¿Por qué solo rodamientos de bolas en bicicletas?

En general, los rodamientos de bolas son aplicables a velocidades más altas debido al área de contacto más pequeña y a la menor fuerza de fricción, pero los rodamientos de rodillos pueden soportar mayores cargas porque la carga aplicada al área de contacto produce tensiones de contacto más pequeñas.
- Principios de diseño de ingeniería mecánica, Liubomir Dimitrov

En aplicaciones de bicicletas no hay altas velocidades ni altas cargas (en comparación con los automóviles o las máquinas industriales). Sin embargo, supongo que las "tensiones de contacto más pequeñas" darían como resultado una vida útil significativamente más larga del rodamiento, incluso si el agua y los contaminantes penetran en el rodamiento. Y aún así, la única vez que he oído hablar de rodamientos de rodillos (pasadores) de bicicleta es en el exagerado Lefty .

¿Por qué los rodamientos de bolas se usan exclusivamente en bicicletas, por ejemplo, en los auriculares, donde una fricción menor no sería un problema?

Creo que varias de sus suposiciones son incorrectas:

1. sin altas velocidades: las dinamos de llanta giran bastante rápido, hasta 10,000 rpm, y eso requiere un esfuerzo por parte de los diseñadores. Por lo general, la rueda motriz tendrá un radio de aproximadamente 1 cm o una circunferencia de 3 1/3 cm y 30 revoluciones por metro. A 10 m / s (30 km / h), eso significa 300 rps o 18000 rpm. Es por eso que hacen un ruido de silbido tan agudo cuando están en uso.
2. sin par alto: un ciclista de 100 kg parado sobre una manivela de 165 mm está ejerciendo aproximadamente 1kN a 0.165m, o 165Nm. Es un par comparable a un automóvil de gama media. Repetidamente enganché un perno de tracción de 8 mm de alto en el sistema de transmisión de mi bicicleta de carga de cuatro ruedas, y reemplazarlo con ruedas libres industriales significó comprar dos de las unidades de mayor calificación que pude encontrar (piezas de la correa transportadora alemana clasificadas a 250 Nm)
3. Sin cargas elevadas: un ciclista de gira con 50 kg en el bastidor trasero, más la mitad de su peso corporal de 100 kg está poniendo una carga de 100 kg o 1 kN en un eje trasero hueco de 10 mm de diámetro. Esos ejes y las punteras que soportan deben estar hechos de acero duro para soportar la carga, donde las partes que soportan la carga de un automóvil o camión generalmente están hechas de acero mucho más blando.
4. Solo se utilizan rodamientos de bolas: los soportes inferiores sellados modernos suelen usar rodamientos de rodillos o agujas, al igual que muchos auriculares. Los cubos con engranajes internos han utilizado rodamientos de agujas durante muchos años. Sheldon Brown describe los rodamientos de rodillos en su glosario , por ejemplo.

La respuesta es que se han usado varios tipos de rodamientos en bicicletas y probablemente continuarán siéndolo. Nuevamente, Sheldon analiza los rodamientos de agujas en los engranajes de cubo de Shimano de hace algunos años y todavía se mencionan en el marketing .

Un problema no exclusivo de las bicicletas, pero especialmente relevante para ellas, es que los rodamientos más precisos son más vulnerables a la arena y también al daño. Por lo tanto, especialmente los rodamientos de agujas deben protegerse cuidadosamente del polvo, la arena y las fuerzas fuera de su rango de diseño. Desafortunadamente, hacer eso dentro de una unidad de suspensión es difícil, y la última vez que miré, Cannondale no había resuelto el problema (mi HeadShock no se puede mantener después de solo unos 10 mm, he visto fallar varios golpes izquierdos durante una carrera debido a la lluvia ligera y la arena fina que causan que los abrasen a la inutilidad muy rápidamente)

Pero dentro de un hub o auriculares, por ejemplo, pueden ser increíbles. He hablado con personas que han montado 20Mm en una Alfine 8, por ejemplo, sin problemas.

En primer lugar, no estoy de acuerdo con el comentario sobre la alta velocidad. Los cojinetes de mayor velocidad son simples: los cojinetes del cigüeñal en un motor de automóvil de tamaño completo son simples, mientras que en un modelo controlado por radio, se utilizan cojinetes de bolas. Cuando la velocidad (rpm x diámetro) es alta, el efecto de cuña de aceite tiende a centrar el eje (lubricación hidrodinámica). Esto se puede mejorar aún más si se bombea el aceite.

Los rodamientos de rodillos rectos son excelentes para soportar cargas radiales, pero inútiles para soportar cargas axiales. Cuando no hay carga axial (por ejemplo, un generador accionado por un motor, ya sea directamente a través de una ranura deslizante o mediante transmisión por correa), son una buena solución. En la mayoría de las aplicaciones de bicicletas, existen fuerzas axiales, por lo tanto, se deben considerar un total de 3 rodamientos: rodillo, más empuje axial en cada una de las dos direcciones. (en algunas aplicaciones puede encontrar un cojinete liso para un pequeño empuje axial, pero no puedo pensar en uno en una bicicleta).

Los rodamientos de bolas son mucho más simples de fabricar, y dos rodamientos de bolas forman una gran junta para todo uso. En una rueda de bicicleta, los dos cojinetes están en los extremos del eje, lo más separados posible, que es exactamente donde los necesitamos para resistir el torque no axial aplicado a la rueda. A este respecto, la parte central de un rodamiento de rodillos no estaría haciendo nada, por lo que es posible que desee dos rodamientos de rodillos, uno en cada extremo, más algunos rodamientos adicionales para el empuje axial (complicarse, ¿no?) La mejor solución es tener un solo rodamiento de bolas en cada extremo del eje, con una forma cónica , que le permite resistir las fuerzas radiales y axiales. Existen rodamientos de rodillos cónicos, pero necesitan una jaula para ayudar a guiar los rodillos, lo que evita la necesidad de cuatro rodamientos en una rueda, pero agrega otra complejidad.

Finalmente, los auriculares definitivamente necesitan algún tipo de cojinete antifricción. Hay un enorme torque no axial: su peso está tratando de empujar las horquillas hacia arriba y hacia adelante, excepto cuando aplica los frenos, cuando serán empujados hacia atrás. Para poder dirigir correctamente, necesita un movimiento suave allí. Cualquiera que haya intentado andar en bicicleta con un auricular dañado sabrá que es posible, pero incómodo y peligroso.

Las respuestas actuales dan muchas razones técnicas para el uso de rodamientos de bolas, al tiempo que señalan que a veces se usan otros tipos de rodamientos en bicicleta.

Sin embargo, pierden el factor más importante. ¡Los rodamientos de bolas son baratos!

Verá rodamientos de cartucho sellados en muchos soportes inferiores, que usan rodamientos de rodillos. También común en juegos de cabeza. Los rodamientos de bolas eran más utilizados hasta hace unos 10 años. Pero sigue siendo común en pedales y bujes.

Los rodamientos y los rodamientos de bolas son eficientes. Si usa cojinetes lisos para las ruedas, por ejemplo, bujes de PTFE, la bicicleta funcionará, pero se vuelve un poco pesada para pedalear, no tan divertida ... Los cojinetes de plástico también hacen que la bicicleta sea menos rígida, lo que puede resultar incómodo, puede fácilmente entrar en auto-resonancia y comenzar a tambalearse si la frecuencia de egen es demasiado baja, pero esa parte depende mucho del diseño detallado. Puede usar rodamientos de bronce metálico, pero necesitan un poco de lubricación.

Para los auriculares también se utilizan normalmente rodamientos de bolas. Acabo de reemplazar los rodamientos de bolas de confianza para el auricular de mi bicicleta vieja con rodamientos caseros de delrin (plástico de Acetal). Me hice en el torno, porque el viejo estaba oxidado y encontré uno nuevo un poco caro ... Resultado: Sí, los cojinetes lisos de Delrin funcionan bien para los auriculares, será más pesado girarlos si lo desea rígidamente como con los cojinetes de bolas, pero no es un problema ... Puede ser un poco antideslizante con cojinetes lisos en la cabeza -conjunto, esta es probablemente la razón principal por la que generalmente se usan rodamientos de bolas: es rígido y se vuelve suave, y sentirá el control.