Lubricantes para engranajes helicoidales,
cónicos y planetarios: ISO CLP, EP y PAO
Los engranajes industriales operan bajo presiones de contacto Hertziano de 1.000-2.500 MPa, temperaturas de 80-120°C en el flanco del diente y velocidades de deslizamiento de 5-30 m/s en el punto de engrane. La correcta selección de viscosidad y del paquete de aditivos determina si el engranaje sufre micro-pitting, scuffing o desgaste adhesivo... o dura décadas sin intervención.
La lubricación de engranajes es una de las aplicaciones tribológicas más estudiadas de la ingeniería industrial. La norma ISO 6743-6 clasifica los aceites de engranajes en tipos según su composición y rendimiento, y las normas ISO 14179 y DIN 3990 (Parte 4) definen los criterios de selección de viscosidad en función de la geometría del engranaje, la velocidad y la temperatura.
El fallo por scuffing (soldadura adhesiva de los flancos en condiciones extremas de presión-temperatura) y el micro-pitting (fatiga superficial por contacto repetido a baja rugosidad) son los dos modos de fallo que el lubricante correcto puede prevenir o que el incorrecto puede provocar incluso con cargas nominales.
Contenido del artículo
- Clasificación ISO 6743-6: CLP, PGLP, PAO y fluidos sintéticos
- Mecanismos de fallo en engranajes: scuffing, micro-pitting y desgaste
- Selección de viscosidad: método ISO 14179
- Aditivos EP: azufre-fósforo y su mecanismo
- Aceites PAO vs. mineral: ventajas reales
- Engranajes planetarios: requisitos específicos
- Análisis de aceite predictivo en reductores
- Tabla comparativa por tipo de engranaje
1. Clasificación ISO 6743-6: tipos de lubricante de engranajes
| Tipo ISO 6743-6 | Base | Aditivos EP | Aplicación típica |
|---|---|---|---|
| CKB | Mineral Group I-II | Antioxidante + anticorrosión solo (sin EP) | Engranajes de baja carga, precisión alta, compatible metales blandos |
| CKC | Mineral Group II | EP suave: orgánico fósforo o sulfonato | Engranajes industriales estándar: reductores de media carga |
| CKD | Mineral Group II-III | EP fuerte: S-P (azufre-fósforo orgánico) | Reductores de alta carga, pares hipoides, engranajes de corona |
| CKE | Mineral + aditivo extremo | EP muy fuerte para hipoides de alta deslizamiento | Diferenciales de camión, hipoides de automoción (GL-5) |
| PGLP | Polialquilenglicol (PAG) | EP incorporado en base: alta eficiencia térmica | Sinfines de alto ratio (rendimiento + 10% vs. mineral) |
| CKT | PAO sintético | EP orgánico suave + modificador fricción | Reductores de alta eficiencia, larga vida útil, T extremas |
| CKS | Éster sintético | EP orgánico | Biodegradable, para aplicaciones en espacios naturales protegidos |
2. Mecanismos de fallo en engranajes: scuffing, micro-pitting y desgaste
Scuffing (gripado)
Causa:
Rotura de la película EHD en condición de alta temperatura-presión. Contacto metal-metal + soldadura adhesiva instantánea.
Prevención:
Aditivos EP activos (S-P): forman película sacrificial FeS/FePO₄ antes del contacto directo. Viscosidad adecuada.
Micro-pitting (fatiga superficial)
Causa:
Ciclos repetidos de carga Hertziana a alta presión. Inicia fisuras en Ra 0,3-0,8 µm que propagan y desprenden micropartículas.
Prevención:
Alta viscosidad (grosor de película lambda {'>'} 2). PAO reduce micro-pitting vs. mineral en ensayos FZG. Modificador de fricción.
Pitting macroscópico
Causa:
Fatiga subsuperficial. Fisura desde interior del diente, propaga a superficie. Desprendimiento de láminas.
Prevención:
Viscosidad correcta para película completa. No hay aditivo que lo prevenga: es función de la carga y del material del engranaje.
Desgaste abrasivo
Causa:
Partículas duras (arena, limaduras, productos de desgaste anteriores) en el aceite. Abrasión de dos cuerpos o tres cuerpos.
Prevención:
Filtración adecuada (10-25 µm). Análisis de aceite periódico. Cambio de aceite al detectar partículas excesivas.
El parámetro Lambda (Λ): grosor de película adimensional
Lambda = h_min / Ra_compuesta, donde h_min es el grosor mínimo de película EHD calculado y Ra es la rugosidad compuesta del par de dientes. Λ > 2: régimen EHD completo, sin contacto metal-metal. Λ = 1-2: régimen mixto, picos de rugosidad contactan. Λ < 1: contacto límite dominante, desgaste y micro-pitting inevitables. La viscosidad adecuada es la que da Λ > 2 en las condiciones de operación (temperatura, velocidad, carga).
3. Selección de viscosidad: método simplificado ISO 14179
La norma ISO 14179 (Parte 2) proporciona un método gráfico para seleccionar la viscosidad del aceite de engranajes en función de la temperatura del aceite, la velocidad periférica en el paso y el tipo de engranaje. La tabla siguiente resume las recomendaciones para engranajes helicoidales cerrados (reducción simple):
| Velocidad periférica (m/s) | T aceite 60°C | T aceite 80°C | T aceite 100°C |
|---|---|---|---|
| {'<'} 1 m/s (reductor muy lento) | ISO VG 460 | ISO VG 680 | ISO VG 1000 |
| 1-3 m/s | ISO VG 220 | ISO VG 320 | ISO VG 460 |
| 3-10 m/s | ISO VG 100-150 | ISO VG 150-220 | ISO VG 220-320 |
| 10-25 m/s | ISO VG 68-100 | ISO VG 100-150 | ISO VG 150-220 |
| {'>'} 25 m/s (alta velocidad) | ISO VG 46-68 | ISO VG 68-100 | ISO VG 100-150 |
Temperatura de operación: el gran desconocido
La temperatura del aceite en el cárter del reductor depende de la carga, la velocidad, el calor disipado y el ambiente. Un reductor sin ventilador puede operar a 90-100°C cuando el fabricante proyectó 70°C. La norma ISO 14179 exige que la temperatura de equilibrio térmico del aceite sea calculada o medida antes de confirmar la viscosidad. Si la temperatura real supera la de proyecto en 20°C, la viscosidad nominal debe aumentarse en un grado ISO (ej: de VG 220 a VG 320).
4. Aditivos EP: azufre-fósforo y su mecanismo de protección
1. Contacto de picos de rugosidad
En el punto de presión máxima del engrane, los picos de aspereza de los dientes opuestos contactan. La temperatura local puede superar los 300°C en una fracción de segundo.
2. Activación de aditivos EP
El calor del punto de contacto activa los aditivos de azufre-fósforo del aceite. El azufre orgánico (polisulfuros) reacciona con el hierro de la superficie del diente.
3. Formación de película sacrificial
Se forma una capa delgada de sulfuro de hierro (FeS) y fosfato de hierro (FePO₄) sobre la superficie del diente. Esta capa tiene cizallamiento fácil: µ = 0,05-0,10.
4. Protección continua
La película sacrificial se renueva en cada ciclo de contacto. El aceite EP aporta continuamente los precursores de la capa. La superficie del diente queda protegida del contacto directo metal-metal.
Azufre activo vs. azufre pasivo: la diferencia que importa
El azufre en los aceites de engranajes puede ser activo (polisulfuros, que reaccionan con el metal a temperatura de contacto, alta protección EP) o pasivo (sulfuros estables que no reaccionan a las temperaturas de operación normal, baja protección EP). Los aceites con alto contenido de azufre activo proporcionan buena protección EP pero pueden causar corrosión de cobreen cojinetes de bronce. Para reductores con cojinetes de bronce o componentes de cobre, verificar siempre la prueba de corrosión de cobre (ASTM D130: máx. 2b a 100°C/3h).
5. Aceites PAO vs. mineral: ventajas reales en engranajes
| Parámetro | Mineral Group II | PAO sintético | Ventaja PAO |
|---|---|---|---|
| Índice de viscosidad (IV) | 95-100 | 140-165 | Menor variación de viscosidad con temperatura: mejor protección en arranque frío y máxima carga |
| Temperatura de pour point | -12 a -15°C | -40 a -55°C | Fluye en arranque frío hasta -40°C sin calentamiento previo |
| Resistencia oxidativa (RBOT) | 300-500 min | 900-1.500 min | Vida del aceite 2-3 veces superior: intervalos de cambio más largos |
| Tendencia al micro-pitting (FZG MPT) | Grado 10-11 (bueno) | Grado 12 (excelente) | Menor micro-pitting en ensayo FZG estándar: mayor vida del engranaje |
| Eficiencia (pérdidas por rozamiento) | Referencia 100% | 97-99% del mineral | Reducción de consumo energético 1-3% (relevante en reductores de gran potencia) |
| Compatibilidad con pinturas de reductor | Compatible con la mayoría | Puede atacar pinturas alquídicas y de epoxifenólico | Riesgo de desprendimiento de pintura interior → contaminación del aceite |
| Precio relativo | Referencia 100% | 200-350% del mineral | Mayor coste inicial compensado por mayor intervalo de cambio |
6. Engranajes planetarios: requisitos específicos
Los reductores planetarios tienen una distribución de carga radialmente simétrica que permite transmitir grandes pares en volumen reducido. Sin embargo, la lubricación es más compleja que en reductores de ejes paralelos: el aceite debe llegar a todos los planetas simultáneamente, y los cojinetes de los satélites están en rotación continua respecto al portaplanetas.
Retos específicos del lubricante en planetario
- → Múltiples pares de engrane simultáneos: planeta-sol y planeta-corona
- → La corona (internal gear) tiene contacto cóncavo-convexo: mayor espesor de película
- → Los ejes de satélites tienen cojinetes de aguja o deslizamiento
- → Lubricación por salpicadura vs. circulación forzada según tamaño
- → Viscosidad debe ser compromiso: suficiente para pares de alta carga y no excesiva para satélites a alta velocidad
Aceites recomendados para planetarios
- → CKD ISO VG 150-320 mineral EP para planetarios industriales estándar
- → PAO ISO VG 150-220 para alta temperatura o vida larga sin cambio
- → Sin aditivos de azufre activo en modelos con cojinetes de bronce en satélites
- → Comprobar siempre especificación del fabricante: muchos reductores planetarios tienen aceite de relleno de vida o aceite especial propietario
- → Filtración: 25 µm si salpicadura; 10 µm si circulación
7. Análisis de aceite predictivo en reductores
| Parámetro | Frecuencia | Límite de acción | Diagnóstico |
|---|---|---|---|
| Viscosidad cinemática 40°C | Semestral | Variación {'>'} 15% | Degradación térmica, dilución con agua o contaminante |
| Fe (ICP-OES) | Semestral | {'>'} 100 ppm (alerta) / {'>'} 300 ppm (parada) | Desgaste de flancos o pistas de rodamientos de acero |
| Cu (ICP-OES) | Semestral | {'>'} 20 ppm | Desgaste de cojinetes de bronce o caja de bronce |
| TAN (acidez total) | Semestral | {'>'} 2,5 mg KOH/g (CKD mineral) | Oxidación del aceite: cambio inminente |
| Agua (Karl Fischer) | Semestral | {'>'} 0,1% en masa | Fuga de sello, condensación: corrosión interna |
| Recuento de partículas | Anual | ISO 4406 {'>'} 19/17/14 | Filtro saturado o fuente de contaminación nueva |
| Análisis ferrográfico (partículas {'>'}10 µm) | Si Fe {'>'} 100 ppm | Partículas cortantes de acero en análisis | Modo de desgaste: fatiga (láminas) vs. abrasivo (finos) |
8. Tabla comparativa por tipo de engranaje
| Tipo de engranaje | ISO clasificación | VG típico | Intervalo cambio |
|---|---|---|---|
| Helicoidal industrial (R. paralelos) | CKC/CKD mineral EP | VG 150-320 | 2 años o 8.000 h (mineral) / 4 años (PAO) |
| Cónico-helicoidal (Bevel-Helical) | CKD mineral EP | VG 220-460 | 2 años o 8.000 h |
| Planetario industrial | CKD/CKT PAO | VG 150-320 | 3-4 años (PAO) o por análisis |
| Sinfín (tornillo sin fin) | PGLP (polialfaglicol) | VG 150-460 | 2-4 años o por análisis TAN |
| Abierto (corona-piñón molino) | CKG pasta adherente EP | NLGI 00-0 semisólido | Semanal/mensual según exposición |
| Hipoide (automoción) | CKE/GL-5 mineral o sintético | VG 75W-90 o 75W-140 | 50.000-100.000 km según fabricante |
| Transmisión eólica | CKT PAO o éster VG 320 | VG 320 | Análisis semestral; cambio por condición |
Conclusión
La lubricación de engranajes industriales combina la selección correcta del tipo de lubricante (CKC, CKD, PAO, PGLP), la viscosidad adecuada a la temperatura y velocidad de operación, y los aditivos EP compatibles con los materiales del reductor. El análisis periódico del aceite en servicio es la herramienta que convierte el mantenimiento reactivo en predictivo.
Un aceite PAO de larga vida con análisis semestral puede evitar el cambio preventivo anual de un aceite mineral, con igual o superior protección del engranaje. El coste total de posesión (aceite + análisis + trabajo de cambio + residuos) favorece frecuentemente el sintético en reductores de alta criticidad.
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