REDUCTORES Y MULTIPLICADORES DE VELOCIDAD. I.- Introducción

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.