Bennett Fitch, Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

De todas las diferentes configuraciones de engranajes, los sistemas de engranajes corona sinfín se consideran algunos de los más problemáticos porque presentan desafíos de lubricación únicos debido a su diseño único. Para superar estos desafíos, debe comprender no solo las complejidades de los engranajes corona sinfín, sino también las cualidades que debe tener en cuenta al elegir un lubricante para estos engranajes.

Diseños de engranajes corona sinfín

Un engranaje corona sinfín es un diseño de eje no paralelo, que no se cruza, que consta principalmente de dos elementos: el tornillo sinfín, que es el engranaje impulsor en forma de espiral o tornillo, y la corona o rueda dentada, que es el engranaje impulsado en forma de engranaje recto común.

Técnicamente, todo el sistema de engranajes corona sinfín debería llamarse transmisión corona sinfín o conjunto de engranajes corona sinfín para evitar confusiones. El sinfín siempre impulsa a la corona. Esta característica de diseño se debe al extremo ángulo helicoidal, que es de casi 90 grados.

El tornillo sinfín se asemeja al diseño de la configuración de engranajes helicoidales cruzados, excepto que los dientes del sinfín darán vueltas alrededor de la circunferencia de la corona al menos una vez. Dado que el sinfín puede tener tan solo un diente que gira en espiral radialmente alrededor de la corona, el número de dientes del sinfín se identifica más apropiadamente por el número de cuerdas o inicios.

Hay tres categorías de diseños de transmisiones corona sinfín que describen el grado en que los engranajes engranan juntos: sin cuello (no envolvente), de cuello simple (envolvente simple) y de doble cuello (envolvente doble o globoidal).

Sin cuello o sin envoltura es el diseño más básico en el que el sinfín y la corona tienen forma cilíndrica. Esto permite una fabricación simplista, pero la zona de contacto limitada de un solo punto en uno o dos dientes de engranaje puede volverse problemática.

En los diseños de un solo cuello o de envolvente simple, uno de los elementos del engranaje (más comúnmente la corona) tiene dientes cóncavos para el contorno o envoltura de los dientes del sinfín. Esto permite que la zona de contacto aumente a una línea.

Los diseños de doble cuello (doble envoltura) o globoidales no solo tienen dientes corona sinfín cóncavos en la corona, sino que el sinfín también tiene forma de reloj de arena, por lo que los dos elementos de engranaje se envuelven entre sí durante el movimiento. Esto da como resultado casi ocho veces más área de contacto (en forma de 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 torsión, la capacidad de sujeción de carga (resistencia a la carga de impacto) y la durabilidad. Los diseños de engranajes envolventes también tienen una tasa de desgaste anticipada más baja como resultado de la distribución de la carga.

Los fabricantes de transmisiones sinfín intentan optimizar esta relación de contacto entre los dos elementos de engranaje para mejorar la confiabilidad.

Figura 4. Mando sinfín con cuello simple (envolvente simple)

Figura 4. Mando sinfín con cuello simple (envolvente simple)

Otras ventajas notables de los tornillos sinfín sobre las posibles alternativas de sistemas de engranajes incluyen:

  • Una transmisión corona sinfín se puede diseñar con una relación de transmisión de más de 200 a 1, en comparación con la de un engranaje helicoidal, que puede limitarse a 10 a 1 en una sola reducción. La relación de transmisión de los mandos sinfín es el número de dientes de la corona y el número de hilos (o inicios) del tornillo sinfín.
  • La alta relación de transmisión y la configuración de los dos elementos de engranaje permiten un diseño compacto, lo que hace que el tornillo sinfín sea una excelente opción para áreas con espacio limitado. Además, la cantidad de piezas móviles se reduce junto con las oportunidades de falla. Sin embargo, esto puede compensarse parcialmente por una pérdida de eficiencia debido a grandes aumentos de torque.
  • Muchas transmisiones corona sinfín en relaciones más altas bajo condiciones específicas pueden exhibir una propiedad de autobloqueo (mientras que aquellas con relaciones de engranajes más bajas son conocidas por invertir libremente la dirección de la potencia). En otras palabras, la corona no se puede girar 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 tornillo sinfín es menor que el ángulo de fricción estática de los materiales acoplados. No obstante, si bien esto puede ser ventajoso, la necesidad de un tope o freno para evitar una rotación inversa inesperada sigue siendo muy importante, ya que la conducción hacia atrás sigue siendo una posibilidad en determinadas circunstancias, como cuando se enfrenta a una vibración suficiente o cuando las superficies de los dientes del engranaje se pulen con el tiempo.
  • Con el movimiento preciso de las transmisiones corona sinfín, particularmente en diseños de doble envoltura, el backslash (juego entre los dientes del engranaje) se puede minimizar en gran medida. Esto es crucial en ciertas aplicaciones, como la robótica.
  • El bajo nivel de ruido y vibración es el resultado de un mínimo de componentes móviles en los engranajes corona sinfín en comparación con diseños de engranajes alternativos.

Desafíos de la lubricación

Los diseños corona sinfín tienen un gran inconveniente: el movimiento relativo entre los dientes de acoplamiento de los dos elementos es casi completamente deslizante. Esto plantea un desafío importante porque el lubricante se desplaza continuamente hacia un lado.

Las pérdidas por fricción por deslizamiento dan como resultado temperaturas elevadas y un desarrollo inadecuado de la presión hidrodinámica. En consecuencia, puede aumentar la generación de partículas de desgaste. En muchos casos, las temperaturas más altas serán el factor limitante en el sinfín antes de que se alcancen las limitaciones de carga. La distribución de carga de los diseños de engranajes envolventes puede reducir este problema, pero el desafío aún persiste.

Además, debido a la naturaleza deslizante del tornillo sinfín, generalmente se utilizan metales con un bajo coeficiente de fricción. La corona generalmente contiene metales amarillos, mientras que el sinfín generalmente está hecho de acero. Esto da como resultado características de desgaste más favorables, mejor capacidad de carga y menor generación de calor que no se encuentran en otras combinaciones de metales.

Los metales amarillos como el bronce que se utilizan en la corona sinfín pueden presentar desafíos de lubricación únicos al seleccionar un paquete de aditivos compatible. Con esta combinación metalúrgica, también se espera que la corona actúe como elemento de sacrificio en comparación con el sinfín debido al esfuerzo y los costos relativos en las reconstrucciones de la transmisión corona sinfín.

Soluciones de lubricación

Los diseños y materiales de los engranajes se han modernizado a lo largo de los años para lograr una mejor capacidad de carga, conversiones de torque más altas y una mayor longevidad. Las plataformas de prueba sofisticadas y los métodos computarizados han proporcionado una mejor comprensión de los modos de falla comunes de las transmisiones sinfín y han ofrecido pistas para optimizar las soluciones.

Los lubricantes no son una excepción a estas mejoras para las transmisiones corona sinfín. En términos generales, un lubricante de alta calidad tendrá baja fricción, alta resistencia a la oxidación, buena protección antidesgaste y alto índice de viscosidad.

El aceite base adecuado

Si bien el uso de lubricantes formulados con aceite mineral es bastante común dentro de las transmisiones corona sinfín, el empleo de bases lubricantes sintéticas generalmente resulta en una mejor eficiencia de los engranajes y temperaturas de operación más bajas.

La Figura 5 ilustra la vida útil del lubricante y las expectativas del intervalo de cambio de aceite para aceites minerales, polialfaolefinas (PAO) y polialquilenglicoles (PAG) en un rango de temperaturas del depósito de aceite. Esto está respaldado por la regla la tasa de Arrhenius, que establece que por cada aumento de 10 ºC en la temperatura promedio del aceite, las velocidades de las reacciones químicas se duplican.

La eficiencia de transmisión de potencia de la entrada y salida del sistema de engranajes puede verse significativamente influenciada por el lubricante seleccionado. La Figura 6 especifica la eficiencia mejorada al elegir un aceite sintético sobre un aceite mineral, particularmente 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 muestran comparaciones adicionales entre los aceites base mineral y PAG.

Los PAG tienen algunos inconvenientes, en particular sus costos más altos. Tampoco son compatibles con algunos materiales de sellado, plásticos y recubrimientos de pintura, por lo que siempre se debe confirmar la compatibilidad cuando cambie a PAG.

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

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

Figura 7. Polialquilén glicol vs. Aceite mineral

Figura 7. Polialquilén glicol vs. Aceite mineral

Los aditivos adecuados

Uno de los trabajos más importantes del aditivo de un aceite para engranajes es formar una barrera protectora o de sacrificio entre las superficies en contacto cuando las condiciones exceden las de la resistencia de la película del aceite.

Un paquete de aditivos para un lubricante en una transmisión sinfín debe seleccionarse con cuidado, ya que los metales amarillos que a menudo se encuentran dentro de los engranajes corona sinfín pueden verse afectados negativamente por la corrosión del azufre activado dentro del aditivo de extrema presión (EP), particularmente en presencia de calor. Sin embargo, los avances en la formulación de aditivos con azufre desactivado han ayudado a reducir o eliminar estos ataques corrosivos.

Los engranajes corona sinfín pueden presentar un reto de lubricación límite único, con un enfoque más en la reducción de la fricción que en los efectos del desgaste. En estas aplicaciones, se puede utilizar un tipo específico de lubricante mineral conocido como aceite compuesto.

Este lubricante está formulado con hasta un 10 por ciento de ácido graso (aceite natural) o sebo sin ácido como agente compuesto 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 EP todavía se usan comúnmente en aplicaciones corona sinfín cuando están formulados para ser compatibles con metal amarillo. Sin embargo, tanto los aceites compuestos como los aceites para engranajes EP tienen una limitante de temperatura de trabajo de aproximadamente 80 ºC antes de que las tasas de oxidación aumenten rápidamente, lo que da como resultado productos ácidos que pueden atacar los materiales de la corona fabricada a base de cobre.

La viscosidad adecuada

Aparte de la temperatura ambiente y de funcionamiento, la viscosidad correcta dependerá de diversas variables de la corona, incluida 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 corona sinfín cilíndricas y de doble envoltura de acuerdo con el estándar 9005-F16 de la Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes (AGMA, por sus siglas en inglés).

Figura 8. Guías de selección de viscosidad ISO para transmisiones corona sinfín cilíndricos cerradas

Figura 8. Guías de selección de viscosidad ISO para
transmisiones corona sinfín cilíndricos cerradas

Figura 9. Guías para selección de viscosidad ISO para transmisiones corona sinfín globoidales cerradas

Figura 9. Guías para selección de viscosidad ISO para
transmisiones corona sinfín globoidales cerradas

Como muestran estas recomendaciones y la tabla de intervalos de cambio de aceite, la temperatura tiene un impacto significativo en una lubricación efectiva. No solo el lubricante y la longevidad de la máquina se ven afectados negativamente por las temperaturas más altas, sino que los engranajes sinfín en particular tienen problemas con los picos de temperatura. Como resultado, si se esperan temperaturas más altas, se deben seleccionar alternativas más efectivas para las bases lubricantes y los aditivos.

Los aceites sintéticos como los PAO y PAG funcionan mejor que los aceites minerales debido a su mayor resistencia natural a la degradación térmica. Sin embargo, un aumento de 32 ºC por encima de la temperatura ambiente en los engranajes sinfín de envolvente simple (37 ºC para los tornillos sinfín de envolvente doble) no se considera excesivo para las condiciones de funcionamiento.

El nivel de aceite correcto

Como ocurre con la mayoría de los sistemas de engranajes lubricados por salpique, el nivel de aceite en un engranaje sinfín es esencial para mantener la precisión. Dependiendo de la posición del sinfín en relación con la corona, una pequeña reducción en el nivel de aceite podría ser la diferencia entre la lubricación ideal y la ausencia de lubricación.

Al monitorear el nivel de aceite en las tres posiciones más comunes del engranaje sinfín (Figura 10), siga las recomendaciones del fabricante, que a menudo estarán en línea con los estándares de profundidad de inmersión en aceite.

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

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

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

Las inspecciones visuales adecuadas

Además de ayudar a controlar el nivel de aceite, una mirilla debe considerarse como una ventana a la condición del aceite. Esto puede incluir inspecciones visuales en busca de un oscurecimiento inusual del aceite (un signo de oxidación), lodos visibles, partículas sólidas y humedad.

Estas inspecciones se pueden realizar de manera más eficiente cuando la mirilla se extiende hacia afuera de la caja de engranajes para que la luz pueda pasar a través de ella, como en la mirilla que se muestra en la figura 11.

Si es posible, también se debe utilizar un visor de agua y sedimentos del fondo. Esto ayudará a capturar cualquier partícula sólida o líquido que sea más pesado que el aceite y proporcionará un punto de inspección visual diaria.

Figura 11. Las mirillas tipo 3D facilitan la inspección de la condición del aceite

Figura 11. Las mirillas tipo 3D facilitan la inspección de la condición del aceite

La elección correcta

El objetivo de cualquier lubricante elegido debería ser proteger la transmisión corona sinfín de niveles indeseables de fricción, los efectos peligrosos de la corrosión y un funcionamiento ineficaz.

Evaluar y lograr el estado óptimo de referencia para cada tipo de transmisión corona sinfín de acuerdo con sus condiciones operativas y ambientales se reducirá a una cosa: justificar los costos de las prácticas de lubricación mejoradas para minimizar el riesgo y las posibles consecuencias de las fallas.

Afortunadamente, mejorar las prácticas de lubricación para las transmisiones corona sinfín no debería ser costoso y puede ser tan simple como confirmar que el lubricante cumple con los requisitos mínimos mientras se realizan inspecciones visuales e incluso análisis de aceite para un control eficaz de la condición.

Así como los engranajes corona sinfín son algunos de los diseños de engranajes más simples y beneficiosos, las prácticas de lubricación que requieren son igualmente únicas y esenciales.