INTRODUCCIÓN A LOS ENGRANAJES. Copyright of Shell Lubricants

INTRODUCCIÓN A LOS ENGRANAJES

RESUMEN

 Función de los Engranajes

 Tipos de Engranajes

 Nomenclatura para Engranajes

 Lubricación de Engranajes

 Métodos y aplicación de lubricantes

 Resolucion de problemas en cajas de engranajes

ENGRANAJES, SU UTILIDAD Y TERMINOLOGÍA

QUE ES UN ENGRANAJE?

 Engranajes son ruedas dentadas usadas en combinación para

transmitir movimiento y potencia

 Engranajes son usados para transmitir potencia:

 De un eje a otro.

 Con un cambio de dirección

 Con un cambio d velocidad (tipicamente reductores de velocidad)

 Con un cambio de torque (tipicamente multiplicador de

POR QUE SON NECESARIOS LOS ENGRANAJES?

 Motores Eléctricos (AC) que operan a velocidades específicas (3600, 2400, 1800 rpms)

 Maquinaria que opera a velocidades normalmente menores que los motores eléctricos

 Los engranajes reducen la velocidad del motor para poder operar el equipo

 La reducción de velocidad resultante incrementa el torque, es éste el que da poder para el trabajo

 EL incremento del torque es transmitido a través de:

1) los dientes del engranaje 2) juntas

3) ejes

4) rodamientos

 Todos los rodamientos convierten la velocidad rotacional de entrada en velocidad

“utilizable” en la dirección en que la máquina lo requiere

Por lo tanto, los requerimientos de los aceites de engranaje es mas alto que nunca!

TENDENCIA DE MERCADO: DISEÑO DE CAJAS DE CAMBIO

 Las cajas de cambio ( y los aceites) son forzados constantemente a soportar condiciones de operación cada vez mas difíciles debido a:

 La tendencia de tener unidades cada vez mas compactas

 Condiciones de operación y temperaturas severas

 Altas expectativas de desempeño (inaceptable las pérdidas de tiempo)

 Incremento de las temperaturas de operación

 Incremento de las cargas y presiones

 Exposición al agua y otros contaminantes

 Todo lo citado va en contradicción de lo que el consumidor qctual desea, (i.e: extender la vida de la caja reductora, extender los intérvalos de cambio y una gran eficiencia de la caja) .

EL MUNDO CAMBIA, IMPULSANDO EL DESARROLLO EN CAJAS DE ENGRANAJES

Potencia de salida

Tamaño de la caja

Temperatura de Operacion

Cantidad de lubricante

Vida del aceite

Frecuencia del cambio

Fuente: Flender Unidades con el mismo torque de salida

EVOLUCIÓN DE LAS CAJAS DE ENGRANAJES DEL1954 A 2004

CORONAS, PIÑONES Y RELACIONES

 Piñón – El engranaje con menos dientes y es el que mas rápido gira (reductores)

 Corona o Rueda – El engranaje con mas dientes

 El engranaje de giro es el de movimiento mas lento

 La dirección de rotación del piñón es contraria a la dirección de rotación de la corona

Engranajes intermedios son usados para permitir a la corona rotar en la misma dirección que el piñón

CORONAS, PIÑONES Y RELACIONES

 La relación entre las velocidades de entrada y salida se denomina Relación de Transmisión, es proporcional al numero de dientes de ambos engranajes

 Relación de transmisión = No. de dientes de corona/No. de dientes piñon

 Velocidad de salida del engranaje = Vel.

Entrada/Relac. De transmisión

 Un reductor de velocidad debe tener un engranaje de entrada menor que el de salida

 Un multiplicador debe tener un engranaje de entrada mayor que el de salida

 Double 5:1 reduction is 5 x 5 = 25:1 final

 Decrease in speed yields equivalent increase in torque.

 Decrease speed x 5 = Increase in toque x 5

TERMINOLOGÍA DE DIENTES ENGRANAJE

Clearance is the distance between the top of one tooth to the base of the tooth in the other

ESFUERZOS EN EL ENGRANAJE

 Rodante y deslizante durante el contacto

 La raíz sufre un severo esfuerzo

 Punto de contacto sufre severo esfuerzo

 EL lado sometido a tensión es el más afectado

A

B A

B C C

Baja velocidad (< 5 m/s)

Alta velocidad (> 5 m/s)

Lubricación EHD

Lubricación límite

Lubricación mixta

A-B: addendum B: pitch circle B-C: dedendum Lubricación mixta

TIPOS DE LUBRICACIÓN EN ENGRANAJES

LUBRICACIÓN LÍMITE

 En engranajes con altas cargas, especialmente aquellos que operan a baja velocidad presentan lubricación límite, donde la capa de

lubricante es muy delgada con el consecuente contacto metal metal entre los dientes de los engranajes

 EL desempeño del lubricante debe ser mejorado por aditivos que protejan las superficies metálicas- usualmente conocidos como aditivos EP

LUBRICACIÓN LÍMITE

LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA (1)

 Ligeramente cargados / engranajes con velocidades relativamente altas son lubricados bajo condiciones hidrodinámicas o de capa gruesa

 Por el giro del engranaje, el lubricante se adhiere a la superficie de los dientes y se ubica en la zona de contacto formando una cuña de aceite

 A medida que el lubricante es forzado a estar en la parte más estrecha, la presión se incrementa, separando las superficies.

LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA (2)

La efectividad de la Lubricación Hidrodinámica depende de:

 Viscosidad del lubricante

 EL espesor del film se incrementa con la viscosidad

 Temperatura

 La viscosidad, y por ende el espesor del film, decrece con la temperatura

 Cargas

 El espesor del film decrece cuando la carga se incrementa

 Velocidad

 El espesor del film se incrementa con la velocidad

LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA

LUBRICACIÓN ELASTO-HIDRODINÁMICA

 Las condiciones de lubricación en la mayoría de los engranajes usualmente no están totalmente definidas dentro de las condiciones de lubricación hidrodinámica o de lubricación límite.

 Los dientes de los engranajes están sometidos a presiones de contacto enormes (< 30,000 bar) y aún así están efectivamente lubricados por muy delgadas capas de aceite

 Esto es posible por dos razones:

 Las altas presiones pueden causar deformaciónes elásticas de las superficies y repartir la carga en un área mayor

 La viscosidad del lubricante se incrementa considerablemente con la presión, incrementado así su capacidad de soportar cargas.

LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA

TIPOS DE ENGRANAJES

 Helicoidales

 Rectos  Tornillo

ENGRANAJES RECTOS

 Los engranajes rectos son los mas simples

 Dientes rectos

 Ejes paralelos

 La potencia se transmite alternativamente por un par de dientes y luego por dos pares

 El contacto entre dientes ocurre abruptamente a través del ancho del diente

 Tienden a ser ruidosos y girar a velocidades medias a bajas

 El desgaste incrementa dichos problemas

 Limitado a velocidades relativamente bajas

 No se genera un empuje final a los cojinetes de apoyo en los ejes pero hay un inconveniente mayor: solo un par de acoplamientos de dientes tienden a llevar la mayor parte de la carga en cualquier momento de giro de los engranajes

ENGRANAJES HELICOIDALES

 Los engranajes helicoidales son similares a los engranajes rectos pero los dientes están

cortados en ángulo

 El contacto entre dientes se efectua gradual y suavemente

 Varios dientes entran en contacto al mismo tiempo, la carga total es compartida

 El desgaste generado tiende a igualar la carga entre dientes

 Giran “suave y silenciosamente”

 Pueden utilizarse en aplicaciones con altas velocidades

 Pero producen esfuerzos axiales en los

rodamientos del eje, como el par de dientes

ENGRANAJES HELICOIDALES DOBLES

 Los engranajes de doble helice son llamados en ocasiones “de espina de pescado”

 Se anulan los esfuerzos axiales

 Los dientes son usualmente maquinados con una ranura central para evitar el depósitos excesivos de aceite

 Pueden soportar cargas elevadas, altas velocidades de modo suave y silencioso

ENGRANAJES DE TORNILLO

 Los engranajes de tornillo son utilizados para transmitir potencia y movimiento en ejes en ángulo recto

 Un engranaje de pequeño diámetro, o tornillo tiene una o mas entradas

 Usados para producir grandes reducciones de velocidad/torque que otros engranajes mas simples

 La considerable fricción resultante genera situaciones particulares de lubricación

 Predomina el contacto deslizante, reductores con eficiencias menores que en diseños

rectos o helicoidales

wheel

worm

ENGRANAJES DE TORNILLO

 La transmisión de potencia puede ser incrementada si el diente del engranaje

“encaja” en la concavidad del cuerpo del tornillo, “single throated” se refiere a una sola pieza, en “double throated” ambos engranajes tienen dicho acoplamiento.

 En engranajes de tornillos no cóncavos ninguna de las piezas presenta esta particularidad (“throat”) .

 En los engranajes “single-throated “ un solo elemento ( generalmente la corona) lo posee.

 En engranajes “double-throated” tanto el tornillo como la corona presentan esta

 Internos

 Cónicos  Oblicuos  Cónicos espirales

TIPOS DE ENGRANAJES – MENOS COMUNES

ENGRANAJES EXTERNOS E INTERNOS

 Engranajes rectos, helicoidales y doble helicoidales son engranajes externos

 También podemos encontrarlas como engranajes internos, donde el piñón gira dontro de una corona que tiene los dientes en el interior

 Otra variación del engranaje recto es el llamado de “piñon y

cremallera”donde el piñón se mueve a lo largo de una cremallera recta

Piñón y cremallera

Rac k and p inion

Int er nal

ENGRANAJE CÓNICO SIMPLE

 Los engranajes cónicos se usan para transmitir potencia y movimiento entre ejes que se intersectan en ángulo

 Los engranajes cónicos poseen un corte del diente recto

 Similar al engranaje recto

 Limitado a velocidades relativamente bajas

ENGRANAJES CÓNICOS ESPIRALES

 Los engranajes cónicos espirales tienen el corte del diente en ángulo

 Tienen ventajas similares a los engranajes helicoidales

 Pueden operar a velocidades mayores que los cónicos simples

 Engranajes Hipoidales – es un tipo de

engranaje cónico espiral con sus ejes fuera del conjunto (off-set). Principalmente usado en

aplicaciones automotrices

ENGRANAJES OBLICUOS

 Los engranajes oblicuos o cruzados se usan para transmitir movimiento entre ejes que no son paralelos ni se intersectan

 El área de contacto limitada entre dientes genera un considerable estrés

 Limitado a bajas velocidades y cargas

ENGRANAJES PLANETARIOS

 Son utilizados cuando es necesario transmitir elevada potencia en poco espacio o cuando se requieren

relaciones de cambio elevadas

 Cada sistema de engranajes planetarios consta de tres componentes principales:

 EL engranaje “sol”, con dientes alrededor de su circunferencia

 Los engranajes planetarios y el porta planetas carrier

 La corona que contiene el conjunto

 Cada uno de los tres componentes pueden ser la entrada, la salida o permanecer inmóviles

 La selección determina la relación de los engranajes

APLICACIONES TÍPICAS PARA REDUCTORES

Ellos manejan todo lo que se mueve!

 Transportadores

 Trituradoras

 Hornos

 Excavadoras

 Maquinaria de empaque

 Unidades de proceso

 Agitadores y mezcladores

 Aerogeneradores

 Ventiladores en torres de enfriamiento

CAJAS DE ENGRANAJES

Rectos, heliciodales (y similares)

 Generalmente engranajes de acero,“acero- en-acero”

 Usados para pequeñas reducciones de velocidad,

Típicamente con ejes de entrada/salida paralelos

 Baja energía de disipación (típicamente 2%

por contacto)

Engranajes de tornillo

 Usualmente un tornillo de acero y una corona de bronce, “acero-en-bronce”

 Usado para reducciones elevadas,

typicamente ejes de entrada/salida cruzados

 Alta energía de disipación por el

deslizamiento en operación (típicamente 5 a 25%)

CAJAS DE ENGRANAJES

ENGRANAJES ABIERTOS

 Usualmente de gran tamaño y baja velocidad

 Usualmente de corte recto

 Aplicaciones en servicio pesado

 Aplicación directa del lubricante

 Por lo general se utilizan grasas para engranajes abiertos con altas

“vicosidades” tales como los grados Malleus

MÉTODOS PARA LUBRICACIÓN DE

ENGRANAJES

MÉTODOS PARA APLICACIÓN DE LUBRICANTES

 Lubricación por baño

 Lubricación por spray (rocio)

 Lubricación por “niebla de aceite”

 Sistemas de circulación de aceite

SELECCIÓN DEL TIPO DE APLICACIÓN SEGÚN LA VELOCIDAD

Velocidad (fpm) Método de aplicación

< 3000

< 5000

5000 - 12,000 12,000 - 20,000

> 20,000

Baño

Baño c/ deflectores

Alimentación a presión (entrada o salida).

Alimentación a presión, Salida

Alimentación a presión

LUBRICACIÓN POR SPRAY (ROCIO)

 El aceite es rociado en el diente del engranaje en el punto donde acopla con el otro.

 EL aceite es drenado al fondo del engranaje de donde es recirculado.

 Originalmente la práctica era rociar el

lubricante desde la entrada, sin embargo se considera mejor aplicar el rocio en los dientes involucrado, a menos que el engranaje opere a muy bajas velocidades.

 Esto proporciona una refrigeración mas

eficiente y reduce la acumulación de aceite en la raiz del diente.

 Enfriadores de aire y equipos de filtración

pueden incorporarse al sistema de rociado, son usualmente usados en sistemas de alta potencia

Reservorio

Alimentación de aceite Barra de rociado

Lubricación por spray

MÉTODOS DE APLICACIÓN DE LUBRICANTE

LUBRICACIÓN POR BAÑO (SPLASH)

 Los dientes del fondo están sumergidos en un

baño de aceite. El aceite es transferido al engrane y a los rodamientos. El método es efectivo cuando las velocidades no son tan altas como para

provocar que el aceite se agite demasiado,

provocando pérdidas de potencia no deseadas e incrementos de temperatura.

 Es crítico mantener un nivel correcto de aceite en el reductor – ni muy alto ni muy bajo

 Es necesario considerar los efectos de velocidad y liberacion de aire a la temperatura de operación para evitar retencines de aire y formación de espuma.

 Engranajes lubricados por baño son suelen operar mas calientes y requieren mayores viscosidades

SISTEMA DE CIRCULACIÓN FORZADA

 Comunes en equipos de mayor tamaño

 Sistemas intrincados para asegurar que todos los puntos sean

efectivamente lubricados

 Permiten la refrigeración del aceite para extender su vida, el enfriamiento es mas eficiente que los sistemas de lubricación por baño

 Permite filtrar el aceite y mantener la limpieza para reducir el desgaste del engranaje

NIEBLA DE ACEITE

 Presuriza el espacio de la caja de cambio. Protege del sucio y la humedad

 Suministro de aceite más limpio

 Rango limitado de aplicación

Lubricantes para engranajes abiertos como el Shell Malleus son aplicados por un sistema de pulverizado automático

La ventaja de este tipo de aplicación se traduce en la reducción del desgaste, control del consumo de lubricante y reducción de la contaminación

APLICACIONES PARA ENGRANAJES ABIERTOS

LUBRICANTES PARA ENGRANAJES– SU

FUNCIÓN, COMPOSICIÓN, DESEMPEÑO

Y SELECCIÓN

LAS FUNCIONES DE UN ACEITE PARA LUBRICANTES

 Lubricación

 separación de las superficies en movimiento relativo

 Reducción de la fricción

 Reducción del desgaste, rayado (scuffing)

 Refrigeración

 Particularmente importante en cajas de engranajes

 Protección

 Contra la corrosión

 Mantener la limpieza

 Remover desperdicios del desgaste y contaminantes

PROPIEDADES IMPORTANTES EN UN LUBRICANTE DE ENGRANAJES

 Viscosidad– elegida según el tamaño, tipo y velocidad del rodamiento

 Índice de viscosidad – fundamental para aplicaciones donde hay rangos de temperatura de operación amplios

 Propiedades anti desgaste y EP – para proteger el equipo contra cargas de choque, rayado y desgaste en torques elevados

 Resistencia a la oxidación – Para prolongar la vida del aceite y mantener el reductor libre de depósitos

 Propiedades anti-corrosión

 Propiedades anti-espumantes – Para prevenir la formación excesiva de espuma y pérdidas potenciales de lubricante

 Demulsibilidad –para ayudar a minimizar la corrosión y herrumbre, para permitir un drenado adecuado del exceso de agua que pueda ingresas al sistema

COMPOSICIÓN TÍPICA DE UN ACEITE PARA ENGRANAJES

Paquete de Aditivos EP/AW < 2%

Aceite base – Mineral (Típicamente Grp I) o Sintético (PAO or PAG) 98%

Aditivos antioxidantes y antidesgaste

Inhibidores de herrumbre Inhibidores corrosión Aditivos EP

Paquete de aditivos aceite engranaje

ADITIVOS PARA ACEITES DE ENGRANAJE

 Extremq Presión

 Modificadores de fricción

 Inhibidopres de oxidación

 Demulsificantes

 Inhibidores de herrumbre

 Pasivadores de metales

 Inhibidores de corrosión

 Mejoradores de índice de viscosidad

 Agentes promotores de adhesividad

 Agentes sellantes

 Depresores de punto de fluidez

 Anti espumantes

 Aditivos sólidos como el Grafito o Molibdeno

ESPECIFICACIONES PARA ACEITES DE ENGRANAJES

 Organizaciones relacionadas a industria

 ANSI/AGMA 9005-E02

 DIN 51517 Part 3

 ISO 12925-1

 Fabricantes

 Flender, David Brown, Polysius, FLS etc

 Usuarios

 U.S. Steel 224

ENSAYOS DE LABORATORIO PARA ACEITES DE ENGRANAJES

 FZG ( DIN 51 354 )

 Timken ( ASTM D 2782 )

 US Steel Punto de soldadura

 Demulsibilidad ( ASTM D 2711 mod )

 Supresión de espuma ( ASTM D 892 )

 Filtrabilidad

 Ensayo 4 bolas EP y pruebas de desgaste

PROTECCIÓN CONTRA EL DESGASTE

Que puede causar el desgaste?

• Altas cargas o de choque

• Altas temperaturas de operación

• Desempeño del lubricante

• Lubricante incorrecto para la aplicación y/o requerimientos

• Contaminación

El desgaste puede producir ….

• Baja eficiencia

• Reducción de la vida del componente

• Paradas no planificadas

• Incremento de la

contaminación del fluido

….. Problemas al usuario

• Mala operación de los componentes

• Incremento de costos

ENSAYO DE DESGASTE 1 - FZG LOAD CARRYING CAPACITY TEST (DIN 51534, ASTM D 5182)

Este ensayo evalua la capacidad de carga sin rayado a 140 rpm por 15 minutos con un incremento sucesivo de las cargas aplicadas Los dientes del engranaje son examinados al

inicio y al final de cada etapa de carga en su desgaste acumulado

Esto determina la capacidad de carga que el

aceite soporta y mide el nivel de protección dado a los dientes del engranaje por el lubricante

Wear Test 2

Antes del ensayo Luego del ensayo fallido – rayado visible

ENSAYO DE DESGASTE 1 - FZG SCUFFING TEST EJEMPLOS

ENSAYO DE DESGASTE 3 – ENSAYO DE SOLDADURA SHELL 4 BOLAS Este ensayo mide la capacidad de carga del lubricante

La bola superior gira contra las otras 3 fijas, la carga a la cual se genera la soldadura entre ellas es reportada. A mayor carga mejor es el resultado.

El resultado del test indica el desempeño del aceite para evitar el contacto metal- metal entre los dientes del engranaje y los rodamientos

Condiciones del ensayo

Temperatura ambiente 1500 rpm

CLASIFICACIÓN AGMA PARA ACEITES DE ENGRANAJES

En un grado AGMA para aceites de engranaje, el número designa la viscosidad y la letra el aditivo:

 R&O = Inhibidores de herrumbre y corrosión (Rust and Oxidation) Sin aditivos EP

(Rectos, Cónico y Helicidales templados)

 EP = Extrema Presión (común Azufre y Fósforo) (Anti-Scuff - AS)

 S = Sintético(PAO, PAG, ésteres)

CLASIFICACIÓN AGMA PARA ACEITES DE ENGRANAJES

 Comp = Compound (con aceites grasos)

 Aceites minerales con aceites grasos para proveer lubricidad en engranajes de tornillo

 Aceites grasos no son muy estables térmicamente ni resistentes a la oxidación

 Res = Residuales

 Aceites tipo asfálticos pesados usualmente para grandes engranajes abiertos

 Principal problema – a bajas temperaturas el asfalto solidifica, causa falla/rotura del diente

 En ocasiones altas viscosidades y aditivos sólidos son utilizados para la lubricación de engranajes abiertos.

ESPECIFICACIONES INTERNACIONALES PARA ACEITES DE ENGRANAJES ANSI/AGMA 9005-E02

lubricación engranajes industriales

 Tabla 1 – Tipo R&O

 Tabla 2 – Tipo EP

 Tabla 3 – Compound

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SELECCIÓN DEL LUBRICANTE

 Tipo de engranaje y velocidad

 Abierto o cerrado (Reductor)

 Helicoidal, Recto, Cónico

 Tornillo – Alta viscosidad

 Hipoidal – Límite

 Velocidad

 Material del engranaje y tratamiento de la superficie

 Temperaturas de operación

 Características de la carga aplicada

La selección del lubricante debe ser siempre basada en las

REQUERIMIENTOS DE VISCOSIDAD

 Altas cargas requieren mayores viscosidades

 Altas temperaturas requieren mayores viscosidades

 Altas velocidades requieren menores viscosidades

 Requerimientos de engranajes de tornillo – Altas viscosidades (Sin Aditivos EP)

EFECTOS DE LA BAJA VISCOSIDAD

 Incremento de la temperatura y de las asperezas en las superficies de contacto

 Desgaste – Contacto Metal-Metal

 Disminuye la habilidad de soportar cargas

EFECTOS DE LA ALTA VISCOSIDAD

 Incremento de la Temperatura por la fricción fluida

 Incremento del consumo energético por la fricción fluida

 Incremento de la formación de espuma

 El lubricante no fluye en los puntos críticos (rodamientos)

 Reducción del flujo a través de filtros e intercambiadores de calor (si están presentes)

VISCOSIDAD – REGLA GENERAL

 Es muy importante tener un aceite con las propiedades adecuadas de viscosidad para prevenir el desgaste

 Es mejor recomendar un aceite un grado mayor en viscosidad que otro un grado menor

 Punto de inicio habitual – Generalmente en engranajes – AGMA 5 EP (Omala 220)

 Si existen dudas, utilizar el grado de viscosidad ISO superior disponible

RANGO DE VISCOSIDADES AGMA

COMO SELECCIONAR EL CORRECTO GRADO DE VISCOSIDAD PARA UN REDUCTOR?

 Recordar principales aspectos:(En general: velocidad y temperatura)

 Velocidad – Reportado por fabricantes como “ pitch line velocity”

 Es el conjunto de puntos donde hay puro “rodamiento” y las máximas tensiones en la superficie del engranaje

 Temperatura – ambiente

 El reductor está diseñado para dispar calor – Máxima temperatura alcanza 100º F sobre la ambiental

 La carga está limitada a la fatiga por tensión del diente del engranaje

LINEAMIENTOS DE AGMA - 9005 - D94

Selección de Lubricantes

Helicoidales cerrados, espina de pescado, cónicos rectos, cónicos espirales, rectos

Temperatura ambiente, ^OF

Velocidad Pitch Line

Final Reduction Stage -40 to +14 14 to 50 50 to 95 95 to 131

Menos de 1000 ft/min 3S 4 6 8

1000 - 3000 ft/min 3S 3 5 7

3000 - 5000 ft/min 2S 2 4 6

LINEAMIENTOS AGMA - 9005 - D94

Temperatura ambiente, ^OF Selección de lubricantes

Reductores Tornillo sinfín

Velocidad Pitch Line

Final Reduction Stage -40 to +14 14 to 50 50 to 95 95 to 131

Menos de 450 ft/min 5S 7 Comp 8 Comp 8S

sobre 450 ft/min 5S 7 Comp 7 Comp 7S