Un cojinete flotante de turbo sostiene el eje mediante películas de aceite. Comprender cómo funcionan ayuda a evaluar el desgaste, comparar kits de reparación y elegir un CHRA de reemplazo.
Qué sostiene realmente el cojinete de deslizamiento
Para entender cómo funcionan los cojinetes flotantes del turbo, comience por el eje giratorio que comparten las ruedas de la turbina y del compresor. Dentro de la carcasa central, los cojinetes radiales controlan el movimiento lateral del eje y permiten que gire con poca fricción. Las superficies lisas del eje que giran dentro de esos cojinetes se denominan muñones.
El cojinete de deslizamiento de un turbo utiliza aceite, en lugar de bolas rodantes, para separar las superficies en movimiento. En condiciones normales de funcionamiento, con una película hidrodinámica establecida, no hay contacto de metal con metal entre el muñón y el cojinete.
La rotación arrastra aceite hacia un espacio que se estrecha entre el muñón, ligeramente descentrado, y el cojinete. Dentro de esta cuña de aceite se genera una presión que soporta la carga. Este es el efecto de sustentación hidrodinámica: las superficies en movimiento contribuyen a generar la presión que las mantiene separadas.
El suministro de aceite del motor repone el aceite del cojinete y evacua el calor, pero la presión de alimentación por sí sola no explica cómo se mantiene separado el muñón del cojinete. La rotación, la viscosidad, la carga y la geometría también influyen.
Durante el arranque, la parada o una interrupción de la lubricación, puede no existir una separación completa. Esta diferencia explica por qué un cojinete diseñado para sufrir muy poco desgaste durante el funcionamiento puede aun así dañarse gravemente por un problema en el suministro de aceite.
Los cojinetes radiales también cumplen una función distinta de la del cojinete de empuje, que controla el movimiento a lo largo del eje. Un juego axial excesivo requiere una inspección independiente del cojinete de empuje.
Cómo utiliza un cojinete flotante de turbo dos películas de aceite
En un turbo con cojinetes totalmente flotantes, un anillo con forma de casquillo se sitúa entre el muñón del eje y el orificio de alojamiento de la carcasa central. El aceite ocupa dos holguras de trabajo:
- Holgura interior: entre el muñón del eje y la superficie interior del anillo.
- Holgura exterior: entre la superficie exterior del anillo y el orificio de alojamiento.
El aceite llega a estos espacios a través de los conductos de la carcasa y de los orificios o ranuras de lubricación del cojinete, según el diseño.
El anillo puede girar libremente. El aceite arrastrado por el eje aplica un par de arrastre a su superficie interior, mientras que la película de aceite exterior se opone a su rotación. El anillo alcanza una velocidad determinada por el equilibrio entre estos efectos opuestos.
Normalmente gira en el mismo sentido que el eje, a una fracción de su velocidad. Esa fracción cambia con las condiciones de funcionamiento; el anillo no está acoplado al eje mediante engranajes.
Como el anillo gira, la diferencia de velocidad entre las superficies separadas por la película interior es menor que la que existiría con un casquillo inmóvil. Esto puede reducir la fricción en la película interior. La película exterior sigue generando fricción, por lo que las pérdidas totales del cojinete dependen del diseño completo.
Ambas películas transmiten fuerzas. La película interior sostiene el muñón con respecto al anillo, mientras que la exterior sostiene el anillo con respecto a la carcasa y aporta una importante amortiguación. Cuando el conjunto se desplaza lateralmente, el aceite se opone a ese movimiento y disipa la energía de las vibraciones.
Sección del eje.
Película interior: entre eje y casquillo.
Casquillo flotante: separa ambas películas de aceite.
Película exterior: entre casquillo y carcasa.
Esquema simplificado, no a escala.
Por qué los cojinetes flotantes son tan comunes en los turbocompresores automotrices
Los cojinetes de deslizamiento con anillo flotante ofrecen una combinación práctica de costo de fabricación, tamaño compacto, control de la fricción y amortiguación de vibraciones. Estas ventajas ayudan a explicar el uso generalizado de los cojinetes flotantes para turbos automotrices.
Sus piezas relativamente sencillas son adecuadas para la producción en serie. Las películas de aceite permiten pequeños movimientos durante el funcionamiento, y la película exterior ayuda a controlar las vibraciones a medida que el rotor pasa por distintas velocidades y cargas.
Las tolerancias de fabricación también importan. Los diseñadores eligen las dimensiones y las variaciones admisibles para que el cojinete funcione dentro de las diferencias de producción y los cambios de temperatura previstos. Esto supone gestionar las tolerancias, no autoriza a ensamblar piezas sin un ajuste adecuado entre ellas.
Un diseño funcional debe equilibrar varias necesidades que compiten entre sí:
- Suficiente sustentación de las películas de aceite para controlar el movimiento del eje.
- Suficiente amortiguación para limitar las vibraciones.
- Un flujo de aceite adecuado para alimentar y refrigerar el cojinete.
- Niveles aceptables de fricción y generación de calor.
- Dimensiones que puedan mantenerse de forma consistente durante la fabricación.
Los sistemas con rodamientos de bolas establecen un equilibrio diferente entre estos requisitos. Para una comparación más amplia, consulte Turbocompresores con rodamientos de bolas frente a turbocompresores con cojinetes de deslizamiento.
Diferencias entre cojinetes totalmente flotantes y semiflotantes de turbo
Un cojinete semiflotante también tiene una película de aceite interior y otra exterior, pero su casquillo está inmovilizado para impedir que gire. Según el diseño, un pasador u otro elemento de posicionamiento impide la rotación y permite el pequeño movimiento radial previsto.
El eje gira dentro del casquillo inmóvil. En el exterior, la película de aceite actúa principalmente como un amortiguador por compresión de película: los pequeños movimientos laterales obligan al aceite a desplazarse por la holgura disponible, lo que se opone a las vibraciones.
| Característica | Anillo totalmente flotante | Cojinete semiflotante |
|---|---|---|
| Rotación del anillo | Permitida; normalmente más lenta que la del eje | Impedida por un elemento de posicionamiento |
| Película de aceite interior | Entre el eje y el anillo giratorio | Entre el eje y el casquillo inmóvil |
| Película de aceite exterior | Sostiene y amortigua el anillo giratorio | Proporciona principalmente amortiguación por compresión de película |
| Comportamiento de la fricción | La rotación del anillo reduce la velocidad relativa interior | La película interior está sometida a toda la velocidad relativa del eje |
| Requisitos de reemplazo | Geometría y holguras correctas del anillo | Geometría, holguras y sistema de inmovilización correctos del casquillo |
«Semiflotante» no significa que el cojinete esté parcialmente desgastado ni que tenga una sola película de aceite. Describe la configuración prevista del cojinete.
Los dos diseños no son intercambiables por el simple hecho de que sus piezas se parezcan. Los conductos de aceite, los elementos de posicionamiento y el comportamiento del rotor deben corresponder al diseño original.
Qué función cumplen las holguras interior y exterior
La holgura del cojinete flotante del turbo es un espacio de trabajo definido por diseño. Una holgura insuficiente puede ser tan perjudicial como una excesiva, y no existe una holgura universal adecuada para todos los turbos.
La holgura interior influye en la cuña de aceite que sostiene el muñón, así como en el flujo de aceite, la fricción, la generación de calor y el movimiento del eje. Un ajuste demasiado estrecho puede restringir el flujo de aceite y dejar un margen insuficiente ante los cambios de temperatura. Una holgura excesiva modifica la capacidad de sustentación de la película y puede permitir movimientos dañinos.
La holgura exterior influye en cómo se mueve el anillo dentro del alojamiento, cómo circula el aceite a su alrededor y cómo la película exterior sostiene y amortigua el conjunto. Una holgura exterior excesiva puede comprometer el control del rotor aunque el anillo tenga el ajuste correcto con el eje.
La holgura exterior suele ser mayor que la interior, pero la relación prevista depende de cada diseño. Aumentar cualquiera de las dos no mejora automáticamente la lubricación ni la amortiguación.
Distinga también entre holgura radial y holgura diametral. La holgura diametral es la diferencia entre el diámetro del orificio y el diámetro exterior correspondientes; la holgura radial es la mitad de esa diferencia. Confundirlas puede provocar un error grave de inspección.
Una medición en el extremo de la rueda del compresor no equivale a ninguna de las dos holguras del cojinete. Incluye los efectos de la disposición de los cojinetes y de la distancia entre estos y el punto de medición. Siga el método de inspección y los límites especificados.
Cómo se manifiesta el desgaste de los cojinetes
Comience por examinar las evidencias en todas las superficies que trabajan entre sí. Un anillo dañado puede ser la pieza más evidente, pero el muñón y el orificio de alojamiento determinan si los cojinetes nuevos pueden funcionar correctamente.
Entre los puntos útiles de inspección se incluyen:
- Rayado: Las ranuras o rayas en el orificio del anillo, su superficie exterior o el muñón pueden indicar la presencia de partículas extrañas o contacto tras perderse la separación proporcionada por la película de aceite.
- Desgaste ovalado: Un orificio del anillo o del alojamiento fuera de redondez puede crear una holgura desigual que una sola medición de diámetro no detecta.
- Desgaste del anillo: La pérdida de material en la superficie interior o exterior modifica las holguras de trabajo. El desgaste desigual requiere investigar más allá de la simple sustitución del anillo.
- Marcas en el muñón del eje: Las ranuras, el metal arrastrado, los cambios de color o el roce localizado requieren una evaluación conforme a los límites dimensionales y de estado superficial.
- Daños en el alojamiento: El rayado o el aumento de diámetro del orificio de alojamiento pueden dejar una holgura exterior excesiva incluso con un anillo nuevo de medida estándar.
- Depósitos en los conductos de aceite: Las partículas extrañas o los depósitos de carbón pueden dificultar el suministro de aceite y provocar que las piezas de reemplazo vuelvan a fallar.
Mida los muñones y orificios accesibles en varias posiciones y direcciones para comprobar el diámetro, la conicidad y la redondez. Utilice instrumentos de precisión adecuados y las especificaciones correctas de los componentes.
Las marcas por sí solas no demuestran la causa original de la falla. La contaminación, el suministro inadecuado de aceite, el desequilibrio y otras fallas pueden producir patrones de daño similares. Nuestra guía para diagnosticar un turbocompresor averiado antes de reemplazarlo explica las comprobaciones más amplias.
El estado superficial del eje importa tanto como sus dimensiones. Un pulido agresivo puede modificar la geometría del muñón o afectar una superficie tratada; consulte la guía sobre el endurecimiento del eje y los muñones para cojinetes flotantes.
¿El ruido del cojinete demuestra que los anillos están desgastados?
No. Un silbido, un ruido de roce o un cambio de tono justifican una investigación, pero no permiten diagnosticar con fiabilidad el estado del cojinete por sí solos.
El desequilibrio del rotor puede producir vibraciones que siguen la rotación del eje. Las fuerzas de la película de aceite también pueden producir un movimiento subsíncrono, lo que significa que el eje se desplaza alrededor del centro de su cojinete a una frecuencia inferior a su frecuencia de rotación. En determinadas condiciones, ese movimiento puede volverse inestable.
La rotación del anillo del cojinete y el remolino de aceite son movimientos diferentes. En un diseño totalmente flotante, es normal que el anillo gire más despacio que el eje; esto, por sí solo, no indica inestabilidad.
El sonido también puede proceder del flujo de aire, de fugas o de daños en las ruedas. El artículo Remolino de aceite y latigazo de aceite en el turbo: explicación de ambos fenómenos aborda esta diferencia con más detalle.
Qué implica esto al elegir un kit de reparación o un CHRA
Un kit de reparación tiene sentido cuando la inspección confirma que las piezas reutilizables siguen en condiciones de servicio y que quien realiza la reconstrucción puede medir, ensamblar y equilibrar el turbo correctamente.
Seleccione un kit que corresponda a la identificación del turbo y al diseño de sus cojinetes. Las dimensiones de los anillos, los elementos de alimentación de aceite, los componentes de empuje y los elementos de retención pueden variar entre unidades visualmente similares. Verifique exactamente qué incluye el kit.
En un cojinete flotante de turbo, los anillos nuevos no pueden restaurar un eje ni un orificio de alojamiento desgastados. Instalarlos sin medir ambas zonas de ajuste puede dejar el turbo reconstruido con holguras incorrectas desde el principio.
Consulte Cómo elegir un kit de reparación de turbocompresor para revisar la compatibilidad antes de comparar kits de reparación.
Un CHRA de reemplazo se convierte en una opción práctica cuando el eje, las ruedas o la carcasa central están dañados, o cuando no se dispone del equipo necesario para la reconstrucción. Confirme la compatibilidad y los trabajos de ensamblaje y equilibrado que ha realizado el proveedor. La guía CHRA frente a turbocompresor completo ayuda a determinar si pueden reutilizarse las carcasas que rodean el conjunto y los elementos de control.
Una reconstrucción también requiere el proceso de equilibrado adecuado para el turbocompresor. Reutilizar las marcas de ensamblaje no demuestra que el rotor terminado esté correctamente equilibrado.
Sea cual sea la opción que elija, corrija la causa original de la falla antes de la instalación.
Preguntas frecuentes
¿El cojinete flotante de un turbo es lo mismo que un cojinete de deslizamiento?
Un cojinete flotante es un tipo de cojinete de deslizamiento. El término «de deslizamiento» describe cómo una película de aceite sostiene el eje; «flotante» describe la capacidad del anillo del cojinete para moverse dentro del alojamiento, con posibilidad de girar en un diseño totalmente flotante.
¿A qué velocidad gira el anillo de un cojinete totalmente flotante?
Normalmente gira en el mismo sentido que el eje, a una fracción de su velocidad. Esa proporción depende de la geometría del cojinete, las holguras, la viscosidad del aceite, la temperatura y las condiciones de funcionamiento. No existe un porcentaje universal para todos los turbos.
¿Es normal que un turbo con cojinetes de deslizamiento tenga juego en el eje cuando está seco?
Cierto movimiento radial puede ser normal cuando no están presentes las películas de aceite que se forman durante el funcionamiento. El movimiento aceptable depende del turbo y del método de medición. Una comprobación con los dedos no permite verificar la holgura del cojinete; si las ruedas rozan, el giro es áspero o el movimiento medido es excesivo, es necesario investigar.
¿Puedo reemplazar los anillos desgastados de los cojinetes del turbo sin cambiar el eje?
Solo si los muñones del eje y los orificios de alojamiento se mantienen dentro de los límites dimensionales y de estado superficial aplicables. Los anillos nuevos no pueden corregir un muñón rayado, con un diámetro inferior al especificado, cónico o fuera de redondez, ni un orificio de alojamiento desgastado.
¿Un cojinete semiflotante es una mejora frente a uno totalmente flotante?
Ninguno de los dos diseños es automáticamente mejor. Cada uno utiliza un equilibrio diferente entre fricción, amortiguación, flujo de aceite y comportamiento del rotor. Utilice el sistema de cojinetes especificado para el turbo; convertirlo de un tipo a otro requiere cambios de ingeniería que van más allá de sustituir los anillos.
¿Un aceite más viscoso puede reparar un cojinete flotante desgastado en un turbo?
No. Un aceite más viscoso no restaura las superficies desgastadas ni corrige una holgura excesiva. Utilice el aceite especificado por el fabricante del motor e investigue las fallas de lubricación y el desgaste mecánico, en lugar de intentar ocultar los síntomas con un cambio de viscosidad.
¿Es normal que gire el anillo del cojinete del turbo?
Sí, en un diseño totalmente flotante. Que el anillo gire a una fracción de la velocidad del eje no indica por sí solo inestabilidad. El casquillo de un cojinete semiflotante está inmovilizado para impedir que gire.
Para obtener ayuda al comparar un kit de reparación, un CHRA o un turbo de reemplazo, contacte con LeadTurbo e indique el número de pieza de su turbo y los síntomas.
