INTRODUCCIÓN.
Este será el primer artículo de una seria dedicada a
mecanismos a base de engranes contenidos dentro de una caja cerrada y que
mantienen una relación constante entre la velocidad de entrada, lado motriz, y
la de salida, lado conducido. Estos mecanismos representan una manera
conveniente de transmitir movimiento entre un motor que gira a una velocidad
determinada y una máquina que requiere girar a una velocidad distinta.
Comparados con otros sistemas, como las transmisiones a base de poleas y
bandas, o de cadenas y ruedas dentadas, los reductores de velocidad ocupan
mucho menos espacio, ofrecen mayor seguridad, son más limpios y requieren menos
mantenimiento.
Existen registros históricos del uso de engranajes de madera
para maquinas impulsadas por fuerza animal o por corrientes de agua, que datan
de varios siglos antes de nuestra era. Estos engranajes constituían una manera
eficaz de transmitir movimiento a las velocidades y potencias requeridas en su
momento. La mayoría de las máquinas industriales modernas exigen que los
engranes estén contenidos en cajas cerradas y que estén construidos con mejores
materiales, formas y procesos.
En la actualidad existen diferentes tipos de engranes y
otros mecanismos con características particulares que los hacen más o menos
adecuados para las condiciones particulares del trabajo a realizar. La
selección del tipo más conveniente para una aplicación determinada depende de
varias consideraciones:
·
Confiabilidad y vida útil requeridas;
·
Espacio disponible y disposición de los ejes:
paralelos, en línea, ortogonales sobre el mismo plano, ortogonales en planos
diferentes o en otros arreglos;
·
Montaje: sobre una base, mediante bridas o sobre
un eje;
·
Velocidades requeridas a la entrada y a la salida
del reductor;
·
Capacidad mecánica requerida (potencia);
·
Tipo de cargas a soportar: parejas o con
diferentes niveles de variación;
·
Momento de inercia que se debe acelerar;
·
Número de paros y arranques por hora;
·
Eficiencia (costo de la energía que se pierde durante
la operación);
·
Capacidad para disipar el calor generado;
·
Costo de adquisición, costo de operación y costo
de mantenimiento.
Es evidente que difícilmente se pueden optimizar todas estas
características al mismo tiempo y que en la mayoría de los casos la selección
final dependerá de los criterios de diseño, de las necesidades de la máquina y de
las expectativas del usuario final.
CRITERIOS DE SELECCIÓN:
La selección de todos los componentes de transmisión debe
considerarse como una parte integral del diseño de una máquina. Si esta selección
se deja para el final, es probable que una vez que se ha definido todo lo
demás, no haya suficiente flexibilidad para seleccionar la transmisión más
adecuada, provocando deficiencias en la operación, el rendimiento o la
confiabilidad de toda la máquina. Esto es particularmente cierto para máquinas
que requieren de altas velocidades, aceleraciones o precisión.
Los criterios ineludibles para la selección de un reductor
de velocidad son: la capacidad para transmitir la potencia a las velocidades
requeridas por la máquina y la capacidad para disipar el calor que se genera
durante la operación. Dentro de los reductores que cumplan con estos criterios,
el diseñador tiene opción de escoger los mecanismos que mejor se ajuste a sus
necesidades y a los demás criterios de
selección (configuración, espacio, costo, eficiencia, confiabilidad, vida útil,
etc.)
CALIDAD:
Cada uno de los componentes de un reductor de velocidad
tiene impacto en su buen desempeño:
·
La caja;
·
Los retenes y sellos para el lubricante;
·
El lubricante;
·
Los ejes;
·
Los rodamientos y cojinetes ; y
·
Los engranes.
Y podemos decir que un reductor de velocidad tiene más
calidad que otro si ofrece alguna o varias de las siguientes ventajas:
·
Mayor suavidad de movimiento;
·
Mayor eficiencia;
·
Menor juego interno;
·
Menos ruido y vibraciones;
·
Vida útil más prolongada; o
·
Mayor confiabilidad.
Parecería sencillo, entonces, comparar varios reductores
para seleccionar el más adecuado para una aplicación en particular. Sin embargo,
esta definición presenta algunas dificultades: la primera es que varias de
estas ventajas son difíciles de medir, comparar y comprobar, por ejemplo,
existen formas de estimar la vida útil de algunos componentes en base a las
condiciones de trabajo esperadas, pero no podemos saber de antemano con certeza
cuál será la vida útil de un reductor en su condición real de operación; otra
dificultad es que podemos estar comparando reductores que ofrecen ventajas en
algunas categorías y desventajas en otras; y por último, no hay una autoridad
independiente que haya hecho una comparación amplia y confiable entre reductores
de los diferentes fabricantes. Además, algunos fabricantes presumen su calidad
pero mantienen como confidencial mucha de la información respecto a los materiales
que emplean, las especificaciones de sus engranajes y los procesos de
fabricación que utilizan.
La mayoría de los fabricantes producen sus propias cajas,
engranes y ejes, y compran a fabricantes especializados los demás componentes
(rodamientos, cojinetes, retenes, sellos y lubricantes).
El componente más importante en un reductor de velocidad son
los engranes. Su calidad está normalizada por organizaciones como AGMA e ISO,
que establecen grados o niveles de calidad en base a un conjunto de
especificaciones. Sin embargo, estas normas no son iguales ni directamente
comparables entre sí y no cubren todos los detalles de fabricación. Los
fabricantes, por lo tanto, se ven obligados a incluir especificaciones
adicionales de fabricación que también tienen impacto en el buen desempeño de
un conjunto de engranes. En la práctica, los grados normalizados de calidad nos
dan una idea bastante clara del nivel de calidad de un engrane, pero no
representan una medida absoluta y completa que permita una comparación objetiva
entre varios engranes que están dentro de un mismo grado normalizado. Además,
las normas AGMA e ISO están enfocadas a la fabricación de engranes sueltos y no
a los trenes de engranajes suministrados en cajas cerradas. Esto significa que
los fabricantes de reductores están en libertad de establecer sus propias
especificaciones para los engranes que suministran en sus reductores de
velocidad y es común que algunas de estas especificaciones correspondan a un
grado determinado y otras correspondan a grados distintos, impidiendo que
puedan ser clasificados dentro de uno de los grados normalizados, y tampoco
pueden compararse directamente con engranes fabricados bajo diferentes
especificaciones. Resulta entonces, que las especificaciones de cualquier
engrane en particular pueden ofrecer ventajas en ciertas áreas pero pueden
tener desventajas en otras, haciendo prácticamente imposible diferenciar
objetivamente las sutilezas entre engranes de niveles similares de calidad.
La caja es otro elemento importante. Algunas aplicaciones
pueden aceptar cajas (e incluso engranes) de plástico. El plástico representa
una solución de bajo costo y poco peso que ofrece ventajas en aplicaciones
específicas.
El aluminio tiene menor densidad y es mejor conductor de
calor que el acero, haciéndolo una buena opción para reductores tipo
corona-sinfín que requieren de alta capacidad para disipar calor. Sin embargo, el
aluminio es más blando y resulta relativamente fácil que los alojamientos para
los rodamientos se deformen y queden fuera de especificación si la caja o los
ejes se someten a golpes o altas temperaturas, o si se emplean malas prácticas
de montaje y desmontaje de los rodamientos. Las cajas de aluminio, entonces
pueden ser útiles para algunas aplicaciones de poca intensidad, pero tienen
limitaciones cuando se trata de trabajo pesado o en condiciones adversas.
Las cajas de hierro o acero pueden ser de fundición, a base
de placa soldada o de piezas maquinadas (mecanizadas). Para fabricaciones de
una pieza o de poco volumen, es más común ver cajas a base de placas soldadas o
piezas maquinadas. La fundición es más común para fabricación en serie porque permite
flexibilidad en el diseño y, en grandes volúmenes de producción, ofrece ahorros
en material, proceso y mano de obra. En la medida de lo posible es conveniente
usar reductores de velocidad fabricados en serie ya que tienen menor costo y
tiempo de entrega, y es más fácil conseguir piezas de repuesto si se hace necesario.
Para determinar el nivel de calidad que ofrece un fabricante
de reductores de velocidad, debemos verificar las certificaciones que han
obtenido, la calidad de los componentes
que adquieren de proveedores externos y los controles de calidad sobre los
materiales, la geometría y los procesos con los que fabrican sus propios
componentes. Pero una vez que los colocamos en un nivel determinado, resulta
difícil establecer una jerarquía objetiva entre fabricantes de un mismo nivel. Entonces,
para decidir por qué fabricante nos inclinaríamos en condiciones iguales, muchas
veces tenemos que recurrir a criterios subjetivos como la experiencia propia,
las referencias de terceros o la reputación de que gozan en el mercado.
Otro componente que debe verificarse son los rodamientos o cojinetes. Algunos fabricantes publican la vida útil mínima de diseño para sus rodamientos, otros no lo hacen pero generalmente ofrecen la información a quien la solicite. Los fabricantes también especifican las cargas axiales y radiales permisibles de acuerdo a su punto, dirección y sentido de aplicación en cada eje. Es necesario consultar con el fabricante cuando se tienen condiciones que quedan fuera de las especificaciones publicadas.
CAPACIDAD:
Como en todo proceso de diseño, la selección de un reductor
de velocidad requiere de una estimación preliminar y de reiteraciones que van
refinando los cálculos hasta encontrar la solución satisfactoria. En las etapas
iniciales, el diseñador debe establecer criterios básicos en cuanto a
eficiencia, durabilidad, confiabilidad, configuración geométrica y costo.
Todo diseño comienza con la necesidad de realizar un trabajo
que requiere de suministro de energía mecánica a una taza (potencia)
determinada por la relación:
Potencia = fuerza por velocidad, para movimiento lineal; o
Potencia = par por velocidad angular, para movimiento
giratorio
La máquina, sin embargo, tiene un requerimiento adicional de
potencia durante el arranque porque además de la fuerza o par requeridos para
realizar el trabajo, hay un requerimiento para acelerar todos los componentes
que pasan de un estado estático a una situación de movimiento.
También es posible que durante la operación haya periodos
que requieran de mayor fuerza o par para realizar el trabajo, por ejemplo, si
un transportador está moviendo cajas, tendrá que mover más o menos peso de acuerdo a
la cantidad de cajas que esté moviendo en un momento determinado.
Además de la potencia requerida para arrancar y realizar el
trabajo, el motor deberá tener suficiente capacidad para cubrir las pérdidas
que haya en la transmisión y en los mecanismos de la máquina.
Debido a que los motores se fabrican para suministrar
potencias estandarizadas (¼, ½, 1,
1-½ HP etc.), la práctica común es
seleccionar un motor que tenga una capacidad ligeramente superior a potencia
determinada por los cálculos de diseño.
Los fabricantes publican tablas con la capacidad de sus
reductores (potencia o par) a determinadas velocidades y en las condiciones de
trabajo que especifica el fabricante. Normalmente la capacidad publicada se
refiere a trabajo continuo por un máximo de 8 horas por día, un máximo de 10
arranques por hora y sin fluctuaciones ni en el suministro de potencia (motores
eléctricos, hidráulicos o turbinas) ni en la carga. También proporcionan la capacidad para disipar
calor en condiciones específicas de temperatura, ventilación y altitud.
En la medida en que las condiciones reales de operación se
desvían de las condiciones de referencia establecidas por el fabricante, se
hace necesario hacer ajustes que permitan comparar la capacidad del reductor de
velocidad con las condiciones reales en la que va a operar. Por ejemplo, si en
lugar de operar ocho horas al día, va trabajar 14, hay que hacer un ajuste;
si además de esto, en lugar de tratarse
de un motor eléctrico, se trata de un motor reciprocante, es necesario hacer
otro ajuste; y si también hay fluctuaciones en la carga, será necesario hacer
un ajuste más. Estos ajustes normalmente de hace mediante los llamados
“factores de servicio” que los mismos fabricantes publican. Es importante tomar
en cuenta que cada fabricante presenta la información en una forma particular y
que debemos apegarnos a los procedimientos de cálculo establecidos para el
reductor específico que estamos seleccionando, que los cálculos de selección propuestos
por un fabricante no deben aplicarse a un reductor de otro fabricante, es más,
un mismo fabricante puede publicar procedimientos de cálculo diferentes para
deferentes tipos de reductores de velocidad.
Vamos a suponer que los cálculos de diseño indican que la
máquina requiere un par de 100 Nm a 180 rpm con motor eléctrico de 4 polos a 60
Hz (1,750 rpm). Supongamos también que la operación será de 15 horas diarias
con cargas medianamente fluctuantes, 25 arranques por hora y temperatura
ambiente de 30°C en espacio abierto a nivel del mar.
Los cálculos preliminares indican que la relación de
reducción debe ser 1750/180 = 9.72. Un reductor de engranes helicoidales
probablemente tenga una eficiencia superior a 95%. Requerimos, entonces, un
motor de (100 Nm x 180 rpm) / (9550 x0.95) = 1.98 kW (2.66 HP). Lo que nos
lleva a que seleccionaríamos un motor de 3 HP a 1,750 rpm.
Los fabricantes presentan la información en formas
diferentes, pero supongamos, para propósito de ilustración, que el fabricante
del reductor que estamos seleccionando propone un factor de servicio de 1.5
para las condiciones de trabajo descritas. Este factor se puede emplear sobre
el requerimiento de la máquina, 100 Nm, para seleccionar un reductor con
capacidad igual o superior a 150 Nm (100 x 1.5) a 180 rpm; o podemos usar un
criterio más conservador y aplicarlo a la
capacidad del motor para seleccionar un reductor de velocidad con
capacidad mínima de 4.5 Hp (3 x 1.5) a 1,750 rpm en la entrada, que, suponiendo
95% de eficiencia, equivaldría a 169 Nm a 180 rpm en la salida.
Hay dos razones por las que es preferible usar la potencia
del motor como base de selección, la primera es que si las condiciones reales
de trabajo lo exigen, el motor entregará su potencia total que tiene disponible
y la segunda es que si el usuario de la máquina se da cuenta de que el motor
trabaja debajo de su capacidad, le resulta tentador incrementar la producción
para sacar provecho de la potencia adicional instalada. En cualquiera de estos
casos, el reductor estará sometido a la potencia nominal del motor y no a la
calculada por el diseñador.
Por último, se debe verificar el impacto de las cargas axiales y radiales que pueden venir de otros componentes de la transmisión o de la máquina. Como se mencionó anteriormente, es necesario consultar al fabricante si éstas quedan fuera de las especificaciones publicadas en la literatura técnica.
CONCLUSIÓN:
La selección del tipo de engranes, configuración, relación
de velocidades, y calidad de un reductor de velocidad es parte integral del
proceso de diseño de una máquina, debe ser acorde a las condiciones reales de
operación y no debe dejarse para el final, cuando todo lo demás está definido.
Los próximos artículos tratarán sobre los diferentes tipos
de engranes.
Los engranes de hipoide o hipoidales son una variante de los engranes cónicos que permite la transmisión entre ejes que no tienen una intersección por estar en planos diferentes. En esta construcción, el movimiento relativo entre las superficies en contacto se da en una combinación de rodaje con deslizamiento y por lo tanto, tienen menor eficiencia que los engranes cónicos y requieren lubricantes especiales. Sin embargo, los engranes hipoidales ofrecen relaciones de reducción mayores y permiten transmisiones más compactas que los engranes cónicos. Aunque no son muy comunes, varios fabricantes ofrecen este tipo de engranajes en transmisiones industriales de catálogo y han sido extensamente usados en transmisiones automotrices. [2]
Dentro de los límites prácticos que imponen el volumen y el peso del conjunto, el motorreductor es un diseño más compacto y más fácil de manejar en el trasporte, almacenamiento y montaje. También pueden suministrarse en cajas de una pieza con tapas laterales, como muestra la ilustración de la izquierda, o bipartidas para facilidad de inspección y mantenimiento, como en la ilustración de abajo. [1]
El reductor como componente
independiente permite la instalación y el desmontaje del reductor sin
necesidad de mover el motor,
consideración importante cuando se trata de motores pesados. El reductor solo
también ofrece mayor flexibilidad en el uso de sistemas externos de
enfriamiento para el lubricante y en la incorporación de frenos, embragues,
poleas, ruedas dentadas y otros componentes mecánicos. [1]
