No hay componente en los deportes de inercia que esté más mitificado que los rodamientos. Hace tiempo publicamos un artículo en esta misma sección con bastante información.
Pues vamos a ir un paso más allá. Para que no te den gato por liebre, vamos a estudiar más a fondo la influencia en la resistencia al giro del tamaño del rodamiento, la cantidad de lubricación y la temperatura.
La pérdida de energía Nr medida en Watios causada por la fricción de los rodamientos es:
Nr = 0,000105 M n
donde:
M = momento de fricción, que veremos a continuación y
n= velocidad angular, en revoluciones por minuto.
Es decir, que los rodamientos del longboard nos frenan más cunata mayor fricción interna tengan y cuanto más rápido giren.
1) La aproximación tradicional para calcular el momento de fricción M ( medido en Nmm ) de un rodamiento es:
M = 0,5 µ P d
donde:
µ= coeficiente de fricción del rodamiento.
Depende sólo del tipo de rodamiento:
- Rodamiento rígido de bolas ( el clásico ): 0,0015
- Rodamiento de dos hileras de bolas autoalineables: 0,0010
- Rodamiento de rodillos ( con jaula ): 0,011
- Rodamiento de rodillos ( sin jaula ): 0,020
En nuestras medidas, sólo se fabrica el primer tipo, así que no hay mucha elección. Además, nuestros rodamientos soportan también cargas laterales, por lo que los rodillos quedan descartados.
P= carga dinámica en el rodamiento ( en N ).
Básicamente depende del peso del piloto + el vehículo. A más peso, más rozamiento.
d= diámetro de la pista interior.
Sólo influye el diámetro del eje, no el diámetro exterior del rodamiento. Al aumentar el diámetro ( es decir, el grosor del eje ), aumenta el rozamiento.
Para entenderlo mejor: el rodamiento tiene un rozamiento ( muy pequeño ), que tiende a frenar la rueda.
Imagina que el rodamiento fuese un freno de disco. A igualdad de fuerza en la maneta, con un disco pequeño se frena menos que con un disco grande, ya que hace menos palanca sobre la rueda.
El rodamiento actúa igual, el rozamiento que genera tiene menos efecto cuando más cerca esté del centro de la rueda, es decir, cuanto más fino sea el eje.
2) Una aproximación más exacta del momento de fricción M que se utiliza actualmente es:
M = ( Mrr + Msl + Mseal + Mdrag ) x Φish
analicemos sus componentes:
a) Momento de fricción por rodadura ( Mrr )
El momento de fricción por rodadura representa el rozamiento de las bolas contras las pistas y se calcula con la ecuación:
Mrr = Grr (νn)^0,6
donde:
Mrr = momento de fricción por rodadura, Nmm
Grr = variable que depende del
– tipo de rodamiento
– el diámetro medio del rodamiento
dm = 0,5(d + D), mm
– la carga radial Fr, N
– la carga axial Fa, N
ν = viscosidad cinemática del lubricante a la temperatura de funcionamiento, mm2/s.
n = velocidad de giro, rpm
Podemos observar que aumenta al aumentar el tamaño del rodamiento, la velocidad de giro, la carga y la viscosidad del aceite.
b) Momento de fricción por deslizamiento ( Msl ):
El momento de fricción por deslizamiento representa las pérdidas producidas cuando la bola resbala ligeramente por la pista en lugar de rodar. Se calcula usando:
Msl = µsl Gsl
donde
Msl = momento de fricción por deslizamiento, Nmm
Gsl = variable que depende del
– tipo de rodamiento
– el diámetro medio del rodamiento dm = 0,5(d + D), mm
– la carga radial Fr, N
– la carga axial Fa, N
µsl = coeficiente de fricción por deslizamiento, que se puede establecer como el valor para las condiciones de película total, es decir κ ≥ 2, se sitúa alrededor de 0,04 para la lubricación con aceites sintéticos.
Este tipo de fricción se produce especialmente en situaciones en las que la película de aceite se vuelve demasiado fina o desaparece. Por eso es importante echar siempre al menos un par de gotas de aceite ligero. Si dejamos el rodamiento completamente seco, aunque aparentemente gire mejor, el momento de fricciónpor deslizamiento aumentará rápidamente.
c) Momento de fricción por los cierres laterales ( Mseal ):
Si los rodamientos están equipados con obturaciones rozantes, las pérdidas por fricción causadas por la obturación pueden ser mayores que aquellas generadas en el rodamiento. Se puede calcular el momento de fricción de las obturaciones para los rodamientos obturados a ambos lados usando la siguiente ecuación empírica
Mseal = KS1 ds β + KS2
donde
Mseal = momento de fricción de las obturaciones, Nmm
KS1 = constante que depende del tipo de rodamiento
KS2 = constante que depende del tipo de rodamiento y de obturación
ds = diámetro de la superficie de contacto de la obturación
β = exponente que depende del tipo de rodamiento y obturación
Mseal es el momento de fricción generado por dos obturaciones. Cuando sólo hay una obturación, la fricción generada es 0,5 Mseal.
En la práctica se suele dejar el blindaje metálico de la cara exterior ( indicado como Z ) y desmontar el de la cara interior, que queda protegido dentro de la rueda, para disminuir a la mitad este rozamiento sin que entre suciedad al rodamiento.
d) Momento generado por la recirculación de aceite:
Se emplea cuando la lubricación se realiza por baño o inyección contínua de aceite, que no es nuestro caso.
e) Reducción por calentamiento del lubricante ( Φish ):
Φish = factor de reducción por calentamiento del lubricante producido por el esfuerzo cortante en el borde de entrada entre el camino de rodadura y los elementos rodantes
Indica que la viscosidad del aceite disminuye con el calor generado por el rodamiento, lo cual disminuye el rozamiento.
Sin embargo, no hay que olvidar que las altas temperaturas de funcionamiento o las elevadas velocidades del rodamiento podrían reducir su juego interno por la dilatación de los componentes, lo que puede incrementar la fricción. Lo ideal es que el rodamiento permanezca a temperatura ambiente y utilicemos un aceite lo más fluido posible.
3) Ejemplos prácticos
Vamos a calcular el momento de rozamiento de las 3 medidas habituales y otras dos menos frecuentes bajo los siguientes supuestos:
- Peso: 100 Kg.
- Velocidad: 80 Km/h y rueds de 83mm. ( aprox. 5000 rpm )
- Temperatura: 20º C.
Indicamos ( Referencia: diámetro interior x diámetro exterior x anchura. Momento de fricción ).
- 608: 8x22x7. M= 13,6. El clásico de toda la vida. Lo tomaremos como referencia. Detalles.
- 61900: 10x22x6. M=16,7 ( +23% ). El rodamiento para eje de 10 mm. Al aumentar un 25%
el diámetro de la pista interior, aumenta un 23% el momento de fricción. Eso sí, aumenta drásticamente ( un 56% ), la resistencia a la flexión del eje. Detalles.
- 638/8: 8x16x6. M=22,9 ( +68% ). Equivalentes a los conocidos como minirodamientos de patinaje de velocidad ( código 688: 8x16x5 ). Se mantiene el diámetro del eje pero disminuye el diámetro de
la pista exterior. El menor tamaño de las bolas aumenta el momento de fricción y, además, necesitamos un casquillo adaptador. Detalles.
- 607/8: 8x19x6. M=13,6 ( +0% ). No se utiliza, pero lo incluimos para que lo compares con el anterior. Fíjate como al aumentar ligeramente el diámetro de la pista exterior volvemos a valores más normales. Detalles.
- 627: 7x22x7. M=12 ( -12% ). Es la única opción que podría disminuir el rozamiento del clásico 608. El inconveniente es que necesita un eje de 7mm. que habría que mecanizar y que disminuiría un 31% la resistencia a la flexión. Detalles.
4) CONCLUSIONES
- Un eje más grueso produce que el rozamiento de los rodamientos nos frene más.
- La disminución del tamaño de las bolas aumenta el rozamiento.
- La lubricación ideal es un par de gotas de aceite muy ligero, tipo Teflón. Nunca sin lubricar.
- El eje flotante no aporta ninguna reducción de rozamiento porque:
- En la práctica casi no gira bajo nuestro peso debido a la pequeña flexión que le causamos.
- Usando un eje más rígido ( 10 m. ) giraría más, con lo que disminuiría el rozamiento de los rodamientos de la rueda al restarle revoluciones por minuto. Pero esta disminución quedaría compensada por el rozamiento de los rodamientos que soportan el eje.
- Por ello, se podrían sustituir los rodamientos del eje por casquillos tipo Bronce selfoil autolubricados sin disminución del rendimiento.
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