- Principios de funcionamiento de los
engranajes - Terminología de los
engranajes - Acción entre los dientes de los
engranajes - 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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 engranajeDistancia 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.
.
.Acción entre
los dientes de los engranajes
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.
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.
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.
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
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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