menos las ranuras, y p = F / A. La velocidad de deslizamiento de un buje en rotación es v = π d n / 60 (d en metros, n en rpm); en una arandela se toma en el diámetro medio (d₁ + d₂) / 2.

Ejemplo resuelto: un buje de bronce de 50 mm de diámetro interior × 60 mm de longitud que soporta 60 kN radiales trabaja a p = 60,000 / (50 × 60) = 20 N/mm². A 30 rpm, la velocidad de deslizamiento es π × 0.050 × 30 / 60 = 0.079 m/s, de modo que p·v = 1.6 N/mm²·m/s. Ambos valores se comparan después con los límites publicados para el material elegido.

Nuestra calculadora de carga de cojinetes hace estas cuentas para bujes y arandelas. Si el servicio está cerca de un límite, inclúyalo en la solicitud de cotización y confirmaremos el material contra él.

Cómo elegir el elemento de cojinete según la carga

Para una carga principalmente radial, especifique un buje cilíndrico y dimensiónelo por p y p·v: bronce lubricado, bimetálico o acero endurecido para servicio pesado y lento; compuesto de PTFE, bronce con grafito o bronce sinterizado donde la articulación no puede engrasarse. Para una carga principalmente axial, especifique una arandela de empuje en los mismos materiales y lleve el lubricante a la cara con ranuras radiales. Para una carga combinada, use buje más arandela cuando el empuje sea continuo, o un buje con brida cuando sea una carga de posicionamiento u ocasional.

Sea cual sea la disposición, indique en la solicitud la dirección, la magnitud y el ciclo de trabajo de la carga. El plano muestra la geometría; solo las cargas nos dicen qué material va a sobrevivir en ella.