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Lubricacion de engranajes industriales

Enviado por Raul Gonzalez



Partes: 1, 2

  1. Principios de funcionamiento de los engranajes
  2. Terminología de los engranajes
  3. Acción entre los dientes de los engranajes
  4. La lubricación de engranajes

Sección Uno

Principios de funcionamiento de los engranajes

INTRODUCCION

Un engranaje es simplemente una rueda con dientes.

Dos o más engranajes son utilizados en combinación para transmitir movimiento entre dos ejes que rotan, usualmente con un cambio de velocidad y potencia (o fuerza de giro) y frecuentemente con un cambio de dirección.

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La gran ventaja de los engranajes sobre otros métodos de transmisión de potencia, tales como correas, cadenas o cuerdas, es que los engranajes pueden transmitir mayores fuerzas a altas velocidades. Además los engranajes lo hacen de una manera suave y sin deslizarse.

Los engranajes proporcionan una forma efectiva de transmitir movimiento y potencia que prácticamente se puede encontrar en casi todo tipo de maquinaria. Su rango en tamaño puede variar desde pequeñísimos engranajes en los mecanismos de los relojes y otros mecanismos delicados, hasta enormes ruedas dentadas de varios metros de diámetro utilizados en algunas cajas de engranajes industriales.

Los engranajes son frecuentemente usados para transmitir potencia entre un motor o cualquier otro tipo de generador de potencia, y una máquina. Permiten que tanto el motor y la máquina funcionen eficientemente. Por ejemplo, un típico motor de un automóvil funciona más eficientemente cerca de 4.000 r.p.m. Las ruedas del vehículo tienen que girar mucho más lento que esta velocidad: A 110 Km/h las ruedas giran a 1.000 r.p.m. Los engranajes en la caja de velocidades de un vehículo y la transmisión proporcionan la reducción de velocidad necesaria.

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RELACION DE TRANSMISION

Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona y el menor piñón.

La relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida es conocida como la relación de transmisión. Como la velocidad a la que los engranajes giran es proporcional al número de dientes que poseen, la relación de transmisión es la misma que la relación del número de dientes de los engranajes motor y conducido. En la ilustración se observa un par con una relación 6:1 (48 dividido entre 8).

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Un par de engranajes que reducen la velocidad, incrementan la potencia; un par de engranajes que aumentan la velocidad, disminuyen la potencia.

Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren.

Despreciando los efectos de la fricción, la relación de las potencias de entrada y salida es la inversa de la relación de las velocidades de entrada y salida. Así, un par de engranajes que actúan para reducir la velocidad en un sexto, tendrá un incremento de 6 veces la potencia.

TIPOS DE ENGRANAJES

Hay solamente unos pocos tipos de engranajes básicos, a pesar de las enormes variaciones en tamaños y aplicaciones.

Los tipos de engranajes pueden ser convencionalmente clasificados de acuerdo a la dirección en que transmiten el movimiento: entre ejes paralelos, perpendiculares o no perpendiculares.

  • Engranajes que transmiten el movimiento entre dos ejes paralelos. El engranaje más simple de todos es el engranaje recto. tiene dientes rectos paralelos al eje. Cuando los engranajes giran, solamente uno o dos dientes del par de engranajes encajan entre sí. El contacto entre los dientes tiene lugar a lo ancho de todo el diente. Como resultado, los engranajes rectos tienden a ser muy ruidosos y vibran a altas velocidades. Cuando hay desgaste en los dientes, las condiciones de operación son aún peores, por esto los engranajes rectos están limitados a velocidades relativamente bajas. Los dientes no están sometidos a esfuerzos axiales de ninguna naturaleza.

Los engranajes rectos interiores se obtienen al ser tallados los dientes, en la parte interior de una corona, los ejes giran en el mismo sentido. Se emplea en conjuntos planetarios que permiten extraordinarias reducciones y ocupa poco espacio, como por ejemplo en las servo transmisiones.

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Para convertir un movimiento de rotación en lineal se utilizan los engranajes de cremallera y piñón rectos, la cremallera se mueve en dirección normal al eje del piñón. Los engranajes helicoidales son similares a los engranajes rectos pero tienen los dientes formando ángulo con el eje.

Este diseño hace que el contacto entre los dientes de las ruedas opuestas tenga lugar suave y gradualmente, con varios dientes en contacto simultáneamente.

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Los engranajes helicoidales, giran más silenciosa y suavemente que los engranajes rectos. Además, si algún diente se desgastase, la carga se le transfiere a los otros dientes en contacto, disminuyendo la carga sobre el diente desgastado. Debido a estas ventajas, los engranajes helicoidales son ampliamente utilizados para transmitir potencia a altas y bajas velocidades entre ejes paralelos. La principal desventaja de los engranajes helicoidales es que sus dientes, al estar en ángulo generan empujes laterales cuya magnitud varía de 10 al 15 % de la fuerza que transmiten, de acuerdo al ángulo de la hélice. Se deben utilizar por tanto cojinetes que puedan absorber estas fuerzas laterales. Las fuerzas laterales pueden ser eliminadas con engranajes helicoidales dobles, también conocidos como engranajes de espina de pescado. Aquí cada engranaje tiene dos juegos de dientes helicoidales corriendo en direcciones opuestas. Los empujes laterales son eliminados con el empuje de los dientes ubicados en sentido opuesto. Los engranajes helicoidales dobles son empleados donde son importantes las altas cargas, y la operación silenciosa y suave, por ejemplo en reductores de velocidad de una turbina generadora y aplicaciones similares. Transmisión de cargas pesadas a altas velocidades.

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Los engranajes rectos, helicoidales y helicoidales dobles, ilustrados a la derecha, son también conocidos como engranajes externos. Los engranajes de cremallera y piñón internos mostrados abajo son dos variaciones comunes de estos tipos de engranajes, que parecen muy diferentes pero tienen características similares. La cremallera y piñón helicoidales se relacionan con los engranajes helicoidales, así como la cremallera y el piñón recto se relacionan con engranajes rectos.

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  • Engranajes que transmiten movimiento entre ejes perpendiculares. Cuando es necesario transmitir potencia y movimiento entre dos ejes que se interceptan en ángulo, se utilizan los engranajes cónicos. Los dientes sobre los engranajes cónicos parece que hubiesen sido cortados de un cono en la punta de un eje, en lugar de un cilindro. Hay dos tipos de engranajes cónicos:

Engranajes cónicos rectos, tienen los dientes rectos. En este diseño, al igual que los engranajes rectos, solo uno o dos partes de dientes están en contacto a la vez. Por lo tanto estos engranajes están limitados relativamente a bajas velocidades.

Engranajes cónicos helicoidales, tienen dientes en ángulo para proporcionar un movimiento suave. Tienen ventajas similares a los engranajes y pueden girar mucho más rápido que los engranajes cónicos rectos.

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  • Engranajes que transmiten movimiento entre dos ejes no perpendiculares. El movimiento puede ser transmitido entre ejes que no sean paralelos ni perpendiculares, mediante los engranajes helicoidales cruzados o engranajes oblicuos. El área de contacto es muy limitada entre los dientes de estos engranajes, por lo tanto están sujetos esfuerzos considerables. Los engranajes pueden ser solamente usados para transferir bajas cargas a bajas velocidades y no por tanto son muy utilizados en la industria.

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Terminología de los engranajes

  • Diente de un engranaje: son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo.

  • Módulo: el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. En los países anglosajones se emplea otra característica llamada Diametral Pitch, que es inversamente proporcional al módulo. El valor del módulo se fija mediante cálculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en función de la relación de transmisión que se establezca. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo.

  • Circunferencia primitiva: es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes.

  • Paso circular: es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos.

  • Espesor del diente: es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo.

  • Número de dientes: es el número de dientes que tiene el engranaje. Es fundamental para calcular la relación de transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25º.

  • Diámetro exterior: es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje.

  • Diámetro interior: es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente.

  • Pie del diente: también se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva.

  • Cabeza del diente: también se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo.

  • Flanco: es la cara interior del diente, su zona de rozamiento.

  • Altura del diente: es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura del pie (dedendum).

  • Ángulo de presión: el que forma la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso, f (20º ó 25º son los ángulos normalizados).

  • Largo del diente: es la longitud que tiene el diente del engranaje

  • Distancia entre centro de dos engranajes: es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de los engranajes.

  • Relación de transmisión: es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. La relación de transmisión recomendada tanto en caso de reducción como de multiplicación depende de la velocidad que tenga la transmisión.

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Acción entre los dientes de los engranajes

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Los engranajes deben girar con la mínima fricción. Sus dientes deben ser por tanto diseñados para que puedan rodar en lugar de deslizarse uno sobre otro. Se puede demostrar teóricamente que el perfil para los dientes de los engranajes es el que se conoce como el perfil envolvente. Este perfil tiene forma de curva trazada desde la base de la rueda del mismo arco del diámetro de la rueda del engranaje.

En la práctica, cuando un engranaje se encaja tienen lugar tanto la rodadura como el deslizamiento. Los diagramas de la página muestran la situación para un par de engranajes de dientes rectos. El primer contacto ocurre entre la base del diente que está siendo empujado y la punta del diente que empuja.

El contacto continúa hasta que la punta del diente empujado se separe de la base del diente que empuja.

La rodadura ocurre durante todo el contacto de la base a la punta del diente empujado y de la base a la punta del diente que empuja.

El deslizamiento también tiene lugar, con la velocidad de deslizamiento máxima al iniciar el contacto, disminuyendo a cero en el punto medio e incrementándose otra vez hasta que el diente desencaje. Sobre el diente empujado, el deslizamiento es siempre en dirección opuesta a la línea de paso, mientras que en el diente que empuja es siempre hacia la línea de paso.

La combinación de la rodadura y deslizamiento ocurre con todos los tipos de engranajes.

Sin embargo, la proporción de rodadura a deslizamiento y la dirección de deslizamiento en relación a la línea de contacto entre las superficies del diente varía de un tipo de engranaje a otro. Con los engranajes rectos y los cónicos rectos, la dirección del deslizamiento es en ángulo recto a la línea de contacto. Con los engranajes de tornillo sin-fin, puede ocurrir algo de deslizamiento sobre las líneas de contacto, mientras que con los helicoidales y cónicos helicoidales, la dirección del deslizamiento está entre estos dos extremos.

Los engranajes hipoide, son usados para transmitir potencia y movimiento entre ejes en ángulo recto. Son similares a los engranajes cónicos espirales excepto que los ejes motor y conducido son excéntricos.

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Los engranajes hipoides dan especiales problemas de lubricación, ya que la combinación de movimientos deslizantes, ejerce sobre la película de aceite tensiones que tienden a romperla y por lo tanto, son muy raros en la industria. Sin embargo, la lubricación apropiada, los engranajes hipoides operan de una forma suave y silenciosa a altas velocidades. Se utilizan principalmente en los ejes traseros de las transmisiones de vehículos. Debido a que permite tener el eje de propulsión excéntrico, la altura de la caja en el automóvil puede ser reducida para ofrecer más espacio a los pasajeros.

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Los engranajes de tornillo sin-fin, son un desarrollo de un engranaje oblicuo en el cual los dos ejes están en ángulo recto uno con el otro. El engranaje de diámetro pequeño, o sin-fin, tiene una o más roscas continuas de tal forma que es equivalente a un engranaje con pocos dientes. Este engranaje tipo tornillo empuja la rueda, la cual es similar a un engranaje helicoidal recto excepto por sus dientes, que están inclinados para encajar en los dientes del sin-fin. Los engranajes del sin-fin se pueden encontrar en muchas aplicaciones industriales.

Pueden producir grandes reducciones de velocidad, y por lo tanto se tiene un mayor incremento en la potencia que otros engranajes simples. Como observaremos adelante, la fricción en los engranajes sin-fin puede ser considerable y por lo general pueden requerir lubricantes de mayor viscosidad, por ejemplo, los usados en engranajes rectos.

Estos engranajes ofrecen serias dificultades para su lubricación y requieren materiales especiales para su construcción, pues con las grandes velocidades de deslizamiento lateral entre los dientes del sin-fin y los dientes de la rueda, la película lubricante tiende a romperse. Las áreas de contacto son agrandadas ligeramente, el sin-fin tiene dientes helicoidales y pueden aumentarse aún más si los dientes de la rueda son curvados para envolver el sin-fin parcialmente, en este caso el diseño se conoce como una garganta sencilla. Otros aumentos en áreas de contacto pueden efectuarse sí él sin-fin en sí mismo está garanteado, se llama entonces "Doble garganta".

Una característica de los engranajes de tornillo sin-fin es que las velocidades relativa s de los dos componentes no están necesariamente definidos por sus diámetros, por que la separación del sin-fin es el factor decisivo.

Otra característica es que un engranaje sin-fin de alta reducción no puede transmitir impulso desde la rueda mayor a la pequeña (sin-fin), en algunas aplicaciones como las grúas o ascensores ofrece ventajas debido a que actúa como freno en caso de que por avería la rueda tienda a impulsar el tornillo. Sin embargo, es posible la transmisión de doble dirección en los sin-fin es de arranque múltiple de baja relación.

MATERIALES DE LOS ENGRANAJES

L os dientes de los engranajes transfieren potencia y movimiento a través de pequeñas áreas de contacto. Estas líneas de contacto están sujetas a esfuerzos muy altos y consecuentemente, el diente del engranaje debe ser fabricado de un material muy fuerte. Los engranajes usados para aplicaciones industriales son a menudo fabricados en acero o con bronce endurecido.

El acero es normalmente empleado para engranajes rectos, helicoidales y cónicos. Un número de factores deben ser tenidos en cuenta cuando se escoge un acero en particular para ser usado en la fabricación de engranajes. Se requiere un acero muy resistente para que el desgaste sea mínimo, buena facilidad de mecanizado, para facilitar la fabricación, dureza razonable y elasticidad, que ayudará a mejorar la resistencia a los choques.

El desgaste sobre el diente del engranaje frecuentemente puede ser minimizado usando diferentes aceros para cada uno de los componentes del par de engranajes.

En general, el material con el cual se fabrica un piñón debe ser más duro que el usado para un engranaje grande. En muchos engranajes helicoidales cruzados y engranajes de tornillo sin-fin, donde se tienen deslizamientos considerables, se usan aceros endurecidos para el piñón, mientras que el engranaje conducido es normalmente fabricado en bronce fosforado.

COMBINACIONES DE ENGRANAJES

En teoría, un simple par de engranajes es todo lo que se necesita para convertir una velocidad de entrada dada, en velocidad de salida requerida. Solo tres engranajes son necesarios si los ejes de entrada y salida deben rotar en la misma dirección. En la práctica, si se requiere un cambio considerable de velocidad o la distancia entre los ejes que giran es sustancial, se utilizan combinaciones de engranajes. Estas combinaciones denominadas trenes de engranajes, son capaces de producir la salida requerida evitando así la necesidad de engranajes excesivamente grandes.

Las combinaciones de engranajes pueden ser divididas en engranajes abiertos o engranajes cerrados, estos últimos son normalmente conocidos como cajas de engranajes.

Los engranajes abiertos son usados donde no es práctico o económico cerrar el engranaje. Normalmente son mecanismos muy grandes que operan en lugares abiertos, tales como minas, canteras o muelles. Generalmente operan a bajas velocidades y raramente necesitan ser fabricados con el mismo grado de precisión de un engranaje cerrado de alta velocidad.

Los engranajes cerrados son usados ampliamente. En una fábrica casi todo lo que se mueve: Bandas, secadores, ventiladores, bombas, equipos de manipulado de materiales, plantas de procesos y otros muchos, serán impulsados por un motor de combustión o eléctrico moviendo una caja de engranajes. La caja de engranajes normalmente es una unidad de propósito general construido por un fabricante especializado. Como podrá suponer, existe una gran variedad de tamaños y tipos de cajas de engranajes en la industria. Solamente mencionaremos algunas combinaciones de los engranajes más usuales.

Las cajas de engranajes que utilizan combinaciones de engranajes helicoidales están muy extendidas, porque pueden transmitir cargas altas, silenciosa y eficientemente. Una versión de este tipo caja de engranajes en donde es posible seleccionar una de varias combinaciones de engranajes, por lo que es muy común para las aplicaciones de transporte.

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Sección Dos

La lubricación de engranajes

LAS FUNCIONES DE LOS LUBRICANTES PARA ENGRANAJES

La eficiencia con la cual un engranaje opera, de- pende no solo de la forma en la cual ellos son usados, sino también del lubricante que les sea aplicado. Los lubricantes para engranajes tienen varias funciones importantes para llevar a cabo:

  • Lubricación. Cuando los engranajes transmiten potencia, los esfuerzos sobre sus dientes se concentran en una región muy pequeña y ocurre en un tiempo muy corto. Las fuerzas que actúan en esa región son muy elevadas, si los dientes de los engranajes entran en contacto directo, los efectos de la fricción y el desgaste destruirán rápidamente los engranajes. La principal función de un lubricante para engranajes es reducir la fricción entre los dientes del engranaje y de esta forma disminuir cualquier desgaste resultante. Idealmente, esto se logra por la formación de una película delgada de fluido la cual mantiene separadas las superficies de trabajo.

  • Refrigeración. Particularmente en engranajes cerrados, el lubricante debe actuar como un refrigerante y extraer el calor generado a medida que el diente rueda y se desliza sobre otro.

  • Protección. Los engranajes deben ser protegidos contra la corrosión y la herrumbre.

  • Mantener la limpieza. Los lubricantes para engranajes deben sacar todos los desechos que se forman durante el encaje de un diente con otro.

TIPOS DE LUBRICANTES PARA ENGRANAJES

  • Aceites minerales puros . Se aplican en engranajes que trabajan bajo condiciones moderadas de operación.

  • Aceites inhibidos contra la herrumbre y la corrosión (R & O). Se utilizan cuando las temperaturas son altas y existe el riesgo de contaminación con agua, que conduce a la formación de herrumbre en los metales ferrosos. Poseen aditivos antiherrumbre, antiespumantes, antidesgaste y antioxidantes. Estos aceites no tienen muy buena adhesividad, pero trabajan bien en sistemas de circulación donde se aplica en forma continua.

  • Aceites minerales de extrema presión (E.P.). Se utilizan cuando los engranajes tienen que soportar altas cargas o cargas de choque, bajas velocidades y altas cargas. Son aceites inhibidos, a los que se les incorporan aditivos de extrema presión, los cuales son normalmente de azufre y fósforo; es necesario tener mucho cuidado con estos aceites, cuando se aplica en reductores que trabajan en ambientes de alta humedad (ejem.: torres de enfriamiento), ya que el vapor de agua presente puede reaccionar con el azufre y el fósforo formando ácido sulfúrico y ácido fosfórico, que atacan las superficies metálicas.

  • Aceites compuestos. Tienen como característica principal su elevada adhesividad. Son una mezcla de aceite mineral y grasa animal en proporciones variables. Se utilizan en reductores con engranajes de tornillo sin- fin corona en donde la acción de deslizamiento es muy elevada. Estos aceites se pueden filtrar y enfriar sin que se separe la grasa animal del aceite base. La adhesividad también se logra adicionando pequeño porcentaje de un aditivo para tal fin al lubricante, evitando el goteo. Estas son sustancias sintéticas.

  • Aceites sintéticos. Se utilizan generalmente en engranajes que presentan alto grado de deslizamiento, o que trabajan a altas temperaturas por períodos prolongados. Los lubricantes sintéticos requieren una adecuada combinación de aditivos y bases sintéticas fluidas para incrementar los beneficios sobre los aceites minerales. Los más usados son las Polialfaoleinas.

  • Grasas. Su aplicación en engranajes no es muy amplia debido a que tienen muy poca capacidad refrigerante y porque las partículas contaminantes tienden a ser atrapadas y son difíciles de eliminar. Se utilizan algunas veces en la lubricación de engranajes que operan a bajas velocidades y bajas cargas, son comúnmente utilizadas en engranajes abiertos y cajas de engranajes que tienden a dejar escapar aceite; también se utilizan en engranajes que operan intermitentemente, por que las grasas tienen la ventaja de mantener una película de lubricante en los dientes del engranaje, aunque estos no estén girando, lo que permite proporcionar lubricación inmediatamente son arrancados. Las grasas semifluidas sintéticas son particularmente adecuadas para lubricar unidades de engranajes "de por vida". Las grasas para engranajes son blandas, para minimizar la fricción, hacerla algo más fluida y para limitar la tendencia de los engranajes a cortar un canal en la grasa y dejar el diente del engranaje seco.

  • Lubricantes sólidos. Son usados cuando las temperaturas de operación son muy altas o muy bajas, cuando las fugas no pueden ser toleradas, y cuando se debe operar en vacío. Estos lubricantes son películas secas untuosas, que se aplican a los dientes de los engranajes; los más utilizados son el bisulfuro de molibdeno, bisulfuro de tungsteno, grafito, talco y politetrafluoroetileno; son caros, y tienen vida limitada contra el desgaste, pero son ideales para aplicaciones especiales como en el espacio

LAS PROPIEDADES REQUERIDAS PARA UN LUBRICANTE DE ENGRANAJES

Para que un lubricante lleve a cabo sus funciones apropiadamente, debe tener ciertas características, las principales son:

  • Viscosidad. Es la propiedad más importante de un lubricante para engranajes, éste debe tener una viscosidad suficientemente alta para mantener un adecuado espesor de película de aceite entre los dientes del engranaje, bajo cualquier condición de operación. Cuanto más alta sea su viscosidad, más fácilmente se puede lograr esto. Por lo tanto parecería a primera vista que los aceites con alta viscosidad son los mejores lubricantes para engranajes. Sin embargo, hay otros factores a ser tenidos en cuenta. Un lubricante para engranajes no solo lubrica los dientes de éstos, sino también los cojinetes que soportan los ejes de las ruedas de los engranajes. Un incremento en la viscosidad causa una pérdida de potencia a medida que los engranajes y los cojinetes que los soportan están sujetos a un incremento en el arrastre. Esto aumenta la temperatura del sistema de engranajes y del aceite, el cual puede oxidarse rápidamente y espesarse. La situación empeora por el hecho de que los aceites de alta viscosidad no son particularmente efectivos para disipar el calor.

Si la viscosidad es muy alta, los cojinetes se sobrecalentarán y en el peor de los casos puede fallar. Los aceites de alta viscosidad también tienen la desventaja de formar espuma, tienen pobres propiedades de separación de agua, son difíciles de filtrar y son menos hábiles para despojarse de los contaminantes sólidos. Los requerimientos críticos para la viscosidad de un lubricante de engranajes se reúnen mejor cuando se tiene un aceite delgado pero que sea consistente con la lubricación apropiada del diente del engranaje, permitiendo un margen de seguridad razonable. En la práctica, esto significa que las viscosidades de la mayoría de los aceites para engranajes están dentro del rango de viscosidad ISO de 46 a 680 (cst 40º C).

Formación de una cuña de aceite entre LOS DIENTES DE UN ENGRANAJE

  • Lubricación hidrodinámica. Engranajes cargados muy levemente operando a velocidades relativamente altas, son lubricados eficazmente bajo las condiciones de lubricación tipo hidrodinámica. Cuando el engranaje rota, el lubricante se adhiere a las superficies de los dientes, y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuña de lubricante, cuando el lubricante es forzado, en la parte más estrecha de la cuña, la presión se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada. La eficiencia de la lubricación hidrodinámica depende de:

  • Viscosidad del lubricante.

  • El espesor de la película aumenta cuando la viscosidad aumenta.

  • Temperatura. La viscosidad y por tanto el espesor de la película decrece cuando la temperatura aumenta.

  • Carga. El espesor de la película lubricante disminuye cuando la carga se incrementa.

  • Velocidad. El espesor de la película lubricante aumenta cuando la velocidad aumenta.

  • Lubricación de película límite. En engranajes altamente cargados, especialmente aquellos que operan a baja velocidad, la película lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal-metal entre los dientes del engranaje, dándose la condición de lubricación de película límite. La eficiencia de la lubricación depende de la naturaleza química del lubricante y de su interacción con la superficie.

  • Lubricación elastohidrodinámica. Se ha llegado a la conclusión que las condiciones del lubricante que existen en la mayoría de los engranajes no son las que aplican para la lubricación hidrodinámica ni para la lubricación límite. Los dientes de los engranajes están sometidos a enormes presiones de contacto sobre áreas relativamente pequeñas (área de 30.000 bar) y aún así son lubricados eficazmente con películas muy delgadas de aceite, esto es posible por dos razones:

a. Las altas presiones causan la deformación plástica de las superficies y reparten la carga sobre un área más amplia.

b. La viscosidad del lubricante se incrementa considerablemente con la presión, aumentando así la capacidad de carga.

GRADOS DE VISCOSIDAD PARA ENGRANAJES

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Engranajes industriales: Pueden ser clasificados por grado de viscosidad de acuerdo al sistema especificado por la ISO. Ver módulo 1 página 18.

Engranajes automotrices: Pueden ser clasificados por el sistema SAE. Ver módulo 1 página19.

  • INDICE DE VISCOSIDAD

La viscosidad de un aceite disminuye a medida que la temperatura se incrementa. El efecto de la temperatura sobre la viscosidad se define como índice de viscosidad. Los aceites que tienen un alto índice de viscosidad muestran menor variación de la viscosidad con la temperatura, que los aceites que tienen bajo índice de viscosidad. Donde los engranajes tienen que operar en un rango amplio de temperaturas, el índice de viscosidad del lubricante para engranajes debe ser lo suficientemente alto para mantener la viscosidad dentro de los límites requeridos. El aceite no se debe tornar tan delgado a altas temperaturas que sea incapaz de formar una película lubricante adecuada. Ni tampoco se debe espesar demasiado a bajas temperaturas que le sea imposible al motor mover los engranajes, o que el aceite no fluya a través del sistema de lubricación.

  • PROPIEDADES ANTIDESGASTE

En ciertas aplicaciones, particularmente cuando los engranajes están operando bajo cargas de choque, no es posible para un aceite mineral simple proporciona una película que sea lo suficientemente gruesa para evitar el contacto metal-metal. Para estas condiciones se deben incorporar al lubricante los aditivos de extrema presión (o EP). A temperaturas relativamente altas, (que se desarrollan cuando se encajan los dientes de engranajes con altas cargas), estos aditivos reaccionan con las superficies de metal para formar una película química. La película se adelgaza y se rompe más fácilmente que dos superficies metálicas en contacto, y por lo tanto es capaz de reducir la fricción y el desgaste y amortiguar el efecto de la carga.

  • RESISTENCIA A LA OXIDACIÓN

Todos los aceites minerales pueden oxidarse para formar óxidos orgánicos, lacas adherentes y lodos. Esta ruptura química depende del grado de exposición al aire y es acelerada por el calor, la presencia de humedad de ciertos contaminantes especialmente de partículas de metales no ferrosos. Los lubricantes para engranajes están usualmente sometidos a condiciones severas que promueven la oxidación. Estos son calentados por fricción, agitados y revueltos por la acción de los engranajes, y atomizadas por los engranajes, ejes y cojinetes. Los aditivos antioxidantes pueden ser añadidos los lubricantes para engranajes para minimizar la oxidación, y sus problemas asociados, de corrosión y de formación de lodos, para prolongar su vida en servicio.

  • PROPIEDADES ANTICORROSIVAS

Los lubricantes para engranajes no solamente deben ser no corrosivos, sino que también deben proteger las superficies que lubrican de la herrumbre y otras formas de corrosión. Una causa común de corrosión es el agua, que puede entrar en la caja de engranajes, como por ejemplo, por una avería en el sistema de refrigeración o a través de la condensación de humedad de la atmósfera. Esta última forma de contaminación es un problema particular en cajas de engranajes que trabajan intermitentemente y paran por períodos de tiempo, ya que mientras está en funcionamiento el engranaje se genera gran cantidad de calor, que mantiene el agua en estado vapor, pero que condensa y se precipita de nuevo al sistema, al parar el engranaje. Si un aceite va a prevenir la corrosión éste se debe distribuir homogéneamente sobre las superficies metálicas. Los aceites minerales son agentes humectantes pobres, pero las propiedades de humectación al metal tienden a mejorarse con el uso a medida que las impurezas son formadas. Allí donde se requiera un alto grado de resistencia a la herrumbre y a la corrosión, se utilizan aceites que contengan inhibidores de corrosión.

  • PROPIEDADES ANTIESPUMANTES

La espuma se puede presentar cuando los lubricantes están sometidos a la acción de la agitación de los engranajes de alta velocidad, en presencia de agua y aire. La situación puede empeorar por la acción de las bombas de aceite y otros componentes de un sistema de circulación. La espuma puede reducir severamente la eficiencia de lubricación y conducir a la pérdida de lubricante a través del respirador de la caja de engranajes. Los aceites de baja viscosidad altamente refinados generalmente tienen buenas propiedades antiespumantes pero, en algunas situaciones, se debe hacer necesario el uso de un lubricante que tenga aditivos antiespumantes. Esto es particularmente necesario en calidades API GL-3 en adelante.

  • DEMULSIBILIDAD

Para uso industrial los lubricantes para engranajes que están expuestos a ser contaminados con agua deben tener buenas propiedades de demulsibilidad para que el agua y el lubricante se separen rápidamente. Si se dejan formar emulsiones, agua en aceite, estas reducirán la eficiencia de la lubricación de ambos engranajes y sus rodamientos y promueven el deterioro más rápido del aceite, y la oxidación/corrosión de los elementos del sistema de engranaje.

LA SELECCION DE LUBRICANTES PARA ENGRANAJES CERRADOS

Varios factores afectan la selección de un lubricante para un conjunto particular de engranajes cerrados, los principales son: Características de los engranajes, velocidad de los engranajes, efectos de la temperatura y características de carga.

En referencia a la lubricación, los engranajes tipo industrial pueden ser considerados dentro de dos grupos:

1. Engranajes rectos, engranajes helicoidales dobles, engranajes cónicos y cónicos espirales.

Cuando estos engranajes giran, la principal acción de un diente sobre otro es el movimiento de rodadura. En presencia de un lubricante, esta acción causa una cuña hidrodinámica de lubricante entre los dientes. A velocidades suficientemente altas, la cuña será lo suficientemente espesa para separar los dientes que encajan y soportan la carga. A medida que la velocidad disminuye, o la carga aumenta, la película que separa las superficies disminuye su espesor. Eventualmente puede ocurrir algún contacto metal-metal.

La selección del aceite depende principalmente de la velocidad del engranaje y la carga. El aceite debe ser lo suficientemente viscoso para formar una película efectiva de lubricante a la temperatura de operación, pero no tan gruesa que se tenga pérdida excesiva de potencia a través de la fricción fluida. En general, cuanto mayor sea la velocidad a la que el engranaje opera, menor será la viscosidad requerida del lubricante.

Los aceites de menor viscosidad también tienen la ventaja, que son mejores refrigerantes, dan mejor separación de agua y otros contaminantes y tienen menos tendencia a la formación de espuma.

Donde las velocidades son bajas y las cargas son altas, se vuelve imposible de mantener la lubricación hidrodinámica en estos engranajes. Entonces, los aceites que contienen aditivos de extrema presión deben ser usados para reducir la fricción y minimizar el desgaste.

2. Engranajes de tornillo sin-fin

En estos engranajes hay una gran cantidad de contacto deslizante. Este movimiento tiende a sacar cualquier lubricante entre los dientes de los engranajes y es virtualmente imposible mantener una cuña hidrodinámica de aceite. Se utilizan aleaciones especiales para reducir la fricción entre los dientes de los engranajes, pero se generan considerables cantidades de calor y los problemas de lubricación permanecen.

El mejor aceite para engranajes de tornillo sin-fin es un aceite sintético. Este aceite tiene excelentes propiedades de lubricación y es capaz de reducir la fricción, y por lo tanto el consumo de energía, en engranajes de tornillo sin-fin. Tiene un alto índice de viscosidad y es más estable que los aceites minerales al ataque químico.

Los aceites minerales de alta viscosidad pueden ser usados pero tienden a tener una vida de uso más corta que los lubricantes sintéticos, especialmente si las temperaturas de operación son altas.

Velocidad del engranaje

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