Y el problema ha escalado aún más en la última década. Toda vez que hace muchos años los engranes estaban sobredimensionados y capaces de soportar años de uso y abuso, hoy en día las transmisiones con engranes son componentes de precisión con cada vez mayores densidades de potencia que exigen poner una mayor atención en la lubricación.

En esta serie de artículos, revisaremos los factores que tienen impacto sobre la lubricación de precisión – incluyendo la selección del lubricante – en aplicación industrial y control de contaminación, así como la manera de desarrollar prácticas de lubricación de precisión para engranes sellados.

Fundamentos de Lubricación Para Transmisiones a Base de Engranes 

Viéndolos desde la perspectiva de la lubricación, los engranes pueden categorizarse en base a su diseño (geometría del engrane), velocidad y carga. Para engranaje de alta velocidad, las superficies son separadas por una película completa de aceite (lubricación hidrodinámica o elasto-hidrodinámica). Las transmisiones a base de engranes de baja velocidad y/o transmisiones de carga pesada tienden hacia la lubricación limítrofe en donde la carga puntual pudiera resultar en una separación de las superficies entre los dientes del engrane que es igual o menor a la rugosidad media superficial de los engranes concordantes (lubricación limítrofe). La Tabla 1 nos presenta una panorámica general de los tipos más comunes de engranes y del tipo de película de lubricación recomendada bajo diferentes cargas y velocidad.

Tabla 1: Regímenes típicos de lubricación en engranes

En la mayoría de los engranes, las fuerzas de fricción entre los dientes del engrane es generalmente una combinación de fricción del deslizamiento y de rodamiento. El grado de la fricción de deslizamiento contra la de rodamiento, aunado a la velocidad de rotación y la carga aplicada, tiene que ver con la manera como embonan las superficies reciprocantes y al final de cuentas con la efectividad del lubricante en la reducción del desgaste mecánico. 

Para ilustrar este punto, consideremos uno de los diseños más simples de engranes: un engrane de bordes rectos con perfil de dientes curvos en los engranes (figura 1). Para beneficio de la discusión, estaremos considerando: la interacción entre los dientes de los engranes que interactúan: el contacto de la punta a la raíz y el contacto de la línea de paso.

Figura 1. Engranes de Bordes rectos con perfil de dientes curvos

En un diseño de engranes de bordes rectos con dientes curvos, tal como el mostrado en la Figura 1, el contacto en la línea de paso de cada juego de engranes es casi exclusivamente por fricción de rodamiento. La fricción por rodamiento está definida por dos superficies que se aproximan una a la otra en dirección perpendicular (Figura 2a). Estando bajo la condición de contacto de rodamiento, la separación entre las superficies en movimiento dependerá de la carga aplicada y la velocidad. A mayores velocidades, la mayor presión sobre el lubricante que está bajo carga causa un rápido aumento en la viscosidad del fluido. Con la suficiente presión, el lubricante puede sufrir un cambio de fase instantáneo de líquido a sólido, el cual, a su vez, pudiera resultar en una deformación elástica de las superficies maquinadas de embone. La deformación elástica de la superficie resulta en que las cargas sean disipadas a través de una mayor área superficial, permitiendo que los engranes trasmitan la carga aplicada sin desgaste mecánico puesto que las superficies están separadas por una película completa de aceite. Este es un efecto conocido como lubricación elasto-hidrodinámica (EHL, por sus siglas en inglés). La clave para una lubricación elasto-dinámica efectiva es tener un lubricante con la viscosidad suficiente y un elevado coeficiente de presión de la viscosidad. Si se tiene viscosidad muy baja o un reducido coeficiente de presión de la viscosidad, esto pudiera redundar en un contacto metal a metal, reduciendo drásticamente la expectativa de vida de los engranes.

Para engranes de menor velocidad bajo fricción de rodamiento, la razón a la cual se aproximan las dos superficies es demasiado lenta para permitir formarse a la película de EHL. Bajo estas condiciones, ocurrirá la lubricación limítrofe, la cual necesita la utilización de presión extrema y aditivos anti fatiga para evitar la ocurrencia del desgaste.

Contacto de rodamiento  ----- Contacto de deslizamiento

Figuras 2a y 2b: Contacto de Rodamiento y Contacto de Deslizamiento Entre Dos Superficies de Fricción 

Por el contrario, de la punta a la raíz de un perfil curvo de dientes de engrane (figura 1) así como en muchas otras geometrías de engranes, la fuerza de fricción dominante es la fricción del deslizamiento. La fricción de deslizamiento implica movimiento superficial en una dirección paralela (figura 2b). En engranajes de alta velocidad, la velocidad relativa a la carga típicamente es lo suficientemente elevada de manera que las superficies en movimiento están separadas por una película completa de aceite. No obstante, a diferencia de la fricción de rodamiento en donde la lubricación elasto-hidrodinámica es normal, la fricción del deslizamiento de alta velocidad resulta en una separación hidrodinámica entre las superficies en movimiento, un efecto muy similar al del esquiador acuático experimentando una “elevación” una vez que la velocidad de la lancha que lo está arrastrando es lo suficientemente alta para la carga aplicada (el peso del esquiador y las dimensiones del esquí acuático). La lubricación hidrodinámica necesita que el aceite tenga la viscosidad suficiente para la carga aplicada y la velocidad, en donde ambas tienen impacto sobre el espesor de la película de aceite.

Para engranes más lentos, como los engranes de baja velocidad en un reductor de velocidad, la viscosidad del aceite necesario para la elevación hidrodinámica es demasiado alta comparado con la capacidad del aceite para fluir hacia la zona de carga. Esto da como resultado que no pueda mantenerse una película de aceite hidrodinámica y, nuevamente, se tienen las condiciones dominantes de lubricación limítrofe. Cuando ocurre la lubricación limítrofe al mismo tiempo que un movimiento de deslizamiento, puede ocurrir un severo desgaste por deslizamiento – conocido a veces como desgaste adhesivo, de rozadura o por arrastre. En una geometría curva de engranes, esto ocurre normalmente justo por arriba y por debajo de la línea de paso y las fuerzas de fricción hacen una transición pasando de ser de rodamiento puro a una fricción por deslizamiento.

El movimiento por deslizamiento también resulta en altas temperaturas localizadas, que provocan una reducción en la viscosidad del aceite y también pueden causar que el aceite sea eliminado de la superficie de los engranes convergentes, impidiendo aún más la formación de una película de aceite. Bajo estas circunstancias, los engranes que se están embonando estarán bajo condiciones de lubricación limítrofe. Donde se anticipa que haya lubricación limítrofe, deben utilizarse aditivos especiales de prevención del desgaste para proteger los dientes del engrane.

Selección del aceite lubricante para engranes

Los Lubricantes Utilizados en Engranajes Vienen en Tres Tipos Básicos:

• Aceites inhibidores de corrosión y oxidación (R&O)
• Aceites de presión extrema (EP)
• Aceites compuestos (COMP), conocidos a veces como aceites de cilindro 

El tipo de lubricante empleado dependerá del tipo de régimen de lubricación (hidrodinámico, elasto-hidrodinámico, limítrofe, etc.) y del tipo de juego de engranes. Para aplicaciones de alta velocidad donde existen condiciones de película completa, se utilizan los aceites simples inhibidores de corrosión y oxidación. Además de sus propiedades lubricantes, estos aceites también deben mostrar buena resistencia a la oxidación para contrarrestar los efectos del calor generado y una buena resistencia a la corrosión para contrarrestar los efectos de cualquier ingreso de humedad ambiental y proteger así cualquier metal amarillo que pudiera estar presente.

Para engranes de baja velocidad o de mayor carga en donde simplemente no es posible tener una separación completa con película, deben utilizarse los aceites para engranes con aditivos para presiones extremas. Existen varios tipos diferentes de aditivos EP, desde las películas químicas que reaccionan con y recubren las superficies de los engranes hasta las suspensiones sólidas que mejoran la lubricidad bajo contactos de deslizamiento. No obstante, todos tienen la misma función básica: reducir el coeficiente de fricción bajo condiciones de lubricación limítrofe.

En particular para engranes sin fin, suele recomendarse utilizar un aceite compuesto en lugar de un aceite con aditivos EP. Hay dos razones para esto. Primero, algunos aditivos EP químicamente activos pueden ser corrosivos a los metales amarillos (latón, bronce, etc.), comúnmente utilizados para la cremallera en transmisiones del tornillo sinfín o en jaulas de rodamiento. En segundo lugar, los aceites compuestos contienen agentes de lubricidad basados en materiales grasos que realizan un mejor trabajo en la reducción del coeficiente de fricción por deslizamiento, que es la fuerza de fricción dominante en la mayoría de las transmisiones del tornillo sinfín. No se recomienda la utilización de aditivos EP en engranes que contienen metales amarillos operando a temperaturas elevadas (60-65ºC y mayores).

Así como en cualquier otra aplicación de lubricantes, la viscosidad es la decisión más importante en la selección de un aceite para engranes. La viscosidad es elegida en base a la velocidad y tamaño de los engranes calculando la velocidad de la línea de paso y las temperaturas ambientes de operación. Aunque este es un buen punto de partida, también deben tomarse en cuenta otras variables, tales como la carga de choque o las condiciones de arranque en temperaturas ambiente frías, para poder tener una selección óptima del lubricante. La no concordancia de la viscosidad es uno de los errores más comunes en la lubricación de las cajas de engranes. La Tabla 2 proporciona una buena pauta general para la selección de la viscosidad.

Con frecuencia, se adoptan las recomendaciones de los fabricantes de equipo original (OEM) en la selección del lubricante correcto para engranes. Aunque esta es una excelente práctica en muchas aplicaciones donde hay presentes condiciones extremas, tales como temperaturas de operación altas o bajas o cargas de choque, estas pautas de los OEM deben considerarse apenas como un punto de partida y deben ajustarse ya sea hacia arriba o hacia abajo dependiendo de la aplicación.

Tabla 2: Grado de Viscosidad Recomendado Para Engranes Sellados en Base a la Velocidad de la Línea de Paso de los Engranes de Más Baja Velocidad y la Temperatura de Operación

En algunos casos, como en las temperaturas de operación altas o bajas o por el deseo de extender los intervalos de drenaje del aceite, se recomienda el uso de aceite de engranes de alto desempeño, incluyendo los aceites sintéticos. Donde pueda justificarse financieramente su utilización, esos lubricantes ofrecen beneficios significativos en los arranques en baja temperatura, estabilidad térmica y de oxidación en altas temperaturas, así como mejoría en la fuerza de la película. Aunque existen varios tipos diferentes de aceites sintéticos para engranes, los dos más comunes son los de poli-alfa-olefinas (PAO) y poli-alquilen-glicoles (PAG). Ambos tienen sus méritos, pero su uso debe ser juicioso puesto que el costo de cambiar a un aceite sintético para engranes puede rebasar por mucho los beneficios. Al seleccionar aceite sintético para engranes, no es raro bajar un grado en la viscosidad ISO con relación a la recomendación del OEM puesto que la viscosidad efectiva de un aceite sintético para engranes a temperaturas elevadas de operación suele igualar a aquella del aceite mineral recomendado por el OEM debido al mayor índice de viscosidad de los aceites sintéticos.

Asimismo, los fluidos PAG se están utilizando en cajas de engranes, incluyendo el llenado inicial en fábrica. Toda vez que estos tipos de lubricantes ofrecen ventajas sustanciales, incluyendo menores coeficientes de fricción por deslizamiento y mejor control de depósitos, debe tenerse mucho cuidado con la utilización de fluidos PAG puesto que son químicamente incompatibles con fluidos hidrocarburos, incluyendo aceites convencionales para engranes de base mineral y los sintéticos PAO.

Resumen

Aunque la selección del lubricante es un primer paso importantísimo para asegurar la confiabilidad en las cajas de engranes, igual de importante es cómo se le da mantenimiento a la caja de engranes a lo largo de su vida. La medida en la cual se controla el agua, la humedad y otros contaminantes, así como la introducción de prácticas de mantenimiento de precisión, tales como las inspecciones básicas y análisis de aceite, tienen un marcado impacto en la longevidad y el desempeño de las cajas de engranes en servicio. En las subsiguientes partes 2 y 3 de esta serie, examinaremos cómo asegurar que las transmisiones a base de engranes en su planta sigan operando de manera confiable y eficiente.

Por: Mark Barnes, CMRP, es Vicepresidente del Equipo de Servicios de Confiabilidad de los Equipos en Des-Case Corporation. Mark ha sido un consultor y educador activo en el campo del mantenimiento y confiabilidad durante más de 17 años. El tiene título de doctorado en Química Analítica. www.descase.com