¿Qué son las tensiones de contacto Hertz y cómo afectan a los rodamientos lineales?
Los rodamientos lineales que utilizan bolas o rodillos para transportar una carga están sujetos a tensiones de contacto Hertz, un tipo de tensión de material que desempeña un papel importante en la determinación de la capacidad de carga y la vida útil de fatiga del rodamiento.
Cuando dos superficies de radios diferentes están en contacto y se aplica una carga (incluso una carga extremadamente pequeña), se forma una pequeña área de contacto y las superficies experimentan tensiones muy altas. Estas tensiones se conocen como tensiones de contacto Hertz (o hertiziano). En los rodamientos lineales de elementos rodantes, las tensiones de contacto hertz se producen en las bolas (o cilindros) y las pistas de rodadura.
En teoría, el contacto entre dos esferas ocurre en un punto, y el contacto entre dos cilindros ocurre como una línea. En caso de contacto de punto o de línea, la presión resultante entre las dos superficies sería infinita y las superficies experimentarían un rendimiento inmediato. Pero en aplicaciones del mundo real, cuando se presionan dos superficies con una fuerza, se produce alguna deformación elástica en cada superficie y se forma un área de contacto. Las tensiones que se producen en las dos superficies aún pueden ser muy altas, lo suficiente para iniciar el desprendimiento u otras formas de falla, pero ya no son infinitas.
El análisis de las tensiones de contacto hertzianas se basa en cuatro supuestos principales:
– Las superficies son lisas y sin fricción
– Los cuerpos son isótropos y elásticos
– El área de contacto es pequeña en relación con los tamaños de los cuerpos en contacto
– Las tensiones en los cuerpos son pequeñas y dentro del límite elástico
Las tensiones hertzianas están presentes cuando dos superficies con radios diferentes están en contacto — incluso si una superficie es plana o si una superficie es convexa y la otra es cóncava, lo que es el caso de los rodamientos de elementos rodantes: la bola o el rodillo son convexos y la pista de rodadura es cóncava. En el análisis de tensiones de contacto hertzianas, una superficie convexa (la bola o el rodillo) tiene un radio positivo y la superficie cóncava (la pista de rodadura) tiene un radio negativo. (Tenga en cuenta que las superficies planas tienen un radio infinito.)
Debido a que las superficies tienen radios diferentes, el área de contacto entre una bola esférica (o un rodillo cilíndrico) y una pista de rodadura de rodamientos tiene una forma elíptica. En estas condiciones, la presión máxima entre las dos superficies se da como:
Bola esférica y Pista de rodadura
Rodillo cilíndrico y Pista de rodadura
Tensiones de contacto hertzianas y rodamientos lineales
Las tensiones de contacto hertzianas tienen un efecto significativo en la capacidad de carga dinámica del rodamiento y la vida útil de L10. Las tensiones de corte, que causan fatiga, un modo primario de falla de los elementos rodantes, son proporcionales a la presión máxima en Hertz entre los dos cuerpos.
El contacto hertziano, y la deformación resultante de las superficies, también es lo que hace que los rodamientos se deslicen en lugar de rodar. Esto se debe a que las áreas de contacto Hertz tienen diámetros diferentes a los propios elementos rodantes, por lo que los elementos rodantes se deslizan. El contacto Hertz también tiene implicaciones para la precarga del rodamiento. La precarga de los elementos rodantes les da un área de contacto de Hertz más grande y finita, lo que aumenta la rigidez. Pero el aumento del contacto da como resultado una alta generación de calor.
Esta es la razón por la que una cantidad de precarga de solo el 8 por ciento se considera precarga alta para rodamientos lineales, con una precarga superior al 10 a 15 por ciento siendo extremadamente rara. Además, debido a que el contacto hertz no es lineal, una pequeña cantidad de precarga puede proporcionar un aumento significativo de la rigidez, sin provocar un deslizamiento, fricción y calor inaceptables.
Crédito de la imagen: L. C. Brezeanu