La capacidad de operar de manera consistente a altas velocidades es una de las razones por las cuales los diseñadores de sistemas de movimiento suelen indicar husillos de bolas por sobre los husillos de rosca. Sin embargo, los husillos de bolas tienen sus propias limitaciones de velocidad, y entenderlas es útil para optimizar el rendimiento del conjunto de husillo de bolas en aplicaciones que van desde bombas de fluidos de pequeños laboratorios a grandes pórticos aéreos y maquinarias de alto rendimiento.
Conceptos básicos sobre los husillos de bolas
Un conjunto de husillo de bolas se compone de un husillo y una tuerca con rodamientos de bolas recirculantes. La conexión entre el husillo y la tuerca se realiza a través de bolas que ruedan en ranuras de forma adecuada dentro de la tuerca y el eje del husillo. Esto distribuye las fuerzas sobre varios rodamientos, lo cual le otorga una carga relativamente baja a cada bola y un bajo coeficiente de fricción, que contribuye a la capacidad de una operación a mayor velocidad (Figura 1).
Figura 1. Los husillos de bolas tienen un coeficiente de fricción bajo porque la carga se distribuye entre varios rodamientos que recirculan mientras el eje gira.
El husillo y la tuerca suelen tener límites máximos de RPM únicos; por lo tanto, para seleccionar los conjuntos de husillos de bolas más efectivos se debe prestar atención a ambas partes.
Las características del diseño del husillo de bolas limitan la RPM máxima
Las principales características del diseño del eje de husillo que impactan sobre la RPM máxima son el montaje del extremo, el husillo de rosca y el diámetro del husillo.
Todos los husillos de bolas tienen una frecuencia natural a la que vibran excesivamente y que se conoce como velocidad crítica. Cuando la velocidad de la aplicación se alinea con la velocidad crítica, el husillo vibra en armonía (Figura 2). Los desequilibrios inherentes al husillo, luego, resuenan con él, y esto causa flexión, curvaturas, y vibración en exceso, y muchas veces, fallas.
Figura 2. El eje del husillo puede vibrar cuando gira a una velocidad RPM elevada.
Montaje del extremo
Las opciones de montaje incluyen las siguientes: se puede fijar en un extremo en un rodamiento de empuje, se puede apoyar en ambos extremos en rodamientos flotantes, se puede fijar en un extremo y apoyar en el otro en un rodamiento flotante, o bien, se puede fijar en ambos extremos en rodamientos de empuje. Las mayores velocidades de alcanzan cuando los husillos de bolas se fijan en ambos extremos. Los extremos fijos resisten cargas de momentos con flexión, de modo que el husillo de bolas intenta permanecer perpendicular a los planos del rodamiento de apoyo.
La fijación en ambos extremos, sin embargo, puede ser más costosa y difícil de instalar que las otras opciones de montaje. Cuando se fija en ambos extremos, la distancia entre los bloques de apoyo no se puede ajustar y puede hacer que alinear los orificios de montaje sea un desafío.
Avance del husillo
Un mayor avance aumentará la velocidad lineal al mover la tuerca a lo largo del husillo más rápido, asumiendo una velocidad de entrada constante. Cuando se comparan dos husillos con avances diferentes de una velocidad lineal constante, el mayor avance disminuirá la velocidad de entrada del motor. Sin embargo, un mayor avance aumenta el par necesario para girar los husillos.
Diámetro del husillo
Los husillos con mayor diámetro aumentan la capacidad de carga y la calificación RPM máxima. Los husillos largos de menor diámetro tendrán una menor RPM. Con el mismo avance, los husillos de mayor diámetro tendrán una mayor calificación de velocidad.
Las características de la tuerca de bolas limitan la RPM máxima
La RPM máxima de la tuerca de bolas está limitada por la velocidad de los rodamientos de las bolas circulando por la tuerca de bolas. Superar la velocidad angular máxima de la tuerca de bolas puede causarles daños permanentes a los componentes de recirculación. Los rodamientos de bolas se pueden salir o atascar el sistema de retorno y generar, como consecuencia, una falla completa de la unidad.
Hay tres tipos principales de sistemas de retorno: interno, botón y externo (Figura 3). El objetivo de los retornos es proporcionar recirculación de los rodamientos de bolas en la tuerca. El diseño del sistema de retorno tiene un efecto sobre los límites de velocidad de la tuerca. Los sistemas de retorno externos suelen utilizar una uña más pequeña que se extiende hasta la ranura de la bola para desviar a esta hacia el recorrido de retorno. A mayor velocidad, esta uña se puede doblar del rodamiento de bolas, golpearlo y, eventualmente, romperlo. Los diseños de botón e internos, por lo general, son más robustos y pueden operar a una mayor velocidad en comparación con el sistema de retorno externo.
Figura 3. Una comparación de los sistemas de bolas de retorno (de derecha a izquierda): interno, botón y externo.
Conclusión
Un sistema optimizado en función de la velocidad requerirá lo siguiente:
- Apoyos en los extremos fijos para el montaje del husillo
- Mayores avances para aumentar la velocidad lineal
- Husillos con mayor diámetro para aumentar la capacidad de carga y la calificación RPM
- Sistema interno de retorno para tuercas de bolas
Sin embargo, hay muchos otros factores en juego, como características de carga, precisión de posicionamiento, repetibilidad, expectativa de vida útil requerida, limitaciones de dimensión, requisitos de alimentación, condiciones ambientales y presupuesto disponible.
El impacto de la mayoría de los factores que afectan la velocidad se puede calcular. Los fabricantes de husillos de bolas suelen recomendar velocidades máximas recomendadas para sus productos y ofrecen herramientas que le serán de ayuda para dimensionar con precisión las compensaciones físicas.
La velocidad máxima para un husillo de 1” de diámetro como este variará mucho en función de la longitud (desde 2938 RPM a 36” y 184 RPM a 144” (calificado a un 80 % de su velocidad crítica, apoyos simples). Los valores se pueden consultar en el Machinery Handbook (manual de maquinaria). La imagen es cortesía de Motion Industries.