ES2325818T3 - Conjunto de cojinetes para soportar un eje de transmision en un alojamiento. - Google Patents
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Abstract
Conjunto (1) de cojinetes para soportar un árbol (2) de transmisión en un alojamiento (3), que comprende un cojinete (5) flotante en dirección axial y un par de cojinetes (7, 8) de contacto angular que sitúan al árbol (2) en contra del movimiento (AA'') en dirección axial, por lo que el árbol (2) está sometido a fuerzas (Frad, Fax) de carga radial y/o axial, caracterizado porque el alojamiento (2) está adaptado para obtener la rigidez deseada para cada uno de los dos cojinetes (7, 8) de contacto angular, por lo que se induce una distribución de carga entre dichos dos cojinetes (7, 8), estando fijado uno de los cojinetes (7, 8) de contacto angular en una parte del alojamiento que presenta una región (26) que está hecha de manera más flexible que el resto del alojamiento y presentando los cojinetes (7, 8) de contacto angular ángulos (B, C) de contacto diferentes.
Description
Conjunto de cojinetes para soportar un eje de
transmisión en un alojamiento.
La presente invención se refiere a un conjunto
de cojinetes para soportar un árbol de transmisión en un
alojamiento.
Más específicamente, la presente invención se
refiere a un conjunto de cojinetes para soportar un árbol de
transmisión en un alojamiento del denominado tipo hiperestático,
que comprende, por un lado, un cojinete flotante en dirección
axial, por ejemplo, un cojinete cilíndrico del tipo NU que no
presenta rebordes en el anillo de cojinete interno y, por otro lado,
un par de cojinetes de contacto angular, por ejemplo, un par de
cojinetes de rodillos de sección decreciente, que sitúan al árbol
en contra del movimiento en dirección axial, por lo que además el
árbol está sometido a fuerzas de carga radial y/o axial. Un
conjunto de cojinetes genérico de este tipo se conoce a partir del
documento EP-A-1 342 570.
Se sabe que un conjunto de cojinetes de este
tipo en el que un árbol está situado en ambas direcciones axiales
en un extremo, no estando retenido en la dirección axial en el otro
extremo, tiene la ventaja de que evita el apretamiento de los
elementos de rodadura y mayores tensiones en los cojinetes a causa
de la expansión térmica axial del árbol durante el
funcionamiento.
Además, se sabe que un árbol soportado por un
conjunto de cojinetes de este tipo puede montarse y desmontarse
fácilmente en un alojamiento ya que el árbol puede deslizarse
dentro y fuera del cojinete flotante en dirección axial sin
necesidad de un montaje o desmontaje total de dicho cojinete.
Por este motivo, el cojinete flotante en
dirección axial puede colocarse en la posición más remota con
respecto a la abertura del alojamiento a través de la cual dicho
árbol se introduce en el alojamiento.
Sin embargo, los diseños conocidos de conjuntos
de cojinetes hiperestático del tipo descrito anteriormente también
presentan algunas desventajas, ya que las fuerzas de carga en el
par de cojinetes de contacto angular están distribuidas de una
manera muy desigual, por lo que un cojinete de contacto angular
recibe casi todas las fuerzas de carga radial y axial cuando el
árbol gira en un primer sentido, mientras que el otro cojinete
recibe todas las fuerzas de carga radial y axial cuando el árbol
gira en el sentido opuesto.
Esta desventaja es la más importante en el caso
de un árbol soportado que gire la mayor parte del tiempo en un solo
sentido y de manera muy excepcional en el sentido opuesto, lo que
es el caso, por ejemplo, de un árbol que está conectado al rotor de
una turbina eólica.
Dicho de otro modo, dependiendo del sentido de
rotación del árbol, el primer o el segundo cojinete de contacto
angular del par no estará sometido o casi no estará sometido a las
fuerzas de carga durante la rotación del árbol.
Por lo tanto, en caso de que el árbol gire
principalmente en un solo sentido de rotación, existiendo por tanto
una componente de carga axial sustancial debido a, por ejemplo, la
interacción entre engranajes helicoidales, habrá un cojinete que la
mayor parte del tiempo no esté cargado, de manera que los costes
relacionados con este cojinete no pueden justificarse.
Además, puesto que dicho cojinete no está
sometido o casi no está sometido a fuerzas de carga, hay un gran
riesgo de que se deslicen los elementos de rodadura de dicho
cojinete, lo que da como resultado un daño prematuro del
cojinete.
Para árboles que giren a altas velocidades, como
por ejemplo el árbol de alta velocidad de la caja de cambios de una
turbina eólica donde no se aplica ninguna carga sustancial, es
incluso más probable que se produzca tal deslizamiento de los
elementos de rodadura.
En algunos conjuntos de cojinetes conocidos
dicho problema se soluciona añadiendo resortes, etc. que ejerzan
siempre una determina fuerza de precarga en el cojinete menos
cargado.
Sin embargo, con el fin de permitir que los
resortes funcionen correctamente, el anillo externo del cojinete
que casi nunca está sometido a ninguna carga y que está precargado
por los resortes requiere moverse libremente en la dirección axial,
lo que contradice la función de soporte de dicho cojinete en caso
de condiciones de carga inversas.
Además, la fabricación y el ensamblado de tales
conjuntos de cojinetes con resortes son mucho más complejos.
Otra desventaja de los conjuntos de cojinetes
conocidos es que ambos cojinetes de sección decreciente del par
están sometidos, dependiendo del sentido de rotación del árbol, a
todas o a casi todas las fuerzas de carga, lo que requiere que los
cojinetes estén sobredimensionados.
Por supuesto, esto también tiene consecuencias
negativas para el precio de coste de tales conjuntos de cojinetes
conocidos.
La presente invención tiene como objetivo un
conjunto de cojinetes, por ejemplo un conjunto de cojinetes
utilizado en una turbina eólica, que no muestre una o más de las
desventajas anteriores u otras desventajas.
Para este fin, la invención se refiere a un
conjunto de cojinetes del tipo descrito anteriormente, en el que el
alojamiento está adaptado para obtener la rigidez deseada para cada
uno de los dos cojinetes de contacto angular, por lo que se induce
una distribución de carga entre dichos dos cojinetes, estando
fijado uno de los cojinetes de contacto angular en una parte del
alojamiento que presenta una región que está hecha de manera más
flexible que el resto del alojamiento y presentando los cojinetes
de contacto angular diferentes ángulos de contacto.
Una ventaja importante de un conjunto de
cojinetes de este tipo según la presente invención es que ambos
cojinetes de contacto angular están sometidos a fuerzas de carga,
de manera que se obtiene una distribución de carga más equitativa
en los cojinetes permitiendo un dimensionamiento más pequeño de los
cojinetes, lo que hace que el conjunto de cojinetes sea más
económico y más compacto.
Otra ventaja de un conjunto de cojinetes de este
tipo es que difundiendo las cargas en ambos cojinetes de contacto
angular no hay peligro de que se deslicen los elementos de rodadura
en uno de los cojinetes de contacto angular, de manera que se
garantiza la vida útil esperada de los cojinetes.
Estas ventajas son de particular interés para
árboles que giren la mayor parte del tiempo en un solo sentido de
rotación y a altas velocidades, como es por ejemplo el caso de los
árboles de gran velocidad de las cajas de cambio de las turbinas
eólicas.
Según una realización preferida de un conjunto
de cojinetes según la presente invención, al menos uno de los
cojinetes de contacto angular está fijado en el alojamiento de
manera que transmite principalmente fuerzas de carga axial desde el
árbol hasta el alojamiento y una parte mínima de las fuerzas de
carga radial, denominándose este cojinete de contacto angular como
el cojinete axial y denominándose el otro cojinete de contacto
angular como el cojinete radial.
Una ventaja de un conjunto de cojinetes de este
tipo según esta realización es que, puesto que el árbol gira en un
determinado sentido de rotación, el cojinete axial transmite
principalmente fuerzas de carga axial al alojamiento, mientras que
el cojinete radial trasmite principalmente fuerzas de carga radial,
de manera que pueden elegirse los cojinetes de contacto angular con
una geometría diferente que estén mejor adaptados para transmitir
fuerzas de carga principalmente radial o principalmente axial.
Según otra realización preferida de un conjunto
de cojinetes según la presente invención, el cojinete axial está
fijado en una parte del alojamiento que es rígida en al menos una
dirección axial pero relativamente flexible en dirección
radial.
Una ventaja de un conjunto de cojinetes de este
tipo según esta realización es que puede realizarse fácilmente la
división de las fuerzas de carga en fuerzas de carga radial y axial
que se transmiten al alojamiento respectivamente a través del
cojinete de contacto angular radial y del cojinete de contacto
angular axial.
Con el fin de mostrar mejor las características
de la invención como un ejemplo sin ningún carácter restrictivo, a
continuación se describirán algunas formas de realización
preferidas de un conjunto de cojinetes según la presente invención
para soportar un árbol de transmisión en un alojamiento, con
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 representa una sección transversal
de un conjunto de cojinetes según la presente invención;
las figuras 2 y 3 representan vistas según la
figura 1 de otras realizaciones de un conjunto de cojinetes según
la presente invención; y
la figura 4 es una representación más
esquemática de un conjunto de cojinetes según la presente
invención; y,
las figuras 5 a 8 representan esquemáticamente
realizaciones alternativas de la presente invención.
El conjunto 1 de cojinetes representado en la
figura 1 está destinado a soportar un árbol 2 de transmisión en un
alojamiento 3 y comprende, en un extremo 4 axial del árbol 2, un
cojinete 5 flotante en dirección axial y, cerca del otro extremo 6
axial del árbol 2, un par de cojinetes de contacto angular, en
particular un par de cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección
decreciente, que sitúan al árbol 2 en contra del movimiento en
dirección AA' axial.
Entre el cojinete 5 flotante en dirección axial
y el par de cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección decreciente, el
árbol 2 está dotado de un engranaje en forma de un engranaje 9 de
piñón para recibir el par motor de otro engranaje 10 que está
fijado en otro árbol paralelo (no representado en la figura 1).
El engranaje 10 puede accionarse, por ejemplo,
mediante las paletas del rotor de una turbina eólica, por lo que la
rotación a baja velocidad de las paletas del rotor se transforma en
una rotación a alta velocidad del árbol 2, por ejemplo en una fase
de engranaje planetario.
El árbol 2 puede estar destinado, por ejemplo, a
conectarse a un generador eléctrico en su extremo 6 axial.
La interacción entre los dos engranajes 9 y 10
introduce varias fuerzas de carga que pueden dividirse en tres
componentes.
En primer lugar, hay, en efecto, una componente
F_{tan} de fuerza tangencial para transmitir par motor, que se
dirige de manera tangencial hacia la circunferencia de los
engranajes 9 y 10 por lo que, en este caso, dicha fuerza F_{tan}
tangencial se aleja del observador, indicado en la figura 1 de
manera convencional mediante un círculo y una cruz de pequeño
tamaño, pero esta fuerza F_{tan} de carga también puede dirigirse
hacia el observador, por ejemplo en caso de que el engranaje 10
esté girando en el sentido de rotación opuesto.
En segundo lugar, el árbol 2 está sometido a una
fuerza F_{rad} radial dirigida de manera normal al eje AA' de
rotación y hacia dicho eje AA' de rotación.
Finalmente, el árbol 2 también está sometido a
una componente F_{ax} axial dirigida en una dirección paralela al
eje AA' de rotación y, en este caso, hacia el par de cojinetes 7 y
8 de rodillos de sección decreciente.
La fuerza F_{ax} de carga axial es normalmente
significativa cuando se aplica el dentado helicoidal en los
engranajes 9 y 10, por lo que el sentido de rotación de los
engranajes 9 y 10, la forma del dentado helicoidal, así como la
condición de si el engranaje 9 acciona al engranaje 10 o si se
acciona mediante el engranaje 10 determinan si esta componente
F_{ax} axial se dirige hacia o se aleja del par de cojinetes 7 y
8 de rodillos de sección decreciente.
Sin embargo, en la situación de la figura 1, se
supone que las condiciones son tales que la mayor parte del tiempo
la fuerza F_{ax} de carga axial se dirige hacia el par de
cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección decreciente.
Con el fin de mantener al árbol 2 en su sitio,
los cojinetes 5, 7 y 8 tienen que equilibrar las fuerzas F_{rad}
y F_{ax} de carga en el árbol 2 mediante la interacción con el
alojamiento 3.
El cojinete 5 flotante en dirección axial es, en
el caso de la figura 1, un cojinete 5 de rodillos cilíndricos del
tipo NU que presenta rebordes 11 en el anillo 12 de cojinete
externo pero que no presenta ningún reborde en el anillo 13 de
cojinete interno.
Por consiguiente, este cojinete 5 cilíndrico no
permite la transmisión de las fuerzas F_{ax} de carga axial desde
el árbol 2 al alojamiento 3, de manera que el árbol 2 puede
realizar cualquier movimiento en la dirección AA' axial en el
extremo 4 axial del árbol 2.
Los cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección
decreciente proporcionan la colocación axial del árbol 2, por lo
que los anillos 14 de cojinete externos de estos cojinetes 7 y 8 de
rodillos de sección decreciente están retenidos contra un saliente
15 del alojamiento 3 mediante topes 16 y 17 respectivamente en una
parte 18 de reborde exterior del alojamiento 3 y en un recubrimiento
19 de extremo del alojamiento 3, y por lo que los anillos 20 de
cojinete internos están retenidos contra un saliente 21 del árbol 2
mediante un anillo distanciador 22 y una tuerca 23.
El par de cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección
decreciente está montado, en el caso de la figura 1, en una
configuración denominada espalda con espalda (back to back)
o configuración en X.
Esto significa que las partes 24 superiores de
los conos de presión formados mediante las líneas 25 de presión a
través de las cuales los cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección
decreciente trasmiten fuerzas de carga desde el árbol 2 hasta el
alojamiento 3, convergen entre sí.
Una ventaja del conjunto 1 de cojinetes descrito
anteriormente, que es ampliamente conocida, es que el árbol 2 puede
realizar un movimiento axial en un extremo 4 axial, de manera que
no se produce ningún problema relacionado con una mayor tensión en
los cojinetes 5, 7 y 8 cuando el árbol 2 se expande en una
dirección AA' axial, por ejemplo debido a un calentamiento térmico,
ya que el extremo 4 tiene un grado de libertad en la dirección AA'
axial del árbol 2.
Sin embargo, una primera particularidad de la
presente invención es que el cojinete 8 de rodillos de sección
decreciente, que en lo sucesivo se denominará como cojinete 8
axial, está fijado en una parte 18 del alojamiento 3 que es
relativamente rígida en la dirección AA' axial, dirección en la que
se ejercen las principales fuerzas de carga axial, pero que es
relativamente flexible en la dirección RR' radial.
Por consiguiente, dicho cojinete 8 axial
transmite principalmente fuerzas F_{ax} de carga axial desde el
árbol 2 al alojamiento 3 y una parte mínima de las fuerzas
F_{rad} de carga radial.
Sin embargo, el otro cojinete 7 de rodillos de
sección decreciente, que en lo sucesivo se denominará como cojinete
7 radial, puede transmitir tales fuerzas F_{rad} de carga
radial.
Con el fin de obtener las diferencias
mencionadas anteriormente en la rigidez de la parte 18 del
alojamiento 3, una región 26 de la parte 18 implicada puede
hacerse, por ejemplo, más flexible que el resto 27 del alojamiento
3, por lo que preferentemente dicha región 26 es anular para ser
independiente de las componentes de fuerza de carga radial y
situarse entre los cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección
decreciente. En el caso de la figura 1, la parte 18 del alojamiento
3 que soporta al cojinete 8 axial está formada como una parte 18 de
reborde independiente del alojamiento 3, que está fijada al
alojamiento mediante pernos 28, que se proyecta hacia fuera desde
el resto del alojamiento 3 y que está sellada por el recubrimiento
19 mencionado anteriormente mediante pernos 29.
La flexibilidad de la parte 18 se obtiene en
este caso haciendo el reborde 18 algo más delgado en una región 26
angular del alojamiento 3 entre los cojinetes 7 y 8 de rodillos de
sección decreciente en lugar de en otra parte.
Sin embargo, según la presente invención es
posible obtener el mismo resultado por otros medios, por ejemplo
usando diferentes tipos de materiales para las diferentes partes 26
y 27 del alojamiento con la característica de ser, respectivamente,
más flexible y más rígida en la dirección AA' axial.
Una alternativa adicional es proporcionar un
cierto perfilado al reborde 18, por lo que dicha región 26 que está
hecha de manera más flexible sólo está perfilada localmente para
obtener una rigidez reducida con respecto a las partes 18 y 27 de
alojamiento circundantes.
Otra particularidad de un conjunto 1 de
cojinetes según la presente invención, es que el cojinete 7 radial
y el cojinete 8 axial tienen ángulos de contacto diferentes,
respectivamente B y C, ángulo de contacto que se refiere al ángulo
entre una línea 25 recta normal al anillo 30 guía de cojinete
exterior y una línea 31 recta paralela al plano de rotación.
Más específicamente, el ángulo B de contacto del
cojinete 7 radial es más pequeño que el ángulo C de contacto del
cojinete 8 axial.
Además, en la configuración de la figura 1, el
cojinete 7 radial está situado preferentemente más cerca del
engranaje 9 que del cojinete 8 axial.
El funcionamiento de un conjunto 1 de cojinetes
según la invención es sencillo y se describe a continuación.
Puesto que la región 26 de la parte 18 de
reborde exterior del alojamiento 3 está hecha de manera
relativamente flexible en la dirección RR' radial, el cojinete 8
axial no puede, o puede de manera limitada, transmitir fuerzas
F_{rad} de carga radial al alojamiento 3.
Esto significa que principalmente toda la fuerza
F_{rad} de carga radial se transmite al alojamiento 3 mediante el
cojinete 5 cilíndrico y el cojinete 7 radial.
Por otro lado, debido a la rigidez de la parte
18 de reborde del alojamiento 3 en la dirección axial, las fuerzas
F_{ax} de carga axial se transmiten al alojamiento a través del
cojinete 8 axial.
Por lo tanto, en realidad, hay dos trayectorias
de flujo de fuerza sustancialmente independientes para la
transmisión de las fuerzas F_{rad} y F_{ax} de carga desde el
árbol 2 al alojamiento 3 a través del par de cojinetes 7 y 8 de
rodillos de sección decreciente, por lo que la primera trayectoria
de flujo de fuerza se extiende desde el árbol 2 hasta el
alojamiento 3 a través de uno de los cojinetes de rodillos de
sección decreciente, en particular el cojinete 8 axial,
sustancialmente sólo para la transmisión de fuerzas F_{ax} de
carga axial, mientras que la segunda trayectoria de flujo de fuerza
se extiende desde el árbol 2 hasta el alojamiento 3 a través del
otro cojinete de rodillos de sección decreciente, en particular el
cojinete 7 radial, sustancialmente sólo para la transmisión de
fuerzas F_{rad} de carga radial.
Es obvio que un conjunto 1 de cojinetes de este
tipo es ventajoso sobre los conjuntos de cojinetes hiperestáticos
conocidos, ya que las fuerzas F_{rad} y F_{ax} de carga se
distribuyen entre el par de cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección
decreciente, mientras que en los conjuntos de cojinetes conocidos
sólo uno de los cojinetes de rodillos de sección decreciente recibe
toda la carga o casi toda la carga.
Por consiguiente, los cojinetes 7 y 8 de
rodillos de sección decreciente pueden tener dimensiones más
pequeñas, lo que es ventajoso para el precio de coste del conjunto
1 de cojinetes, así como para el espacio requerido para montar un
conjunto 1 de cojinetes de este tipo y, por tanto, para la
compacidad del conjunto 1 de cojinetes.
Además, resulta evidente que se evita el
deslizamiento en el cojinete 7 radial ya que este cojinete
transmite fuerza F_{rad} de carga radial al alojamiento 3, de
manera que los elementos de rodadura se ven obligados a girar.
Por consiguiente, la vida útil de un conjunto 1
de cojinetes según la presente invención mejora con respecto a los
conjuntos de cojinetes conocidos.
Resulta evidente que estas ventajas son
particularmente importantes para las unidades de engranaje en las
que el árbol 2 está la mayor parte del tiempo girando a altas
velocidades y a bajas cargas de par motor y en el mismo sentido de
rotación, como por ejemplo es el caso cuando el árbol 2 es un árbol
2 de alta velocidad de la caja de cambios de una turbina eólica.
Un conjunto 1 de cojinetes según la invención
también es ventajoso para montar y desmontar fácilmente el árbol
2.
Simplemente, aflojando los pernos 28 y 29 pueden
desmontarse los cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección decreciente,
así como el árbol 2, y el montaje del árbol 2 es tan sencillo como
realizar lo mismo en el orden inverso.
El ángulo C de contacto del cojinete 8 axial es
más pequeño que el ángulo B de contacto del cojinete 7 radial ya
que permite una mejor transmisión de las fuerzas F_{ax} de carga
axial al alojamiento 3.
Un conjunto 1 de cojinetes según la figura 1, en
el que el cojinete 7 radial está más cerca del engranaje 9 de piñón
que del cojinete 8 axial también tiene la ventaja de que el
cojinete 8 axial está menos influenciado por las fuerzas F_{rad}
de carga radial, de manera que es más fácil formar una parte 18 de
alojamiento que sea lo bastante flexible en la dirección RR' radial
con el fin de impedir la transmisión de fuerzas F_{rad} radiales
al alojamiento 3 a través del cojinete 8 axial.
Según la presente invención, varios parámetros
se ajustan preferentemente entre sí para optimizar la distribución
de carga entre los cojinetes 7 y 8.
Estos parámetros son, por ejemplo:
- -
- la rigidez del alojamiento 3;
- -
- la proporción F_{ax}/F_{rad} en el conjunto;
- -
- la posición relativa axial del engranaje con respecto a los cojinetes flotantes y no flotantes;
- -
- los ángulos B y C de contacto de los cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección decreciente; y,
- -
- los huelgos y la precarga en los cojinetes 7 y 8 en situación estática y en funcionamiento.
La presente invención no está limitada a la
realización de la figura 1.
En la figura 2, por ejemplo, se representa otra
realización de un conjunto 1 de cojinetes según la presente
invención, en la que el par de cojinetes 7 y 8 de rodillos de
sección decreciente está montado en una denominada configuración
cara a cara (face to face) o configuración en O.
Esto significa que las partes 24 superiores de
los conos de presión formados por las líneas 25 de presión a través
de las cuales los cojinetes 7 y 8 de rodillos de sección
decreciente transmiten fuerzas de carga desde el árbol 2 al
alojamiento 3 divergen entre sí.
Un conjunto 1 de cojinetes de este tipo según
esta realización es particularmente interesante en caso de que el
árbol 2 esté sometido a una fuerza F_{ax} de carga axial dirigida
hacia el cojinete 5 cilíndrico.
En ese caso, el cojinete 7 radial todavía está
situado más cerca del engranaje 9 de piñón, por lo que la parte 24
superior del cono de presión del cojinete 7 radial está cerca del
engranaje 9 de piñón, de manera que se obtiene un conjunto 1 de
cojinetes más rígido y las fuerzas F_{rad} de carga radial se
transmiten fácilmente al alojamiento 3 mediante dicho cojinete 7
radial.
Otra realización de un conjunto 1 de cojinetes
según la presente invención se representa en la figura 3, en la que
la parte 18 de reborde del alojamiento se proyecta hacia el
interior del resto del alojamiento 27.
Aunque las figuras 1 a 4 representan
realizaciones de la invención en las que los cojinetes 7 y 8 de
contacto angular están en un lado 6 del engranaje 9, mientras que
el cojinete 5 flotante en dirección axial está situado en el otro
lado 4 del engranaje 9, también es posible aplicar la invención a
conjuntos de cojinetes del denominado tipo en voladizo, en los que
los cojinetes 7 y 8 de contacto angular así como el cojinete 5
flotante en dirección axial están situados en el mismo lado del
engranaje 9. En las figuras 5 a 8 se representan algunas
configuraciones de tales conjuntos de cojinetes del tipo en
voladizo, en las que un árbol 2 está soportado en un lado de un
engranaje 9 mediante un cojinete 7 radial, un cojinete 8 axial y un
cojinete 5 flotante en dirección axial.
A partir de esas figuras resulta evidente que no
hay en absoluto ninguna restricción en lo que se respecta a la
disposición particular de los cojinetes 7, 8 y 9.
Finalmente, la invención también puede
describirse en términos más generales tal y como sigue.
La invención se refiere a un conjunto de
cojinetes del tipo que comprende un par de superficies de cojinete
relativamente giratorias que presentan una pluralidad de elementos
giratorios interpuestos entre las mismas. La invención se refiere
en particular, pero no exclusivamente, al uso de un par de dichos
cojinetes en una caja de cambios, por ejemplo para soportar un
árbol de alta velocidad en la caja de cambios de una turbina
eólica.
Se proporciona una descripción de cómo puede
determinarse la distribución de carga manipulando la rigidez de las
diferentes trayectorias a través de las cuales actúan las fuerzas
de reacción de los cojinetes.
Esta descripción contiene una introducción
acerca de los principios de funcionamiento de un árbol de alta
velocidad en una caja de cambios de turbinas eólicas.
En la figura 4 se muestra la configuración de un
árbol de alta velocidad de este tipo. El árbol 2 presenta un
engranaje 9 de piñón que introduce tres fuerzas:
- -
- Fuerza 1 (F_{ax}), dirigida a lo largo del eje de rotación del árbol hacia los dos cojinetes derechos;
- -
- Fuerza 2 (F_{rad}), normal al eje de rotación del árbol;
- -
- Fuerza 3 (F_{tan}), tangencial a la circunferencia del engranaje.
El árbol está soportado, de manera axial y
radial, por tres cojinetes. El cojinete 5 izquierdo es,
normalmente, un cojinete de rodillos cilíndricos y sólo soporta
fuerzas de manera radial. Tanto el cojinete 7 central como el
cojinete 8 derecho son cojinetes de contacto angular (por ejemplo,
cojinetes de rodillos de sección decreciente). Estos cojinetes
pueden montarse en una configuración en X o en O.
A continuación se calcularán y se tratarán todos
los parámetros que influyen en la distribución de carga entre los
dos cojinetes de rodillos de sección decreciente.
- -
- Rigidez de las diferentes trayectorias de carga;
- -
- Ángulo de contacto del cojinete de contacto angular;
- -
- Juego en el diseño de los cojinetes.
Por tanto, el nuevo parámetro más relevante es
la rigidez relativa de las trayectorias de transferencia de carga
de los dos cojinetes de rodillos de sección decreciente. Esta
rigidez debe considerarse tanto de manera axial (K1, K4), como de
manera radial (K2, K3).
Manipulando la rigidez de la trayectoria de
carga radial del cojinete 7 y del cojinete 8, las cargas radiales
pueden repartirse de manera beneficiosa entre los dos cojinetes.
Esto inducirá una distribución de carga óptima entre los dos
cojinetes (7 y 8). Debido al contacto angular de los cojinetes
también se determinan fuerzas inducidas de manera axial.
Teniendo en cuenta todos los parámetros
implicados, puede conseguirse un diseño de cojinete óptimo dando
como resultado una vida útil óptima de los cojinetes.
Como ejemplo de una posible implementación, la
figura 1 muestra cómo los alojamientos de cojinete pueden adaptarse
para obtener la rigidez deseada para cada uno de los dos cojinetes
de rodillos de sección decreciente.
La distribución de carga entre los dos cojinetes
de rodillos de sección decreciente de la figura 1 puede
seleccionarse preferentemente, por ejemplo, usando un cojinete de
rodillos de sección decreciente que presente un tamaño y/o un
ángulo diferentes de los del otro cojinete de rodillos de sección
decreciente del par. De manera adicional o como alternativa, la
distribución de carga puede seleccionarse preferentemente diseñando
la estructura de soporte, normalmente la estructura de soporte
radialmente exterior, para cada cojinete, proporcionando a un
cojinete un soporte axial/radial más rígido que el proporcionado al
otro cojinete del par. Ejemplos de la manera en la que puede
proporcionarse las características requeridas a la estructura de
soporte incluyen una selección preferente del grosor y la
flexibilidad de pared de la estructura de soporte.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante es sólo para la comodidad del lector. No forma parte
del documento de patente europea. Aunque se ha tomado especial
cuidado en la compilación de las referencias, no se pueden excluir
errores u omisiones y la OEP rechaza toda responsabilidad a este
respecto.
\bullet EP 1342570 A [0002]
Claims (17)
1. Conjunto (1) de cojinetes para soportar un
árbol (2) de transmisión en un alojamiento (3), que comprende un
cojinete (5) flotante en dirección axial y un par de cojinetes (7,
8) de contacto angular que sitúan al árbol (2) en contra del
movimiento (AA') en dirección axial, por lo que el árbol (2) está
sometido a fuerzas (F_{rad}, F_{ax}) de carga radial y/o axial,
caracterizado porque el alojamiento (2) está adaptado para
obtener la rigidez deseada para cada uno de los dos cojinetes (7,
8) de contacto angular, por lo que se induce una distribución de
carga entre dichos dos cojinetes (7, 8), estando fijado uno de los
cojinetes (7, 8) de contacto angular en una parte del alojamiento
que presenta una región (26) que está hecha de manera más flexible
que el resto del alojamiento y presentando los cojinetes (7, 8) de
contacto angular ángulos (B, C) de contacto diferentes.
2. Conjunto de cojinetes según la reivindicación
1, caracterizado porque la rigidez del alojamiento (3) está
adaptada localmente de manera que uno de los cojinetes (8) de
contacto angular transmite principalmente fuerzas (F_{ax}) de
carga axial desde el árbol (2) hasta el alojamiento (3) y una parte
mínima de las fuerzas (F_{rad}) de carga radial, denominándose
este cojinete (8) de contacto angular como el cojinete (8) axial y
denominándose el otro cojinete (7) de contacto angular como el
cojinete (7) radial.
3. Conjunto de cojinetes según la reivindicación
2, caracterizado porque el cojinete (8) axial está fijado en
una parte (18) del alojamiento que es rígida en al menos la
dirección (AA') axial en la que se ejercen las principales fuerzas
de carga axial, pero que es relativamente flexible en la dirección
(RR') radial.
4. Conjunto de cojinetes según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
región (26) que está hecha de manera más flexible es anular para ser
independiente de las componentes de fuerza de carga radial.
5. Conjunto de cojinetes según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicha región
(26) que está hecha de manera más flexible está perfilada
localmente para obtener una menor rigidez con respecto a las partes
(18, 27) de alojamiento circundantes.
6. Conjunto de cojinetes según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la región
(26) que está hecha de manera más flexible está situada entre los
cojinetes (7, 8) de contacto angular.
7. Conjunto de cojinetes según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque la parte (18)
del alojamiento (3) que soporta al cojinete (8) axial se proyecta
hacia fuera desde el resto del alojamiento (27).
8. Conjunto de cojinetes según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque la parte (18)
del alojamiento (3) que soporta al cojinete (8) axial se proyecta
hacia el interior del resto del alojamiento (27).
9. Conjunto de cojinetes según cualquiera de las
reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque la parte (18)
del alojamiento (3) que soporta al cojinete (8) axial está formada
como una parte (18) de reborde independiente del alojamiento
(3).
10. Conjunto de cojinetes según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el par
de cojinetes (7, 8) de contacto angular está montado en una
denominada configuración cara a cara o configuración en O.
11. Conjunto de cojinetes según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el par de
cojinetes (7, 8) de contacto angular está montado en una denominada
configuración espalda con espalda o configuración en X.
12. Conjunto de cojinetes según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
ángulo (B) de contacto del cojinete (7) radial es más pequeño que
el ángulo (C) de contacto del cojinete (8) axial.
13. Conjunto de cojinetes según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
árbol (2) soporta al menos un engranaje (9).
14. Conjunto de cojinetes según la
reivindicación 13, caracterizado porque los cojinetes (7, 8)
de contacto angular están situados en un lado (6) de dicho
engranaje (9), mientras que el cojinete (5) flotante en dirección
axial está situado en el otro lado (4) del engranaje (9).
15. Conjunto de cojinetes según la
reivindicación 13, caracterizado porque los cojinetes (7, 8)
de contacto angular así como el cojinete (5) flotante en dirección
axial están situados en el mismo lado (4) del engranaje (9).
16. Conjunto de cojinetes según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
cojinete flotante en dirección axial es un cojinete de rodillos
cilíndricos que soporta al árbol permitiendo al mismo tiempo que el
árbol se mueva en ambas direcciones axiales.
17. Conjunto de cojinetes según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
cojinetes de contacto angular son cojinetes de rodillos de sección
decreciente.
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