¿Qué fuerzas actúan en un buje de bicicleta con rodamientos sueltos?

Question

Me he metido en un debate de física entre mecánicos de bicicletas. En un típico buje de bicicleta hay un rodamiento simple; las copas se colocan en el buje, la pista (cono) se enrosca en el eje y sólo hay rodamientos de bolas sueltos entre ellos (sin retenedor de bolas). Cuando está bien ajustado, no hay juego en el sistema, y el eje gira suavemente.

Imagino que es una pregunta elemental, pero cuando se pone peso en el eje (piloto en la moto), ¿la fuerza se concentra en la parte inferior del cono, o se distribuye uniformemente a todas las bolas alrededor del cono? ¿Qué fuerzas actúan en el buje de una bicicleta?

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Answer 1

La distribución de la fuerza en los rodamientos de bolas, y por tanto en las pistas interiores y exteriores del rodamiento, depende de la tensión ajustable. Esta tensión precarga los rodamientos. Primero consideremos el caso en el que el rodamiento no soporta ningún peso pero los conos han sido tensados.

La tensión de la tuerca comprime el rodamiento axialmente, comprimiendo las bolas. Visto a lo largo del eje, las cargas de la bola se distribuirían uniformemente a través de las bolas y cada carga intersectaría el eje central.

Cuando se aplica una carga al rodamiento, el anillo interior intenta desplazar dentro de la pista exterior, sin embargo los rodamientos se interponen, reubicándose ligeramente cambiando su ángulo de contacto y aumentando o disminuyendo la componente radial de su fuerza dependiendo de la dirección del desplazamiento. La dirección de las cargas seguiría siendo la intersección con el eje central.

La fuerza neta sobre la pista interior de los rodamientos es ahora hacia arriba, equilibrando la carga hacia abajo proporcionada por el bastidor a través del eje.

Observe que la fuerza se reduce en los rodamientos superiores. Si los rodamientos no estuvieran lo suficientemente apretados para proporcionar una fuerza de precarga suficiente en los rodamientos, entonces esta fuerza caería a cero y el rodamiento de bolas estaría suelto, pudiendo vibrar y causar un rápido desgaste.

En cuanto a las fuerzas en el centro: La pista exterior es la que hace contacto con el cubo, por lo que el cubo debe proporcionar la precarga para los rodamientos, así como la fuerza de elevación. La precarga de los rodamientos actúa como una fuerza de compresión a lo largo del eje del buje. La fuerza de elevación se aplica sobre la superficie exterior de la pista exterior, así como cierta fuerza tangencial sobre la superficie exterior. La fuerza de reacción del rodamiento que empuja hacia abajo el buje se equilibra entonces con un cambio en la tensión de los radios muy similar al cambio en la compresión de las bolas dentro del rodamiento.

Si tiene curiosidad por conocer la distribución de la carga en un rodamiento individual. En realidad, la distribución de la carga no se concentra en un solo punto, ya que eso crearía una tensión infinita que atravesaría la bola. La fuerza se distribuye sobre un área, y la presión dentro de esa área se aproxima a un paraboloide.

Answer 2

Todos los rodamientos tienen lo que se llama una zona de carga. Se trata de una distribución de elementos rodantes cargados concentrados a lo largo de la línea de fuerza (carga). La bola más cargada está en el centro y la carga disminuye aproximadamente de forma parabólica a partir de ahí. Por lo tanto, la carga no está concentrada, pero sí distribuida de forma desigual.

El juego axial afecta a la distribución. Si hay juego axial la distribución en más o menos concentrada en unas pocas bolas. Si no hay juego axial, pero tampoco hay ajuste a presión, la distribución es aproximadamente de 180°. Con pressfit la distribución puede llegar a todas las bolas, con una zona de carga que se aproxima a los 360° alrededor. Los rodamientos de dirección son así.

Answer 3

Las bolas sentirán una fuerza sólo en el punto de contacto, no de manera uniforme. En principio, es correcto que la parte inferior del cono ajustable ejercerá más fuerza sobre las bolas inferiores que sobre las superiores, debido a que las bolas inferiores sienten la fuerza añadida tanto de la persona como de la parte del cono que está encima. Sin embargo, a efectos prácticos, el peso del cono es insignificante comparado con el de una persona, por lo que se puede decir que las fuerzas sobre las bolas superiores e inferiores son prácticamente las mismas.