En la Teoría de la Lubricación al tratar el tema de cojinetes de fricción, también más tarde los de rodadura, es necesario explicar los fundamentos de la lubricación.

Un aspecto que está ligado en nuestro ámbito principalmente a los motores y sistemas de transmisión de potencia.

 

Funciones del lubricante

Un lubricante disminuye el coeficiente de fricción entre las superficies deslizantes de los mecanismos, disminuye por tanto las pérdidas de energía por resistencias pasiva y contribuye al máximo rendimiento mecánico del equipo.

El lubricante impide el contacto directo entre las superficies citadas ya que, en condiciones adecuadas de lubricación,se forma una película de aceite intermedida.

Esto evita agarrotamientos.

En conjunto, pues el lubricante reduce las pérdidas de energía por fricción, disminuye el desgaste, actúa como refrigerante, contribuye a la hermeticidad de los equipos y evacua la impurezas.

Las propiedades esenciales de un lubricante son la viscosidad, la variación de la viscosidad con la presión y temperatura, y launtuosidad.

También es importante que el lubricante no sufra cambios químicos o se decomponga durante su uso (estabilidad y resistencia a la oxidación a altas temperaturas).

 

Lubricación Hidrodinámica

 

La teoría de Reynolds explica un fenómeno observado, según el cual la presión de aceite que se origina en un cojinete es varias veces mayor que la presión debida a la carga aplicada sobre el mismo.

En la teoría se establece que una de las superficies en fricción se desplaza con res­pecto a la otra, de tal modo que se forma una cuña de aceite entre ambas.

La presión que se produce en la película de aceite soporta la carga apli­cada e impide el contacto directo entre las superficies deslizantes.

La cuña de aceite en un coji­nete se forma del modo siguiente.

Cuando el eje está en repo­so, sin movimiento de giro, todo o casi todo el lubrican­te ha sido expulsado fuera de la línea de contacto entre el eje y el cojinete.

Cuando aquel empieza a girar tiene tendencia a rodar sobre la superficie del cojinete, en sentido opuesto a la rota­ción.

A la superficíe del eje y cojinete se adhieren capas de aceite.

La rotación del eje arrastra el líquido por el espacio comprendido entre las capas.

Esta acción de bombeo origina un aumento de la presión de acei­te conforme disminuye la separación entre el eje y el cojinete.

Si está bien lubricado la presión de aceite es superior a la presión debida a la carga mecánica aplicada.

El eje empieza a «flotar» en la película fluida.

La máxima presión de aceite tiene lugar antes de la zona de mínimo espesor.

Debe notarse que cuanto mayor es la resistencia del aceite al esfuerzo cortante más fácilmente es arrastrado por el eje rotato­rio.

Por tanto mayor es la presión entre la película de aceite y el eje sólido y el espesor de la película resultante.

De aquí deduci­mos la importancia de la viscosidad del aceite porque es una medida de su resistencia al esfuerzo cortante.

Este tipo de lubricación, llamada hidrodinámica, se produce siempre que las condiciones operativas den lugar a la formación de una cuña de aceite entre dos superficies deslizantes separadas por el fluido.

Si la presión de aceite se produce exteriormente y no por las propias superficies deslizantes, entonces hablamos de cosa distinta, de lubricación hidrostática.

 

Lubricación límite

 

La película de aceite en contacto con la superficie del sólido se mantiene por:

(l) fuerzas de adsorción físicas,

(2) fuerzas quími­ cas como resultado de reacciones de este tipo entre el aceite y el material de la superficie, o

(3) por combinación de ambas.

La tenacidad con que la capa de aceite se adhiere a la superfi­cie es una propiedad del lubricante denominada untuosidad.

En contacto con cada superficie deslizante se origina una capa límite estacionaria, de una o varias moléculas de espesor, seguida de una capa fluida.

La película fluida en fase de funcionamiento nor­mal está sometida continuamente a esfuerzos cortantes y es la que soporta la carga.

Si por cualquier causa sale expulsada y las capas límites entran en contacto se produce una condición de lubrica­ción que se llama límite.

La expulsión total de todas las capas en una zona parcial o extensa de las super­ficies, por ejemplo en zonas de puntos irregulares de las piezas, conduce a desgaste excesivo local y el probable gripado del mecanismo.

La lubricación límite puede presentarse en los cojinetes cuando la carga aumenta, cuando disminuye la velocidad del eje, o dis­minuye la viscosidad del lubricante.

El arranque de un mecanis­mo (digamos, en el arranque del motor) estas condiciones se dan al menos por partida doble.

 

El parámetro ZN/P

 

La fuerza de rozamiento F que se produce en un cojinete es proporcional al producto de la viscosidad Z del lubricante (medi­da a la temperatura y presión de la película de aceite), multiplica­ da por la velocidad angular N del eje y por una superficie carac­terística, la superficie proyectada del cojinete (igual al diámetro D del cojinete por su longitud característica L —en este caso ancho de la pista-).

El coeficiente de fricción  es la relación entre la fuerza de rozamiento y la carga aplicada al cojinete.

F es proporcional a ZN-LD y f.1 es igual a F/P*L*D, siendo P la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete.

De este modo resulta que f.1 es una función del grupo adimensional ZN/P.

La relación funcional entre f.1 y el grupo ZN/P para un determi­nado cojinete debe determinarse experimentalmente.

La transición de la lubricación límite a la hidrodinámica no ocurre de forma brusca a causa de las irregu­laridades de las superficies deslizantes.

Conviene observar que las condiciones de funcionamiento del cojinete en la zona hidrodinámica son estables.

Con un ejemplo:

¿Qué significa esto?

Si disminuye la velocidad del eje, disminuye el valor del grupo ZN/P, el coeficiente de fricción f..l disminuye, y disminuyen las pérdidas de energía por rozamiento, la temperatura del aceite disminuye, Z aumenta y ZN/P vuelve a subir.

Se con­trarresta, pues, al menos en parte, el efecto de disminuir la velo­cidad.

El lector puede aplicar consideraciones similares a la disminu­ción de la viscosidad del aceite o al aumento de la carga.

Las con­diciones de funcionamiento tienden a estabilizarse por sí mismas, es la conclusión.

El funcionamiento a la izquierda del mínimo de la curva, es inestable.

Las variaciones en el grupo ZN/P no se contrarrestan como antes.

Si la película de aceite se expulsa se producen fallos por agarrotamiento, se raya el material, a no ser que se utilicen lubricantes especiales que pueden actuar bajo esas condiciones de extrema presión, o bien que se combinen lubricación hidrodiná­mica e hidrostática.

 

Untuosidad del lubricante

 

Si la viscosidad del aceite es propiedad fundamental en la zona de lubricación hidrodinámica, en la zona de lubricación límite la propiedad más importante es la untuosidad.

Es comprensible que la condición de lubricación hidrodinámi­ca no se puede mantener siempre, en todo momento de operación, entre las superficies deslizantes.

Por ejemplo en el instante de la puesta en marcha de un mecanismo lubricado, o con la introduc­ción de una carga brusca en el mecanismo, o durante la inversión del movimiento, etc.

La lubricación límite puede predominar durante el período de rodaje de maquinaria nueva, cuando las superficies deslizantes están relativamente rugosas.

En estas con­diciones el aceite es expulsado de las superficies deslizantes y se reduce el espesor de la película de aceite.

En la zona operativa de lubricación límite la capacidad para mantener una cierta película de lubricante entre las superficies deslizantes depende de una propiedad específica del lubricante, untuosidad, y de las propias superficies que deslizan.

De difícil medida, la untuosidad se relacionan al coeficiente de fricción en la zona límite, con la capacidad de evitar el desgaste, con la resistencia de la película de aceite a su ruptura o desplazamiento de lugar, con la capacidad de carga, y con la facultad para evitar el fallo por agarrotamiento.

Todos los lubricantes derivados del petróleo tienen aproximadamente el mismo grado de untuosidad, cualquiera que sea el origen del crudo y el proceso de refino.

Por lo común, esta «untuosidad natural» que presentan los aceites minerales es adecuada para muchos mecanismos, bien entendido que hay aditivo mejoradores de la untuosidad, como cierta clase de ácidos, aceites grasos, aceites vegetales por ejemplo Voltrion y grupos diésteres, entre otros.

Son productos que exhiben alta polaridad (capacidad de sus moléculas para adherirse a la superficie del metal).