1. Si buscamos la expresión para el coeficiente de rozamiento fluido de la misma forma que lo definimos para el rozamiento seco tenemos: F = µ.N = η . S . dv/dn con lo que µ valdrá: µ = η . S/N . dv/dn Donde: Experimentalmente, se comprueba que el valor de µ depende de η . V.S/N . - V es la velocidad. - N es la carga normal. - S es la superficie de contacto. Si N/S = P, presión que actúa sobre la superficie en contacto, obtenemos: = f ( V ) P
2. TIPOS DE ENGRASE El engrase perfecto: es aquel en el que las dos superficies en contacto se separan por la interposición permanente de una película de lubricante, de forma que no se toquen los dos cuerpos con movimiento relativo en ningún punto. Si, por el contrario, en las superficies existen zonas en que se efectúa el contacto sólido y en otras el fluido, se dirá que el engrase es de tipo imperfecto. Si la película de lubricante desaparece por completo, el engrase se considerará seco o de rozamiento sólido.
3. Leyes de rozamiento fluido
3.1. Consideremos una capa de lubricante entre dos placas, una fija y otra móvil con velocidad V, tal como la representada en la figura. Las partículas de fluido que están en contacto con la capa superior (C), se moverán con esa velocidad V y las que están en contacto con la placa fija inferior (B) tendrán velocidad nula. En un punto intermedio entre C y B el fluido se moverá según la ley que relacione sus coordenadas con la velocidad.
3.2. La LEY DE NEWTON del rozamiento fluido dice que la fuerza necesaria para mover la placa superior sigue la ley siguiente: dF =η . dS . dv dn donde: dv/dn es el gradiente de velocidad v = Velocidad relativa de desplazamiento de las dos superficies. η = VISCOSIDAD DINÁMICA
4. Propiedades de los lubricantes
4.1. INDICE DE VISCOSIDAD
4.1.1. El índice de viscosidad es la magnitud que mide la mayor o menor variación sufrida por la viscosidad de un aceite al modificar su temperatura.
4.1.2. Para definir el índice de viscosidad de un aceite se suelen comparar sus respectivas viscosidades a dos temperaturas distintas y fijas que, normalmente, son 100 y 210 grados Fahrenheit (correspondientes a 38 y 98’9 grados centígrados).
4.1.3. En una escala arbitraria que se acepta universalmente como patrón, se ha tomado como índice de viscosidad cero al de un aceite de tipo nafténico, como los extraídos de las costas de Méjico, y como índice de viscosidad cien al de un aceite de tipo parafino, tal y como los que se fabrican partiendo de los crudos procedentes de Pensylvania.
4.1.4. Cuanto más alto es el índice de viscosidad de un aceite, menor es la pérdida de viscosidad con la temperatura.
4.2. Viscosidad dinámica
4.2.1. La fuerza que había que ejercer para desplazar una de las caras de una película de aceite respecto de otra capa, es siempre directamente proporcional a la superficie que interviene y a la velocidad imprimida, e inversamente proporcional a la separación existente entre ambas superficies. En cualquier caso, al tratar de expresar matemáticamente dicha razón de proporcionalidad, hay que contar con un factor que depende de la naturaleza de cada líquido ensayado.
4.3. Viscosidad cinemática
4.3.1. El concepto de viscosidad cinemática proviene de relacionar los conceptos de viscosidad dinámica y de densidad. Su definición para un determinado fluido es la siguiente: Viscosidad Cinemática = Viscosidad Dinámica / Densidad Se cuantifica midiendo el tiempo que tarda en fluir un lubricante por un tubo o estrechamiento calibrado. Los aparatos utilizados para su medición se denominan viscosímetros, que pueden ser de varios tipos: - Viscosímetros ENGLER - Viscosímetros SAYBOLT - Viscosímetros REDWOOD
4.3.1.1. En el viscosímetro de tipo Engler, se mide el tiempo que tardan 200 cm3 de aceite en caer a través de un orificio calibrado y se divide por el tiempo que tardan en caer por el mismo orificio 200 cm3 de agua a una determinada temperatura. La unidad resultante son los grados Engler (ºE).
4.3.1.2. En el viscosímetro Saybolt, se mide lo que tardan en caer 60 cm3 de aceite a una temperatura de 100 grados centígrados y ese tiempo, en segundos, constituye los “segundos Saybolt Universales (SSU) ”
4.3.1.3. El segundo Redwood es el tiempo de derrame de 50 cc de aceite en un viscosímetro Redwood.
4.3.1.4. Existen tablas de conversión de unidades de viscosidad cinemática entre los diferentes sistemas.
4.4. VISCOSIDADES SAE
4.4.1. En 1950, la Society of Automotive Engineers (SAE) diseñó una escala de viscosidades para aceites de motor y cambios de velocidades que, por su gran comodidad de utilización y suma claridad en cuanto al significado de los datos, se ha hecho universal.
4.4.1.1. La viscosidad cinemática máxima recomendable en un aceite normal para motor se estima en 12’9 cSt99 y la mínima en 9’6 cSt99. A este intervalo en concreto de viscosidades, se le adjudicó la numeración SAE 30 como viscosidad recomendable para climas normales. Un aceite más fluido, apropiado para temperaturas ambientales más frías, tiene unos intervalos recomendables de viscosidad cinemática que varían entre 5’7 cSt99 y 9’6 cSt99. A este intervalo de viscosidades le adjudicó la SAE el número 20. El aceite SAE 40 es, de forma análoga, un aceite apropiado para climas calurosos y su viscosidad está comprendida entre 12’9 cSt99 y 16’8 cSt99.
4.5. ACEITES MULTIGRADO
4.5.1. Se caracterizan por tener un índice de viscosidad muy elevado, luego mantienen una viscosidad muy estable con la temperatura. Esto se consigue gracias a los aditivos espesantes que se incorporan a una base de un aceite muy ligero, de tipo “W” (winter).
4.5.2. Estos aditivos espesantes no intervienen a baja temperatura y la densidad se mantiene entonces en valores normales, comportándose como un monogrado. A medida que la temperatura sube, el aditivo se va disolviendo cada vez más en el aceite base modificando su viscosidad, aumentándola, y compensando así el descenso de la misma debido al aumento de temperatura.
4.6. UNTUOSIDAD
4.6.1. Mientras el engrase es correcto y existe un caudal suficiente de aportación de lubricante, no existe ningún problema en el funcionamiento del mecanismo de lubricación. Por el contrario, cuando la película de lubricante desaparece por alguna razón la única función lubricante entre dos superficies es la debida a la película de aceite que queda adherida a las superficies a lubricar.
4.6.1.1. Esta propiedad de los aceites para “pegarse” a las superficies a lubricar, denominada untuosidad, se debe a las moléculas con fuerte grupo polar (alcoholes o ácidos).
4.6.2. La absorción puede ser física o química, pero la adherencia química es mucho mayor. La untuosidad explica la morfología de la película de lubricación, que posee dos
4.6.2.1. Capa adherida
4.6.2.2. Capa líquida
4.7. DENSIDAD
4.7.1. Se suele dar el valor para 15ºC y depende de la temperatura según la expresión siguiente: ρ = ρ15 - (θ-15).0,0007 kg/m3
4.8. CALOR ESPECÍFICO
4.8.1. Es importante conocerlo para establecer la capacidad de absorción de calor de un aceite. Depende de la temperatura según la expresión siguiente: c = (0,402 + 0,00081 . θ).4,19/ρ Se mide en kJ/kgK con θ en ºC y ρ en kg/dm3
4.9. OTRAS PROPIEDADES
4.9.1. Además de las propiedades mencionadas con anterioridad, existen otras que también han de ser consideradas en la elección de los lubricantes. Estas son:
4.9.2. Punto de congelación
4.9.3. Punto de inflamación
4.9.4. TBN
5. Clasificación de los lubricantes
5.1. GRASAS Una grasa es una sustancia que resulta de mezclar convenientemente un jabón con un aceite apropiado. El aceite sigue cumpliendo su misión de fluido lubricante y el jabón actúa como agente espesante. Como definición más precisa, cabe decir que: La grasa es un compuesto viscoplástico obtenido por espesamiento de aceites minerales, mediante la aportación de un jabón. No obstante, también existen grasas fabricadas partiendo de lubricantes sintéticos y grasas que recurren a otros compuestos como espesantes. Al igual que en el caso de los aceites, en las grasas también se encuentran aditivos con diferentes finalidades, de entre los que destacan:
5.1.1. Antioxidantes
5.1.2. Anticorrosivos
5.1.3. De extrema presión
5.2. Cada una de las propiedades mencionadas anteriormente, daría lugar a una clasificación diferente de los lubricantes. No obstante, siguen existiendo otros criterios de clasificación. Atendiendo a la naturaleza de los mismos, se pueden clasificar en:
5.2.1. Los dos tipos de lubricantes más usuales e importantes son los aceites y las grasas. El esquema de configuración de un aceite es el siguiente:
5.2.1.1. Los componentes no reactivos no tienen grupos polares y sirven de base o de “matriz” de alojamiento del resto de los componentes o aditivos. Las diferentes bases de los aceites provienen (en los aceites minerales) de los distintos tipos de petróleo (parafínicos, nafténicos y aromáticos). Los aditivos que se añaden al aceite de partida se encargan: - Unas veces de mejorar algunas cualidades del aceite base. Son los ADITIVOS MEJORADORES. - Otras veces de reducir o contrarrestar otras características menos convenientes para la aplicación de que se trate. Son los ADITIVOS INHIBIDORES.
5.2.1.2. - COMPONENTES NO REACTIVOS (hidrocarburos) -SATURADOS -PARAFÍNICOS -NAFTÉNICOS -NO SATURADOS -AROMÁTICOS
5.2.1.3. - ADITIVOS -DE UNTUOSIDAD -DE DETERGENCIA -ALCOHOLES, ESTERES
5.3. Lubricantes gaseosos (aire, etc.)
5.4. Lubricantes líquidos (aceites principalmente)
5.5. Lubricantes pastosos (grasas)
5.6. Lubricantes sólidos (grafito, bronce poroso, teflón, etc.)
6. VENTAJAS: El empleo de las mismas viene obligado siempre que el mecanismo a lubricar ofrezca dificultades importantes en cuanto a la posibilidad de retener consigo el aceite (rodamientos, etc.). La mayor adherencia y consistencia de las grasas, las hace indispensables en tales casos. De igual modo son muy recomendables en ambientes de trabajo muy nocivos (polvo, humedad, etc.). También cuando sea difícil el acceso al punto a lubricar y sea conveniente dilatar al máximo los periodos de mantenimiento.
7. INCONVENIENTES: Como inconveniente principal de las grasas se puede citar su (por lo general) extraordinaria sensibilidad al exceso de calor. Salvo grasas muy especiales, las corrientes no suelen soportar adecuadamente las temperaturas elevadas. Además la acción refrigerante del lubricante se pierde por completo si se utilizan grasas. Todavía en la actualidad no se ha conseguido eliminar la necesidad del engrase periódico sobre todo en las máquinas pesadas.
8. Didier Ramos Santiago
9. Regímenes de lubricación
9.1. LUBRICACIÓN HIDROSTÁTICA
9.1.1. En la lubricación hidrostática la capa de lubricante se garantiza gracias al suministro de un fluido a presión en la zona de contacto. Será esa presión exterior la encargada de mantener la separación de los dos cuerpos. Es muy apropiada para velocidades relativas de deslizamiento bajas o, incluso, para los momentos de arranque en las diferentes máquinas o mecanismos. El nivel de rozamiento es muy bajo en este régimen de lubricación. Existen dos tipos de cojinetes hidrostáticos: - Caudal constante - Presión constante
9.2. LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
9.3. La lubricación hidrodinámica se tiene cuando al girar el eje arrastra al aceite creando zonas de sobrepresión y de depresión. Llegado un determinado momento, se crea una cuña hidrodinámica a presión que mantiene separados los dos cuerpos sin ningún aporte de presión exterior. La formación de la cuña hidrodinámica depende fundamentalmente de los siguientes factores: - Viscosidad del lubricante. - Velocidad en el movimiento relativo entre los elementos, cojinete y gorrón. - Huelgo radial entre los dos elementos. - Carga radial del eje.
9.4. LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA
9.4.1. La lubricación elastohidrodinámica se genera en los contactos altamente cargados, que pueden ser: - Lineales (engranajes). - Puntuales (rodamientos de bolas). Como consecuencia de las cargas elevadas en los contactos se tienen: - Aumento de viscosidad en el aceite. - Deformaciones elásticas en los cuerpos. Dado que la viscosidad aumenta debido a la alta presión, la distribución de presión aumenta, con lo que también lo hace la capacidad de carga. Para cuantificar la teoría de la lubricación elastohidrodinámica, es necesario conjugar las siguientes ecuaciones: - Ecuación de la viscosidad en función de la presión - Ecuación diferencial de Reynolds. - Ecuaciones de la deformación elástica de los cuerpos. Para resolver el sistema de ecuaciones anterior es necesario recurrir a métodos numéricos.
9.5. LUBRICACION MIXTA Y LÍMITE
9.5.1. Aqui si aumenta la presión, la película disminuye y se produce contacto metal-metal debido a las rugosidades. Si se denomina:Espesor mínimo de película Rugosidad de las superficies
9.5.1.1. λ=Espesor mínimo de película/ Rugosidad de las superficies
9.5.1.1.1. se tiene que para “λ“ comprendido entre 1 y 3’5, el régimen de lubricación es mixto y que para “λ“ menor que 1, toda la carga la soportan los elementos. No existe película y se tiene lubricación límite. Para un valor de “λ“ igual a 2, el desgaste afecta sólo a las rugosidades, lo que constituye un desgaste perfectamente admisible.
9.5.2. En el caso de lubricación límite, la importancia de la viscosidad disminuye pero aumenta mucho la importancia de la untuosidad. De igual modo, adquiere importancia la composición química de las piezas en contacto. La misión del lubricante en el caso de lubricación límite sigue siendo la de reducir el contacto sólido-sólido, mediante el esfuerzo de cortadura en el seno del mismo. Esto se consigue con:
9.5.3. Moléculas largas con grupo polar.
9.5.4. Alta adherencia.
9.5.5. Punto de vaporización alto.
9.6. LUBRICACIÓN SÓLIDA
9.6.1. Se recurre a la lubricación sólida cuando se produce alguna/s de las condiciones siguientes:
9.6.1.1. Temperaturas elevadas.
9.6.1.2. Acceso difícil del lubricante líquido.
9.6.1.3. Cargas extremas con vibraciones.
9.6.1.4. Presencia de gases, disolventes, ácidos, etc.
9.6.2. Los lubricantes más utilizados en este caso son el bisulfuro de molibdeno y el grafito, que poseen una estructura molecular en láminas superpuestas de tipo “hojaldrado”.