Bennett Fitch, Noria Corporation. Traducido por Noria Latin America. Publicado en la revista Machinery Lubrication (2/2016).

De todos los diferentes tipos de configuraciones de engranajes, los sistemas de engranajes corona-sinfín están considerados entre los más problemáticos, ya que presentan retos de lubricación únicos debido a su diseño tan distinto. Para superar estos retos, se deben comprender no solo las complejidades de los engranajes corona-sinfín, sino también las propiedades que debe tener en cuenta al seleccionar su lubricante.

Diseños de engranajes sinfín

Un engranaje sinfín es un diseño de ejes no paralelos, que no se intersectan, que consiste principalmente en el engranaje de dos elementos: el sinfín, que es el engrane impulsor y tiene forma de espiral o tornillo, y la corona, que es el engrane impulsado y tiene la forma de un engrane recto común.

Técnicamente, para evitar confusiones, todo el sistema de engranaje corona-sinfín puede llamarse una unidad sinfín o un conjunto de engranajes sinfín. El sinfín siempre mueve a la corona. Esta característica de diseño se debe al ángulo helicoidal extremo, que es de casi 90 grados. La unidad corona-sinfín se asemeja al diseño de una configuración de engranaje helicoidal cruzado, excepto que los dientes del engranaje en el sinfín darán al menos una vuelta completa alrededor de la circunferencia de la corona. Como el sinfín puede tener tan solo un diente que gira radialmente en forma espiral, el número de dientes del sinfín se identifica más apropiadamente por el número de cuerdas (hilos).

Existen tres categorías de diseños de transmisiones sinfín que describen el grado en que los engranajes hacen contacto entre sí: no envolvente, de envolvente simple y de doble envolvente o globoidal.

El diseño más básico es el no envolvente, en el cual el sinfín y la corona tienen ambos forma cilíndrica. Esto permite una fabricación muy simple, pero la zona de contacto limitada a un solo punto en uno o dos dientes del engranaje puede ser problemática.

En los diseños de envolvente simple, uno de los elementos del engranaje (comúnmente la corona) tiene dientes helicoidales cóncavos para cubrir o envolver los dientes del sinfín. Esto permite que la zona de contacto aumente a una línea.

Los diseños de doble envolvente o globoidales no solo tienen dientes helicoidales cóncavos en la corona, sino que el sinfín también tiene forma como de reloj de arena, de modo que los dos elementos del engranaje se envuelven uno alrededor del otro durante el movimiento. Esto da como resultado casi ocho veces más área de contacto (en forma de una banda radial) con tres o más dientes en contacto.

A medida que aumenta el área de la superficie de contacto, se mejoran la capacidad de torque, la capacidad de soporte de carga (resistencia a cargas de choque) y la durabilidad. Los diseños de engranajes envolventes también tienen una menor tasa de desgaste anticipada como resultado de la distribución de la carga. Los fabricantes de engranajes sinfín intentan optimizar esta relación de contacto entre los dos elementos del engranaje para una mejor confiabilidad.

Figura 4. Diseño de engranaje sinfín de envolvente simple

Otras ventajas notables de las unidades corona-sinfín sobre otros sistemas alternativos de engranajes incluyen:

• Se puede diseñar una transmisión corona-sinfín con una relación de transmisión de más de 200 a 1, en comparación con un engranaje helicoidal, que puede estar limitado a 10 a 1 en una sola reducción. La relación de transmisión para las unidades sinfín es el número de dientes en la corona contra el número de roscas (hilos) en el sinfín.
• La alta relación de transmisión y la configuración de los dos elementos del engranaje permiten un diseño compacto, lo que hace que las unidades sinfín sean una gran opción para áreas de espacio limitado. Además, la cantidad de partes móviles se reduce junto con las oportunidades de falla. Sin embargo, esto puede ser parcialmente compensado por una pérdida en la eficiencia a cambio de un gran aumento en el torque.
• Muchos engranajes corona-sinfín con relaciones más altas bajo condiciones específicas pueden exhibir una propiedad de autobloqueo (mientras que aquellos con relaciones de relaciones más bajas se sabe que invierten libremente la dirección de la potencia). En otras palabras, la corona no puede rotar fácilmente de forma independiente para forzar el movimiento del sinfín. Esta capacidad de autobloqueo estático solo puede ser posible cuando el ángulo de avance del sinfín es menor que el ángulo de fricción estática de los materiales acoplados. Sin embargo, aunque esto puede ser ventajoso, sigue siendo muy importante la necesidad de contar con un freno de contravuelta para evitar una rotación inversa inesperada, ya que aun existe la posibilidad de giro inverso bajo ciertas circunstancias, como cuando se enfrenta con suficiente vibración o cuando se pulen las superficies de los dientes del engranaje con el paso del tiempo.
• Con el movimiento preciso de las unidades sinfín, particularmente en diseños de doble envolvente, el juego entre los dientes del engranaje (backslash) se puede minimizar en gran medida. Esto es crucial en ciertas aplicaciones, como la robótica.
• El bajo ruido y la vibración son resultado de la mínima cantidad de componentes móviles en las unidades sinfín, en comparación con otros diseños de engranajes.

Retos de lubricación

Las unidades corona-sinfín tienen un inconveniente importante: el movimiento relativo entre los dientes en la superficie en contacto de los dos elementos es casi completamente deslizante. Esto plantea un reto importante porque el lubricante es expulsado continuamente del área. Las pérdidas de fricción por deslizamiento dan como resultado temperaturas elevadas y un inadecuado desarrollo de presión hidrodinámica. En consecuencia, puede incrementar la generación de partículas de desgaste. En muchos casos, las altas temperaturas serán el factor limitante en la transmisión corona-sinfín antes de que se alcancen las limitantes de carga. La distribución de la carga en los engranajes de diseño envolvente puede ayudar a reducir este problema, pero el reto aún persiste.

Por otro lado, debido a la naturaleza deslizante de la transmisión sinfín, generalmente se usan metales con un bajo coeficiente de fricción. La corona normalmente contiene metales amarillos, mientras que el sinfín generalmente está hecho de acero. Esto da como resultado características de desgaste más favorables, una mejor capacidad de carga y una menor generación de calor que no se encuentra en otras combinaciones de metales. Los metales amarillos como el bronce, que se utilizan en la corona, pueden presentar retos únicos de lubricación al seleccionar un paquete de aditivos que sea compatible con estos. Con esta combinación metalúrgica, también se espera que la corona actúe como componente de sacrificio en lugar del sinfín, debido al esfuerzo y los costos relativos en la reparación de la transmisión corona-sinfín.

Soluciones de lubricación

Los diseños y materiales de los engranajes se han modernizado a través de los años para lograr una mejor capacidad de soporte de carga, mayores conversiones de torque y una vida más extensa. Las sofisticadas plataformas de prueba y métodos computarizados han proporcionado una mejor comprensión de los modos de falla comunes de las transmisiones sinfín y ofrecen pistas para optimizar las soluciones. Los lubricantes no son la excepción. En términos generales, un lubricante para transmisión corona-sinfín de alta calidad tendrá baja fricción, alta resistencia a la oxidación, buena protección antidesgaste y alto índice de viscosidad.

El aceite base correcto

Si bien el uso de lubricantes formulados con aceite básico mineral es bastante común en las unidades corona-sinfín, emplear aceites básicos sintéticos generalmente da como resultado una mayor eficiencia del engranaje y menores temperaturas de operación. La figura 5 ilustra la vida útil del lubricante y las expectativas de intervalos de cambio de aceite para lubricantes a base de polialfaolefinas (PAO), polialquilen glicol (PAG) y aceites minerales en un rango de temperaturas de la caja de engranajes. La regla de la tasa de Arrhenius establece que por cada aumento de 10 °C (18 ºF) en la temperatura promedio del aceite, se duplica la velocidad de las reacciones químicas (se recorta a la mitad la vida del lubricante).

Figura 5. Comparación entre la vida del lubricante e intervalos de cambios de aceite mineral, PAO y PAG sobre un rango de temperaturas de la caja de engranajes

La eficiencia de transmisión de la energía que entra y que sale del sistema de engranajes puede verse afectada significativamente por el lubricante seleccionado. La figura 6 especifica la mejora en eficiencia al elegir un aceite sintético sobre un aceite mineral, particularmente con los PAG, que tienen un coeficiente de fricción inherentemente bajo.

También se sabe que los PAG reducen las temperaturas de funcionamiento y las pérdidas totales. En la figura 7 se pueden ver comparaciones adicionales entre aceites base mineral y PAG.

Figura 6. Ventajas de un aceite sintético para engranajes sobre un aceite mineral

Los PAGs tienen algunas desventajas, siendo la más notable su elevado costo. También son incompatibles con algunos materiales empleados en sellos, plásticos y recubrimientos de pintura; por lo tanto, siempre confirme la compatibilidad cuando cambie a PAGs.

Figura 7. Polialquilén glicol vs. aceite mineral

Los aditivos correctos

Uno de los trabajos más importantes del aditivo para aceite de engranajes es formar una barrera protectora o de sacrificio entre las superficies en contacto cuando las condiciones exceden la resistencia de la película de aceite fluida. Se debe seleccionar con cuidado el paquete de aditivos para un lubricante de transmisiones corona-sinfín, ya que a menudo se encuentran metales amarillos en las coronas y pueden verse afectados por corrosión a causa del azufre activado dentro del aditivo extrema presión (EP), particularmente en presencia de calor. Sin embargo, los avances en la creación de aditivos con azufre desactivado han ayudado a reducir o eliminar estos ataques corrosivos.

Las transmisiones sinfín pueden enfrentar un reto único de lubricación a película límite, centrándose más en la reducción de la fricción que en los efectos del desgaste. En esas aplicaciones, puede utilizarse un tipo específico de lubricante base mineral conocido como aceite compuesto. Este lubricante está formulado con hasta 10% de ácidos grasos (aceite natural) o grasas animales no ácidas, junto con inhibidores de herrumbre y oxidación y otros aditivos. Esto da como resultado una mejor lubricidad, menor fricción y menor desgaste por deslizamiento.

Los aceites con aditivos EP aún se usan comúnmente en transmisiones corona-sinfín cuando están formulados para ser compatibles con metales amarillos. Sin embargo, tanto los aceites compuestos como los aceites para engranajes EP tienen una limitante de temperatura de trabajo de aproximadamente 80 °C antes de que las tasas de oxidación aumenten rápidamente, lo que genera productos ácidos que pueden atacar los materiales a base de cobre presentes en la corona.

La viscosidad correcta

Además de la temperatura ambiente y de operación, la viscosidad correcta dependerá de diversas variables de la corona, incluyendo la velocidad en la línea de paso, la distancia entre centros y las revoluciones por minuto. Las figuras 8 y 9 proporcionan recomendaciones para la selección del grado de viscosidad ISO en transmisiones sinfín cilíndricas y de doble envolvente, de acuerdo con el estándar de la Asociación Americana de Fabricantes de Engranes (AGMA, por sus siglas en inglés).

Figura 8. Guía de selección de grado de viscosidad ISO para engranajes encerrados tipo corona-sinfín no envolvente (cilíndrico)

Figura 9. Guía de selección de grados de viscosidad ISO para engranes encerrados tipo corona-sinfín de doble envolvente (globoidales)

Como muestran estas recomendaciones y la tabla de intervalos de cambio de aceite, la temperatura tiene un impacto significativo para una lubricación efectiva. No solo el lubricante y la longevidad de la máquina se ven afectados negativamente por las temperaturas más altas, sino que las unidades de sinfín en particular tienen problemas con los picos de temperatura. Como resultado, si se esperan temperaturas más altas, se deben seleccionar alternativas más efectivas de aceites básicos y aditivos. Los aceites sintéticos como los PAOs y los PAGs funcionan mejor que los aceites minerales debido a su mayor resistencia natural a la degradación térmica. Sin embargo, un aumento de 32 °C por encima de la temperatura ambiente en transmisiones corona-sinfín tipo no envolvente (37 °C para las unidades de sinfín tipo doble envolvente) no se considera excesivo para las condiciones de funcionamiento.

El nivel de aceite correcto

Como sucede en la mayoría de las cajas de engranajes lubricadas por salpique, el nivel de aceite en una transmisión sinfín es esencial para mantener su precisión. Dependiendo de la posición del sinfín con relación a la corona, una pequeña reducción del nivel de aceite podría ser la diferencia entre la lubricación ideal y la falta de lubricación. Cuando monitoree el nivel de aceite en alguna de las tres posiciones más comunes en transmisiones corona-sinfín (figura 10), cumpla con las recomendaciones del fabricante, que con frecuencia estarán alineadas con los estándares de profundidad de inmersión en aceite.

Figura 10. Las tres posiciones más comunes de unidades sinfín (Ref. The Lubrication Engineers Manual)

Cuando la velocidad en la línea de paso de los elementos del sinfín supere los 10 metros por segundo, particularmente con las transmisiones sinfín de doble envolvente, se recomienda un sistema de lubricación forzada para rociar toda la cara del sinfín.

Las inspecciones visuales correctas

Además de servir para monitorear el nivel de aceite, un visor o mirilla debe considerarse como una ventana para monitorear la condición del aceite. Puede incluir inspecciones visuales para identificar el oscurecimiento inusual del aceite (un signo de oxidación), lodo visible, partículas sólidas y humedad. Estas inspecciones se pueden realizar de manera más eficiente cuando la mirilla sobresale de la carcasa de la caja de engranes, de tal manera que pueda pasar luz a través de ella, como en el visor que se muestra a la izquierda.

Si es posible, también se debe usar un visor de agua y sedimentos del fondo (BS&W, por sus siglas en inglés). Este dispositivo ayudará a capturar cualquier partícula sólida o líquidos que sean más pesados que el aceite y proporcionará un punto de inspección visual diario.

La elección correcta

El objetivo del lubricante seleccionado debe ser el de proteger a la transmisión corona-sinfín de niveles indeseables de fricción, de los efectos peligrosos de la corrosión y de un funcionamiento ineficiente. Evaluar y lograr el estado óptimo de referencia para cada tipo de diseño de sinfín, de acuerdo con sus condiciones operativas y ambientales, se reducirá a una cosa: justificar los costos de las mejores prácticas de lubricación para minimizar el riesgo y las posibles consecuencias de la falla. Afortunadamente, mejorar las prácticas de lubricación para una transmisión corona-sinfín no debe ser costoso y puede ser tan simple como confirmar que el lubricante cumple con los requisitos mínimos de desempeño; al mismo tiempo que se realizan inspecciones visuales e incluso análisis de aceite para un monitoreo efectivo de su condición. Del mismo modo que las transmisiones corona-sinfín son algunos de los diseños de engranajes más simples y benéficos, las prácticas de lubricación que requieren son igualmente únicas y esenciales.