¿Por qué solo rodamientos de bolas en bicicletas?

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 esfuerzo por parte de los diseñadores. Por lo general, la rueda motriz de estos tendrá un radio de aproximadamente 1 cm, o una circunferencia de 3 1/3 cm y 30 revoluciones por metro. A 10m/s (30kph) eso significa 300rps o 18000 rpm. Esta es la razón por la que emiten un zumbido tan agudo cuando están en uso.
2. sin par elevado: un ciclista de 100 kg parado sobre una biela de 165 mm ejerce aproximadamente 1 kN a 0,165 m, o 165 Nm. Eso es un par comparable al de un automóvil de gama media. Rompí repetidamente un perno de alta resistencia de 8 mm en el sistema de transmisión de mi bicicleta de carga en las cuatro ruedas, y reemplazarlo con ruedas libres industriales significó comprar dos de las unidades con la clasificación más alta que pude encontrar (piezas de cinta transportadora alemana con clasificación de 250 Nm)
3. Sin cargas elevadas: un ciclista de travesía con 50 kg en el portaequipajes trasero, más la mitad de sus 100 kg de peso corporal, 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 sobre las que se apoyan deben estar hechos de acero duro para soportar la carga, mientras que las partes que soportan la carga de un automóvil o camión suelen estar hechas de un acero mucho más blando.
4. Solo se utilizan rodamientos de bolas: los soportes inferiores sellados modernos suelen utilizar rodamientos de rodillos o de 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 utilizado varios tipos de rodamientos en las bicicletas y es probable que se sigan utilizando. Una vez más, Sheldon analiza los rodamientos de agujas en los engranajes de cubo Shimano de hace algunos años y todavía se mencionan en el marketing .

Un problema que no es exclusivo de las bicicletas, pero que es especialmente relevante para ellas, es que los rodamientos más precisos son más vulnerables a la arena y también a los daños. 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 amortiguadores izquierdos durante una carrera debido a la lluvia ligera y arena fina que causan que se desgasten hasta la inutilidad muy rápidamente)

Pero dentro de un concentrador o auricular, por ejemplo, pueden ser increíbles. He hablado con gente que ha hecho 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, las fuerzas axiales están presentes, por lo que 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 empuje axial pequeño, pero no puedo pensar en uno en una bicicleta).

Los cojinetes de bolas son mucho más simples de fabricar, y dos cojinetes de bolas forman una excelente unión 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 par no axial aplicado a la rueda. En este sentido, 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 (se está complicando, ¿no?) La mejor solución es tener un solo rodamiento de bolas en cada extremo del eje, con forma cónica , que le permite resistir fuerzas tanto radiales como axiales. Los rodamientos de rodillos cónicos existen, 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 par no axial enorme: su peso está tratando de empujar las horquillas hacia arriba y hacia adelante, excepto cuando aplica los frenos, cuando se empujarán hacia atrás. Para poder conducir correctamente, necesita un movimiento suave allí. Cualquiera que haya probado a andar en bicicleta con la dirección dañada sabrá que es posible, pero incómodo y peligroso.

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

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

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

Rodamientos de rodillos y rodamientos de bolas, son eficientes. Si usa cojinetes lisos para las ruedas, por ejemplo, casquillos de PTFE, la bicicleta funcionará, pero se vuelve un poco pesado para pedalear, no tan divertido... Los cojinetes de plástico también hacen que la bicicleta sea menos rígida, lo que puede resultar incómodo, puede fácilmente entrar en resonancia propia y comenzar a tambalearse si la frecuencia de generación es demasiado baja, pero esa parte depende en gran medida del diseño de detalles. Puede usar cojinetes de bronce metálico, pero necesitan algo de lubricación.

Para la dirección también se utilizan normalmente rodamientos de bolas. Acabo de cambiar los rodamientos de confianza de la dirección de mi vieja bicicleta por rodamientos caseros de delrin (Plástico de acetal) que hice yo mismo en el torno, porque los viejos estaban oxidados y los nuevos me parecieron un poco caros... Resultado: Sí, los cojinetes lisos Delrin funcionan bien para la dirección, será más pesado girarlo si lo deseas con la misma rigidez que con los cojinetes de bolas, pero no hay problema... Puede ser un poco pegajoso con los cojinetes lisos en la cabeza. -establecido, esta es probablemente la razón principal por la que se suelen utilizar rodamientos de bolas - es rígido y gira suavemente - y sentirá el control.