Comprender las cajas de reducción de velocidad: Selección, instalación y mantenimiento

La selección e integración de reductores de velocidad implica mucho más que simplemente elegir uno de un catálogo. En la mayoría de los casos, el par máximo, las velocidades y las cargas radiales publicadas no pueden usarse simultáneamente. Se deben aplicar factores de servicio adecuados para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones dinámicas. Y, una vez seleccionado el reductor de velocidad apropiado, la instalación y el mantenimiento adecuados son la clave para maximizar su vida útil.

Categorías de reductores de velocidad

Una amplia gama de dispositivos mecánicos de reducción de velocidad incluye poleas, engranajes, piñones y transmisiones por fricción. También existen productos eléctricos que pueden cambiar la velocidad del motor. Esta discusión se centrará en los reductores de velocidad de accionamiento cerrado, también llamados accionamientos de engranajes rectos y cajas de engranajes, que tienen dos configuraciones principales: en línea y perpendicular. Cada una de ellas puede lograrse con diferentes tipos de engranajes. Los modelos en línea típicamente consisten en engranajes helicoidales o rectos, engranajes planetarios, mecanismos cicloidales o generadores de onda armónica. Los diseños planetarios generalmente proporcionan el mayor par en el paquete más pequeño. Los accionamientos cicloidales y armónicos ofrecen diseños compactos con relaciones más altas, mientras que las unidades de engranajes helicoidales y rectos son generalmente las más económicas. Todos son bastante eficientes.

Los engranajes de tornillo sin fin son quizás la solución de reducción más rentable, pero generalmente tienen un mínimo de 5:1 y pierden eficiencia significativa a medida que aumentan las relaciones de transmisión. Los reductores de engranajes cónicos son muy eficientes pero tienen un límite efectivo superior de reducción de velocidad de 6:1. El tipo de aplicación determina qué diseño de reductor de velocidad cumple mejor los requisitos.

Antes de seleccionar cualquier reductor, se deben recopilar datos técnicos para seleccionar e instalar correctamente la unidad: par, velocidad, potencia, eficiencia del reductor, factor de servicio, posición de montaje, variables de conexión y vida útil requerida. En algunas aplicaciones, la cantidad de juego, error de transmisión, rigidez torsional y momento de inercia también son importantes.

Relación entre par, velocidad y potencia

El par requerido es quizás el criterio más importante, ya que se traduce en la cantidad de trabajo que el reductor de velocidad debe realizar. Si bien en aplicaciones simples determinar el par puede ser relativamente sencillo, puede ser difícil en maquinaria compleja. La inercia, la fricción y la gravedad —los fenómenos físicos que tienden a resistir el movimiento— deben identificarse para que se pueda generar suficiente par para superarlos. Tener en cuenta los coeficientes de fricción y la aceleración y frenado de masas inerciales es importante para calcular el par requerido. El atajo para encontrar el par requerido para una máquina existente es leer la corriente del motor determinando el consumo de corriente. Luego se pueden hacer cálculos para encontrar la potencia requerida. Finalmente, usando la fórmula estándar del par y teniendo en cuenta las diferentes relaciones, se puede obtener el valor final del par.

Después de determinar la potencia requerida, se debe tener en cuenta el factor de servicio para dimensionar correctamente el dispositivo. El factor de servicio tiene en cuenta otros parámetros operativos, incluyendo la duración de las jornadas laborales, el número de arranques y paradas, las características de la carga y las fuentes de energía. La mayoría de los reductores están calificados para un par máximo a un número dado de horas de vida útil. El factor limitante en estas calificaciones no es la resistencia del engranaje o del eje, sino la vida útil del cojinete. Debido a que los cojinetes deben soportar las fuerzas de separación de los engranajes bajo carga, cargar por debajo de la calificación máxima aumenta la vida de la caja de engranajes. Por el contrario, al aumentar las variables de carga como se destacó anteriormente, resultará una disminución en la vida de la caja de engranajes. Por lo tanto, para llegar al requisito de par efectivo, se deben aplicar los factores de servicio apropiados.

En esta etapa se pueden seleccionar el reductor de velocidad y el motor. Típicamente, se selecciona una fuente de energía primaria, como un motor que funciona a una cierta velocidad. Obtener la relación de transmisión correcta del reductor de velocidad y la multiplicación resultante del par es solo cuestión de dividir la velocidad del motor por la velocidad del elemento accionado. Luego se puede encontrar el tamaño correcto del motor adjuntando diferentes factores y valores a la fórmula estándar de potencia del motor.

Después de la selección, la siguiente pregunta es cómo se integrará la caja de engranajes en la máquina. Las principales preocupaciones son cómo se montará la caja de engranajes y cómo se conectará al controlador y a la carga accionada.

La orientación del eje es una de las primeras consideraciones. En muchas aplicaciones, es deseable posicionar el eje de entrada o salida verticalmente. En este caso, se debe tener mucho cuidado para asegurar una lubricación adecuada. El aceite o grasa de la caja de engranajes no solo protege contra el desgaste de los engranajes, sino que también reduce el desgaste de los cojinetes. Así, cuando uno de los ejes se monta verticalmente, el cojinete de soporte superior puede no recibir la lubricación requerida. En algunos diseños de engranajes, la salpicadura y la niebla de los engranajes girando en el depósito de aceite son suficientes para garantizar una lubricación adecuada, pero para tipos de baja velocidad, se deben instalar cojinetes sellados y pre-lubricados. En otras aplicaciones de alta velocidad, puede ser necesario usar bombas internas o externas para suministrar el lubricante al lugar deseado. Siempre que sea necesario montar el eje verticalmente, es importante determinar si se requiere un método alternativo de lubricación.

El siguiente tema es cómo conectar el reductor de velocidad a la fuente de energía y a la carga accionada. Las opciones incluyen accionamiento con polea, cremallera o piñón, acoplamiento a un embrague, árbol de transmisión o junta universal, y montaje directo del eje en el eje accionado.

Al conectar a una polea, piñón o engranaje, el problema principal es la carga radial, comúnmente conocida como carga de voladizo. Los cojinetes del eje están diseñados no solo para soportar las fuerzas que separan los engranajes, sino también para transmitir cierta carga radial y axial a los propios ejes. Al accionar con poleas y engranajes, hay una fuerza radial mientras la correa o cadena intenta girar el eje. La magnitud de esta fuerza se puede calcular como el par transmitido dividido por el radio de la polea o piñón. Sin embargo, generalmente no es la única fuerza lateral ejercida. La polea o cadena está tensa en el lado de accionamiento pero tiene juego en el lado trasero. Generalmente se instala un tensor para reducir el ruido y evitar que la correa se deslice o salte dientes. Cuando la correa o cadena está tensa, ocurre una carga radial adicional. Al seleccionar un accionamiento por engranajes, se debe tener en cuenta la combinación de carga radial resultante del par y la tensión.

Al conectar el reductor de velocidad al embrague y en menor medida a los árboles de transmisión y juntas universales, la alineación es el problema principal. Se recomiendan acoplamientos flexibles debido a las tolerancias de mecanizado de las carcasas de las cajas de engranajes y las placas de montaje. Sin una alineación exacta, el uso de un acoplamiento rígido puede colocar cargas laterales excesivas en los cojinetes del eje. Incluso con acoplamientos flexibles, la alineación adecuada es necesaria ya que la mayoría de los acoplamientos solo permiten de 0.005 a 0.010 pulgadas de desalineación paralela y de 1 a 3 grados de desalineación angular. Muchos diseños de embrague son adecuados para una variedad de aplicaciones, pero para una vida máxima del reductor, el embrague debe ajustarse a la tarea.

Una tercera opción para conectar la caja de engranajes es montarla directamente en un eje accionado con un eje de salida de agujero hueco. Esto reduce las preocupaciones sobre alineación y cargas radiales y ahorra espacio. Un brazo de soporte desde la caja de engranajes al bastidor de la máquina evita que la caja de engranajes gire alrededor del eje.

Varios diseños de engranajes permiten que el motor se monte directamente en la unidad de engranajes. Estos diseños contienen bridas extremadamente precisas para permitir la conexión directa del motor al reductor u otros adaptadores con acoplamientos integrados. Esto elimina la necesidad de montar el motor por separado, pero generalmente solo es práctico con motores más pequeños.