Opiniones sobre los diseños de cojinetes para motores

Por Ing. Antonio J. Ciancio

A menudo en las conversaciones de taller vuelven a surgir ideas o pensamientos libres que pueden llevar a cambios espectaculares en el diseño de los motores. Muchas de ellas no pasan sin embargo del simple esbozo de un proyecto, pero siempre vale la pena analizar los pros y contras, a fin de dejarlos documentados. Una de esas ideas es que los cojinetes trimetálicos de producción actual son adoptados sólo como una herramienta para reducir costos, de diseño simple y ya muy trillado. Con ellos los fabricantes de motores dejarían de lado los potenciales beneficios de los cojinetes de agujas, como ser reducción de la fricción y “vida útil indefinidamente larga”. Se argumenta que hoy por hoy los altos regímenes de giro ya no son un limitante. En este punto yo debo decir que no conozco ningún motor grande, de producción comercial, con cojinetes de agujas.

Las excepciones son, sí, algunos motorcitos de modelos de avión, a los que sumaremos los motores de dos tiempos de motos pequeñas y aquel recordado DKW, ¡pero claro!, siempre se trata de cárteres presurizados, con lubricación por mezcla, o mejor dicho por niebla, de un solo paso. El consenso de los fabricantes de motores es que los cojinetes de agujas, al margen de las dificultades para su ensamble y para dar servicio después de alguna “fundida”, no dan la capacidad de carga o vida necesaria para los motores de hoy. Y en cuanto a los intentos de diseño se recuerda la experiencia hace unos años de Mercedes Benz, pero que no dieron el resultado esperado. Por cierto se utilizó encompetición y en ese segmento al Mercedes-Benz Grand Prix, W 196 2500/3000 (museo Fangio de Balcarce, Pcia de Bs As), el primero en usar inyección Bosch.

Ahora, Audi ha incluido cojinetes de agujas para los árboles de levas, una solución muy interesante ya que se coloca a los rodamientos fuera de las zonas de altas vibraciones e impactos. Este diseño puede evitar algunas fallas recurrentes que hemos visto en motores de servicio pesado cuando trabajan en un régimen constante: los mismos muñones del árbol de levas, estadísticamente, quedan bloqueando la entrada de aceite por los conductos de alimentación inferiores y se produce desgaste prematuro de los cojinetes planos.

 

Dónde poner el ojo

Los estudios y análisis de las pérdidas mecánicas en el vehículo y en el motor, han acaparado los esfuerzos de los fabricantes más importantes del mundo. De la misma manera, como socio estratégico en las cuestiones de Tribología, Mobil lleva a cabo tareas de Investigación y Desarrollo, volcando ingentes recursos para obtener resultados útiles y aprovechables dentro de los programas de las automotrices.

He aquí una construcción actual para cojinetes trimetálicos usados en motores diésel de servicio pesado.

 

Presentamos aquí un interesante resumen gráfico de las investigaciones de ExxonMobil. En él vemos que un 36% de las pérdidas mecánicas totales, 17% en este caso, corresponden a los cojinetes.

 

El aceite contribuye a la Economía de Combustible. Si se usa un sintético PAO, como en Mobil 1, por sus propiedades reológicas esos valores pueden llegar a un 4-5%. Además la reducción de fricción se traduce en una disminución de la temperatura en 15 °C, aproximadamente. Con ello se logra una vida mucho más larga de los cojinetes, cuyos materiales tienen bajo punto de fusión.

 

Repasemos funciones

 

Capacidad de carga, en un rango de temperaturas muy amplio (casos típicos arranque a -15°C y funcionamiento a plena carga con 150°C): Uno de los desafíos más importantes en el diseño de un rodamiento es justamente el rango de temperaturas que puede manejar y la consiguiente selección de los huelgos. Para esta amplitud es imposible fijar esos huelgos con todas las piezas de acero, con el mismo coeficiente de dilatación. Para tener una idea del esfuerzo de los materiales, pensemos que un cojinete plano trimetálico, suele calcularse en base a 60-70 N/mm2 para motores diésel (con un buen factor de seguridad frente al límite a la fatiga, de los baabits o aleaciones en general). Esta es la carga proyectada teniendo en cuenta la presión de pico, cuidado que hoy con un pistón Monosteel y presiones de inyección acordes se puede llegar a 250 bar de presión media efectiva, ¡flor de patada de mula! En un cojinete de rodillos o agujas es muy fácil encontrarse con presiones hertzianas del orden de 22000 Kgr/cm2, por eso se eligen materiales de tan alta dureza.  Eso sí, todo material muy duro (aprox. 60 Rockwell C) tiende a ser frágil ante cargas de impacto, las cuales son moneda corriente dentro del motor- No me puedo imaginar lo que sería definir una vida L10 para este caso. Recordemos que todos los métodos de cálculo conocidos nos refieren a cargas constantes, y los impactos y vibraciones se tienen en cuenta con factores empíricos. La instalación de agujas directamente en el lugar de los cojinetes principales es un desafío. Los cojinetes trimetálicos acomodan su respaldo de acero en la fundición nodular del block. Ahora la tendencia nos lleva a los diseños con Compressed Graphite Iron, más resistente y rígido, y ni que hablar de los blocks de aluminio. Siempre tendremos una dureza incapaz de soportar el paso eventual de las agujas del rodamiento: y es muy difícil montar una cubeta externa, por ejemplo partida, para esa posición.

 

Capacidad para absorber deformaciones normales en los motores: Una de las ventajas fundamentales de los cojinetes planos o simples es su CONFORMABILIDAD: es la característica del material de cojinete que le permite moverse muy lentamente para compensar cualquier desalineación, inevitable entre el eje y el cojinete. Los factores típicos que contribuyen a esa desalineación son: deformación del block, alabeo del cigüeñal y bielas dobladas o torcidas. En el caso de los rodamientos, obtener esta facilidad para absorber desviaciones/deformaciones involucra jugar con los huelgos, y se compromete así la capacidad de carga. Los cojinetes de agujas son letalmente sensibles a este efecto por las dimensiones relativas de los elementos rodantes. Los extremos quedan muy sobrecargados.

 

Capacidad para absorber vibraciones y cargas de impacto: Este aspecto es la clave del diseño de los baabits de los cojinetes planos en general. Podemos concebirlos como cubos de material duro que dan la resistencia del cojinete, y en una matriz blanda, que le da conformabilidad y capacidad para absorber impactos y vibraciones. Lamentablemente los cojinetes de agujas están en las antípodas en este aspecto, siendo muy sensibles a las cargas de impacto y vibraciones.

 

Capacidad para embeber a las partículas grandes y duras que pudieran quedar en el sistema: Se la puede denominar INCRUSTABILIDAD: facultad del material del cojinete para permitir que se incrusten en él partículas abrasivas, que en otras circunstancias podrían arañar al cigüeñal. Estas pasan por los filtros del motor y penetran en el juego (huelgo) entre el eje y el cojinete, en la cuña de aceite. Este aspecto se puede mejorar mucho con una buena filtración del aceite. Los rodamientos son muy sensibles a los contaminantes duros aún en tamaños de 5-10 micrones.

 

Partículas contaminantes y suciedad

Algunas de esas partículas provienen del proceso de fabricación. Otras son de suciedad y otras son productos de reacciones químicas como la oxidación. Sobre todo en los motores diésel, el hollín es un habitante inevitable.  El hollín generado en los motores de alta performance, con alta presión de inyección, es más fino, pero mucho más duro que el producido en motores tradicionales, y también están por supuesto las partículas generadas por el desgaste de los distintos componentes del motor.

Como una regla general, podemos decir que las que causarán la mayor parte del desgaste son las que tienen el tamaño del huelgo mínimo en cada cojinete en condiciones de operación. Una vez superado el período del arranque, en lubricación Hidrodinámica (ver gráfico) se obtiene un juego, separación entre el cojinete y el eje, y ya no es alta la sensibilidad a las partículas.

En cambio los rodamientos de aguja serán muy sensibles a todos los tamaños de partículas, ya que siempre hay lubricación de película muy fina, y el desgaste abrasivo será más generalizado.

 

Aquí vemos también la tremenda influencia del agua en la vida útil del rodamiento. En la operación normal con un 20% del tiempo en ralentí, fácilmente se esperan 1000 ppm de agua en el cárter. Es decir que un motor con estos rodamientos no duraría para siempre, como se argumentaba la “vida infinita” de los mismos.

 

Acidez

El ambiente ácido y contaminado del circuito de lubricación de un motor es francamente el menos deseado por un rodamiento de agujas, con contacto acero sobre acero, que lleva al permanente desprendimiento de micropartículas, fácilmente atacables por los ácidos, y es por eso que los fabricantes de experiencia, los más famosos del mundo, ya han quitado de sus agendas de trabajo este tipo de alternativas de rodamientos de agujas.

 

* Ingeniero Senior de Lubricación-Axion Energy / Mobil en Argentina. Investigador y Docente Asociado al Centro Argentino de Tribología Organo Técnico de la Cámara Arg de Lubricantes