INTRODUCCIÓN A LOS ENGRANAJES - Comercial · PDF fileNomenclatura para Engranajes ... CORONAS, PIÑONES Y RELACIONES 9 Piñón Corona

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INTRODUCCIÓN A LOS ENGRANAJES

2010 1


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

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ENGRANAJES, SU UTILIDAD Y TERMINOLOGÍA

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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 torque)

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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

Algunas veces los engranajes son utilizados para incrementar la velocidad (compresores, turbos)

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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) .

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EL MUNDO CAMBIA, IMPULSANDO EL DESARROLLO EN CAJAS DE ENGRANAJES

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Potencia de salida

Tamaño de la caja

Temperatura de Operacion

Cantidad de lubricante

Vida del aceite

Frecuencia del cambio de aceite


Fuente: Flender Unidades con el mismo torque de salida

EVOLUCIÓN DE LAS CAJAS DE ENGRANAJES DEL1954 A 2004

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CORONAS, PIÑONES Y RELACIONES

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Piñón Corona

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

Torque is inversely proportional to speed.

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TERMINOLOGÍA DE DIENTES ENGRANAJE

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Clearance is the distance between the top of one tooth to the base of the tooth in the other gear Backlash is the distance between the back of one tooth and the front of the next mounting tooth


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

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A

A B

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

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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

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LUBRICACIÓN LÍMITE

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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.

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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

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LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA

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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.

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LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA

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TIPOS DE ENGRANAJES

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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

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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 tiende a desacoplar, el empuje de los rodamientos es necesario para conbatir esa tendencia

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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

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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

Usualmente tornillo de acero y corona de bronce

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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 particularidad.

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Internos Cónicos Oblicuos Cónicos espirales

TIPOS DE ENGRANAJES – MENOS COMUNES

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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

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Piñón y cremallera Interno Rack and pinion

Internal


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

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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

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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

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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 del conjunto

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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

Unidades de laminación de acero

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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)

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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%)

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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

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MÉTODOS PARA LUBRICACIÓN DE ENGRANAJES

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MÉTODOS PARA APLICACIÓN DE LUBRICANTES

Lubricación por baño

Lubricación por spray (rocio)

Lubricación por “niebla de aceite”

Sistemas de circulación de aceite

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SELECCIÓN DEL TIPO DE APLICACIÓN SEGÚN LA VELOCIDAD

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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

(entrada o salida).


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 operando a velocidades elevadas.

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Reservorio

Alimentación de aceite

Barra de rociado Lubricación por spray

MÉTODOS DE APLICACIÓN DE LUBRICANTE

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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 que engranajes lubricados con otros métodos.

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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

Cambios más faciles gracias a las tendencias que puede dar el análisis de aceite 43


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

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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

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LUBRICANTES PARA ENGRANAJES– SU FUNCIÓN, COMPOSICIÓN, DESEMPEÑO Y SELECCIÓN

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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

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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

Algunas propiedades son inherentes al aceite base, otras m¡pueden ser mejoradas a través del uso de aditivos adecuados

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COMPOSICIÓN TÍPICA DE UN ACEITE PARA ENGRANAJES

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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

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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

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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

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PROTECCIÓN CONTRA EL DESGASTE

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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

• Pérdidas de tiempo

• Baja productividad


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

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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 - FZG wear (ASTM D 4998) el mismo equipo de prueba, pero midiendo el desgaste del engranaje


Antes del ensayo Luego del ensayo fallido – rayado visible

ENSAYO DE DESGASTE 1 - FZG SCUFFING TEST EJEMPLOS

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ENSAYO DE DESGASTE 3 – ENSAYO DE SOLDADURA SHELL 4 BOLAS

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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 Carga incrementada


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)

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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.

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ESPECIFICACIONES INTERNACIONALES PARA ACEITES DE ENGRANAJES

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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 recomendaciones del fabricante, si está disponible.

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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)

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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

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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)

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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

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RANGO DE VISCOSIDADES AGMA

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COMO SELECCIONAR EL CORRECTO GRADO DE VISCOSIDAD PARA UN REDUCTOR?

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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

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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

sobre 5000 ft/min 0S 0 2 3


LINEAMIENTOS AGMA - 9005 - D94

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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

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