Cojinete de fricción

Un cojinete de fricción sostiene un eje que gira dejándolo deslizar en un agujero bien ajustado, con grasa o aceite entre las superficies. En marcha, el eje puede flotar sobre una fina película de aceite sin tocar el cojinete. Los testimonios más antiguos proceden de los alfareros del periodo de El Obeid en Mesopotamia, cuyos tornos lentos giraban sobre una clavija en el V milenio a. C.

Qué es

Un cojinete de fricción mantiene un eje en su sitio y lo deja girar. La parte del eje que gira dentro del cojinete se llama muñón. Gira en un agujero apenas mayor, revestido de un material que desliza bien, y la grasa o el aceite llenan la estrecha holgura. Nada rueda: las superficies simplemente se deslizan una sobre otra, y en eso se distingue del rodamiento de bolas.

Los hay por todas partes. Una puerta que gira sobre un espigón metido en una quicialera de piedra tiene uno, igual que una rueda de carro que gira sobre su eje engrasado (rueda) o el cigüeñal de un motor que gira en sus cojinetes de bronce o de metal blanco.

En una chumacera de pedestal del siglo XIX, del tipo que sostenía los ejes de máquinas y molinos, un soporte de fundición va atornillado a una piedra, y un sombrerete se sujeta sobre él con dos pernos. Entre ambos se alojan dos semicasquillos de bronce revestidos de un metal blanco blando, y un engrasador situado arriba alimenta el muñón por un orificio. Como el cojinete se abre a la altura del eje, se pueden cambiar los casquillos gastados y apretar el sombrerete para compensar el desgaste.

Cómo funciona

El muñón en giro arrastra el aceite hacia la holgura que se estrecha, donde la presión sube lo bastante para sostener el eje.

El muñón necesita espacio para girar y una holgura para el lubricante. Para cojinetes revestidos de metal blanco, una guía de diseño da una holgura diametral de entre media y una milésima del diámetro, y una regla de taller habitual toma una milésima: un eje de 50 mm gira en un agujero unos 0,05 mm mayor. Con poca holgura, el cojinete se calienta. Con demasiada, baja la carga que puede soportar el aceite y el eje empieza a vibrar.

En reposo, el eje descansa en el fondo del cojinete, separado de él solo por una fina capa de lubricante adherida a las dos superficies. Al arrancar, las superficies rozan entre sí a través de esa capa. Al aumentar la velocidad, el muñón arrastra el aceite hacia la parte de la holgura que se estrecha hacia el lado cargado. El aceite no puede escapar con la rapidez necesaria, su presión sube y levanta el muñón, que queda flotando algo descentrado sobre una fina película de aceite. Desde ese momento, el único rozamiento que queda es la resistencia del aceite a ser cizallado.

El revestimiento es más blando que el eje a propósito. La guía de un fabricante de cojinetes describe el metal blanco, una aleación blanda de estaño con algo de antimonio y cobre, como la pieza que encaja los daños en lugar del eje, más caro: los granos pequeños de suciedad se hunden en él en vez de rayar el muñón. El bronce aguanta temperaturas más altas, pero admite peor la suciedad.

Cómo hacerlo

Dos cojinetes partidos de madera dura que sostienen una varilla de acero muestran cómo funcionan la holgura, la lubricación y el ajuste del desgaste. Gire la varilla solo a mano.

Hacer los tacos. Para cada cojinete, corte dos tacos de una madera dura de grano fino, como haya o roble, de unos 8 cm de largo, 5 cm de ancho y 3 cm de grosor, y cepille las caras que se van a juntar hasta que asienten bien planas. Ponga entre ellas una tira de cartulina fina como suplemento, apriete la pareja con fuerza en un tornillo de banco y taladre de lado a lado, a lo largo de la junta, un agujero del diámetro de la varilla, por ejemplo 12 mm. Marque cada pareja para volver a montarla igual.

Abrir el paso del aceite. En el taco de arriba, taladre un agujero pequeño desde lo alto hasta el alojamiento y abra con una lima redonda una ranura poco profunda a lo largo de la parte superior del alojamiento. Taladre dos agujeros a través de los dos tacos, uno a cada lado del alojamiento, para los pernos o tornillos largos que sujetarán el sombrerete.

Dos cojinetes de madera dura fijados a una tabla sostienen una varilla de acero que se gira con una manivela de madera.

Montar. Atornille los dos tacos inferiores a una tabla, alineados, coloque en ellos una varilla de acero lisa y atornille los sombreretes con los suplementos de cartulina puestos. Fije una manivela de madera en un extremo de la varilla.

Hacer la prueba. Gire la varilla en seco y fíjese en el esfuerzo y en el calor al cabo de un minuto. Después eche unas gotas de aceite de máquina fluido en cada orificio y vuelva a girar: va más suave y se calienta menos. Quite los suplementos y apriete los sombreretes poco a poco hasta que la varilla se frene, y luego afloje hasta que gire libre y sin traqueteo. Así se ajusta un cojinete gastado.

Historia y evolución

Una síntesis de EBSCO sobre la cultura de El Obeid, en Mesopotamia, describe su cerámica como hecha en un torno lento cuyo plato giraba sobre una clavija, y Alev Erarslan sitúa la llegada de este torno en la fase final del periodo, el Obeid 4, que Luca Volpi fecha entre aproximadamente 4800 y 4400 a. C. en el sur de Mesopotamia. Algunas cerámicas de El Obeid, hechas entre aproximadamente 5900 y 4600 a. C., llevan bandas pintadas tan regulares que Johnny Baldi y Valentine Roux deducen que la vasija giraba sobre un pivote bajo una mano quieta. Describen también un disco de arcilla de unos 26 cm de diámetro, con una ligera cavidad en su cara inferior, procedente de un taller de alfarero del Obeid final, hacia 4700 a. C., en Tell Feres al-Sharqi, en el noreste de Siria, y proponen que giraba sobre un pivote, como un torno lento.

La puerta gira sobre un pivote metido en un hueco pulido de la piedra.

Las puertas giraban del mismo modo. Una puerta egipcia tenía un pivote arriba y otro abajo en su canto de giro, el de arriba en un agujero del dintel y el de abajo en una quicialera en el suelo; si el suelo era de adobe, se ponía una piedra que soportara el peso y el desgaste. Una quicialera de piedra de 3000–2800 a. C., hallada en su sitio a la entrada del templo de Hieracómpolis, se conserva hoy en el Penn Museum. Enrico Ciulli, al resumir la historia de la tribología de Duncan Dowson, señala que estas quicialeras se lubricaban con betún o grasa animal. Las ruedas sobre sus ejes, desde el IV milenio a. C., giraban en el mismo tipo de cojinete. Un depósito tomado del eje de un carro de una tumba egipcia de hacia 1400 a. C. se analizó en el siglo XX: grasa animal con arena y compuestos de cal.

Durante siglos, los cojinetes fueron de madera, piedra, bronce o latón, engrasados con sebo o aceitados. Los constructores de máquinas de finales del siglo XVIII alojaban los muñones de sus ejes en dos casquillos de latón ajustados en una caja de fundición, con un sombrerete sujeto por dos tornillos que se apretaban a medida que los casquillos se gastaban, como describió John Farey en 1827.

En julio de 1839, Isaac Babbitt, de Boston, patentó una manera de revestir las cajas de los cojinetes con un metal blando; su ejemplo llevaba cincuenta partes de estaño por cinco de antimonio y una de cobre. La idea se extendió, y en Gran Bretaña esas aleaciones se llaman metal blanco. En 1854, John Penn y Francis Pettit Smith patentaron para los ejes de hélice un cojinete de bocina de guayacán, una madera tropical muy densa, lubricado por el agua de mar que lo rodea.

A principios de la década de 1880, Beauchamp Tower, que trabajaba para un comité de la Institution of Mechanical Engineers dedicado al rozamiento, hizo girar un muñón de ensayo con una carga de unas 100 libras por pulgada cuadrada (unos 7 bar). Cuando se taladró un agujero en lo alto del cojinete, el aceite subió por él y expulsó los tapones que se le ponían, y los manómetros mostraron allí una presión muy superior a la carga media. En 1886, Osborne Reynolds publicó la teoría de la película de aceite que explicaba los resultados de Tower, y el cálculo de cojinetes sigue basándose en su ecuación.