¿Qué es un engranaje corona-sinfín?
Un engranaje sinfín consiste en un eje con una rosca en espiral que engrana con una rueda dentada y la impulsa. Los engranajes sinfín son un tipo de engranaje antiguo y una versión de una de las seis máquinas simples. Básicamente, un engranaje sinfín consiste en un tornillo que se apoya contra lo que parece un engranaje recto estándar, con dientes ligeramente angulados y curvados.
Cambia el movimiento de rotación 90 grados, y el plano de movimiento también cambia debido a la posición del sinfín sobre la rueda dentada (o simplemente «la corona»). Normalmente están compuestos por un sinfín de acero y una corona de latón.
Figura 1. Engranaje sinfín. La mayoría de los sinfines (aunque no todos) se encuentran en la parte inferior.
Cómo funcionan los engranajes sinfín
Un motor eléctrico aplica potencia rotatoria al sinfín, el cual gira contra la corona y la cara del tornillo presiona los dientes de esta, siendo empujada la corona contra la carga.
Usos de los engranajes sinfín
Hay algunas razones por las cuales se elegiría un engranaje sinfín en lugar de un engranaje estándar.
La primera es la alta relación de reducción. Un engranaje sinfín puede alcanzar una relación de reducción considerable con poco esfuerzo; basta con aumentar la circunferencia de la corona. Por lo tanto, se puede usar para aumentar considerablemente el par o reducir considerablemente la velocidad. Normalmente, se requieren múltiples reducciones de un juego de engranajes convencional para lograr el mismo nivel de reducción que un solo engranaje sinfín, lo que significa que quienes usan engranajes sinfín tienen menos piezas móviles y menos posibilidades de falla.
Una segunda razón para usar un engranaje sinfín es la imposibilidad de invertir la dirección de la potencia. Debido a la fricción entre el sinfín y la corona, es prácticamente imposible que una corona, al aplicarle fuerza, inicie el movimiento del sinfín.
En una caja de engranajes estándar, la entrada y la salida pueden girar independientemente al aplicar suficiente fuerza. Esto requiere añadir un freno antirretorno a la caja de engranes estándar, lo que aumenta aún más la complejidad del conjunto de engranajes.
¿Por qué no utilizar engranajes sinfín?
Hay una razón particularmente evidente por la que no se debería elegir un engranaje sinfín en lugar de uno estándar: la lubricación. El movimiento entre el sinfín y las caras del engranaje es completamente deslizante. No hay componente rodante en el contacto o interacción de los dientes. Esto dificulta su lubricación.
Los lubricantes necesarios suelen tener una viscosidad muy alta (ISO 320 y superior) y, por lo tanto, son difíciles de filtrar; además, suelen estar especializados en lo que hacen, lo que requiere que se tenga en sitio un producto específicamente para ese tipo de máquina.
Lubricación de engranajes sinfín
El principal problema de un engranaje sinfín reside en su transferencia de potencia. Es una ventaja y una desventaja a la vez. El movimiento en espiral permite una gran reducción en un espacio comparativamente pequeño para lo que se requeriría si se utilizara un engranaje helicoidal estándar.
Este movimiento en espiral también provoca una condición increíblemente problemática que se convierte en el modo principal de transferencia de potencia, conocida comúnmente como fricción deslizante o desgaste por deslizamiento.
En un juego de engranajes típico, la potencia se transfiere en el punto de carga máxima del diente (conocido como vértice o línea de paso), al menos en condiciones de desgaste por rodadura. El deslizamiento se produce a ambos lados del vértice, pero la velocidad es relativamente baja.
Con un engranaje sinfín, el movimiento deslizante es la única transferencia de potencia. A medida que el sinfín se desliza por los dientes de la corona, va desgastando lentamente la película lubricante hasta que esta desaparece. Como resultado, el sinfín roza el metal de la corona en un régimen de lubricación límite. Cuando la superficie del sinfín se separa de la superficie de la corona, atrae más lubricante y reinicia el proceso en la siguiente revolución.
La fricción de rodadura en un diente de engranaje típico requiere poca película lubricante para rellenar los espacios y separar los dos componentes. Dado que el deslizamiento se produce a ambos lados de la línea de paso del diente, se requiere una viscosidad ligeramente superior a la estrictamente necesaria para el desgaste por rodadura a fin de superar dicha carga. El deslizamiento se produce a una velocidad relativamente baja.
El sinfín gira y, al hacerlo, se aplasta contra la carga que recae sobre la corona. La única manera de evitar que el sinfín toque la corona es tener una película lo suficientemente gruesa como para que no se limpie el lubricante de toda la superficie del diente antes de que esa parte del sinfín salga de la zona de carga.
Esta situación requiere un lubricante especial. No solo deberá ser un lubricante de viscosidad relativamente alta (y cuanto mayor sea la carga o la temperatura, mayor deberá ser la viscosidad), sino que también deberá tener alguna forma de ayudar a superar la condición de deslizamiento presente.
Lea La forma correcta de lubricar engranajes corona-sinfín para obtener más información sobre este tema.
Viscosidad
La viscosidad es el factor principal que impide que el sinfín toque la corona en un juego de engranajes sinfín. Si bien la carga y el tamaño del engranaje determinan el lubricante necesario, una viscosidad ISO 460 o ISO 680 es bastante común, y una ISO 1000 no es poco común. Si alguna vez ha intentado filtrar este rango de viscosidad, sabe que es problemático, ya que es probable que ninguno de los filtros o bombas que tenga en su planta tenga el tamaño o la capacidad adecuados para funcionar correctamente.
Por lo tanto, probablemente necesite una bomba y un filtro específicos para este tipo de unidad. Un lubricante tan viscoso requiere una bomba de funcionamiento lento para evitar que active la derivación del filtro. También necesitará un filtro de gran superficie para permitir el flujo del lubricante.
Tipos de lubricantes que debe buscar
Un tipo de lubricante comúnmente utilizado con engranajes sinfín son los aceites para engranajes compuestos, de base mineral. No existen aditivos que puedan añadirse a un lubricante que lo protejan del desgaste por deslizamiento indefinidamente, pero la combinación de aditivos grasos, naturales o sintéticos, en los aceites para engranajes compuestos proporciona una buena lubricidad, lo que proporciona una medida adicional de protección contra el contacto metal con metal.
Otro tipo de lubricante comúnmente utilizado con engranajes sinfín son los aceites minerales para engranajes industriales de extrema presión (EP). Este tipo de lubricante presenta algunos problemas si se utiliza un engranaje sinfín con un componente de metal amarillo (latón). Sin embargo, si las temperaturas de funcionamiento son relativamente bajas o no hay metal amarillo presente en las superficies de los dientes del engranaje, este lubricante funciona bien.
Los lubricantes para engranajes a base de polialfaolefina (PAO) son eficaces en aplicaciones de engranajes sinfín gracias a su buena lubricidad natural. Con un aceite para engranajes PAO, es necesario controlar el paquete de aditivos, ya que pueden contener aditivos EP. Un aceite para engranajes fortificado con aditivos antidesgaste (AW) de uso estándar suele ser aceptable, pero es importante comprobar que sus propiedades sean compatibles con la mayoría de los metales.
El autor recomienda vigilar de cerca los metales de desgaste en las pruebas de análisis de aceite para garantizar que el paquete AW no sea tan reactivo como para causar una lixiviación significativa del latón (cobre). El efecto debería ser mucho menor que el observado con EP, incluso en el peor escenario de reactividad del AW, pero puede aparecer en las pruebas de metales. Si necesita un lubricante que soporte temperaturas más altas o bajas de lo habitual, probablemente exista un producto PAO adecuado.
Los polialquilenglicoles (PAG), un cuarto tipo de lubricante, son cada vez más comunes. Estos lubricantes tienen excelentes propiedades de lubricidad y no contienen las ceras que causan problemas a bajas temperaturas con muchos lubricantes minerales, lo que los convierte en una excelente opción para bajas temperaturas. Se debe tener precaución al usar aceites PAG, ya que no son compatibles con aceites minerales ni con algunos sellos y pinturas.
Metalurgia de engranajes sinfín
Los engranajes sinfín más comunes se fabrican con una corona de latón y un sinfín de acero. Esto se debe a que la corona de latón suele ser más fácil de reemplazar que el propio sinfín. La corona está hecha de latón porque está diseñada para ser de sacrificio.
En caso de contacto entre ambas superficies, el sinfín está ligeramente protegido del desgaste debido a que la corona es más blanda y, por lo tanto, la mayor parte del desgaste se produce en ella. Los análisis de aceite de este tipo de unidad casi siempre muestran cierta cantidad de cobre y bajos niveles de hierro, debido a la corona de sacrificio.
Esta corona de latón plantea otro problema en la lubricación de los engranajes sinfín. Si se introduce un aceite para engranajes con aditivos EP con azufre y fósforo en el reservorio de un engranaje sinfín con corona de latón, y la temperatura es suficientemente alta, el aditivo EP se activará. En engranajes de acero normales, esta activación produce una fina capa de oxidación en la superficie que ayuda a proteger el diente del engranaje de cargas de impacto y otras condiciones mecánicas extremas. Sin embargo, en la superficie de latón, la activación del aditivo EP provoca una corrosión significativa por el azufre. En poco tiempo, se puede perder una parte significativa de la superficie de carga de la corona y causar daños importantes.
Otros materiales
Algunos de los materiales menos comunes que se encuentran en los juegos de engranajes sinfín incluyen:
Sinfín y corona de acero: esta aplicación no presenta las complicaciones que tienen los aditivos EP en los engranajes de latón, pero una caja de engranajes como esta no admite errores. Las reparaciones de conjuntos de engranajes sinfín con esta combinación de metal suelen ser más costosas y lentas que las de un conjunto de engranajes sinfín de latón y acero. Esto se debe a que la transferencia de material asociada con la falla inutiliza tanto el sinfín como la corona durante la reconstrucción.
Tornillo sinfín y corona de latón: esta aplicación se encuentra con mayor frecuencia en situaciones de carga moderada a ligera, ya que el latón solo soporta una carga menor. La selección del lubricante para esta combinación de metales es flexible debido a la menor carga, pero aun así se deben considerar las restricciones de los aditivos en cuanto al efecto del aditivo extrema presión (EP) debido al metal amarillo.
Plástico sobre metal, sobre plástico y otras combinaciones similares: esto se suele encontrar en aplicaciones con cargas relativamente ligeras, como la robótica y los componentes automotrices. La selección del lubricante depende del plástico utilizado, ya que muchas variedades reaccionan a los hidrocarburos del lubricante convencional y, por lo tanto, requieren lubricantes a base de silicona u otros lubricantes no reactivos.
Aunque un engranaje sinfín siempre presenta algunas complicaciones en comparación con un conjunto de engranajes estándar, puede ser fácilmente un equipo eficaz y confiable. Con un poco de atención a la configuración y la selección del lubricante, los engranajes sinfín pueden brindar un servicio tan confiable como cualquier otro tipo de conjunto de engranajes.
Lecturas relacionadas: Ray Thibault. «Lubricación de engranajes sinfín». Revista Machinery Lubrication. Mayo-junio de 2001.
Aarón Black. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América