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LUBRICACIÓN - Definición - Significado

Las grasas animales se empleaban hace ya 3.000 años • Viscosidad y untuosidad, características esenciales de los lubricantes • Del barboteo al circuito a presión • El cárter seco • El cambio periódico del aceite

El rozamiento es un fenómeno pasivo debido a la estructura de la materia, presente en todas las circunstancias en que se produce un movimiento; por consiguiente, constituye un problema que el hombre ha debido superar desde los comienzos de la civilización.

Debe suponerse que, en el continuo avance de la investigación para disminuir la propia fatiga, el hombre haya tenido en cuenta el fenómeno de la lubricación a través de las observaciones casuales (incluso la rueda puede tomarse como un caso de lubricación a nivel macroscópico).

Los ejemplos más antiguos de que se tienen noticias se remontan a los antiguos egipcios; existen dibujos que ilustran cómo ya entonces era habitual la lubricación para disminuir los rozamientos haciendo las superficies más resbaladizas. También las investigaciones llevadas a cabo sobre un carro con una antigüedad de 1.000 años antes de Cristo han confirmado que en aquellos tiempos la lubricación de los ejes era efectuada corrientemente con grasas de animales.

La lubricación es un fenómeno muy complejo y objeto de estudio continuo por la gran cantidad de elementos que convergen en el problema; el concepto fundamental es la eliminación del contacto directo entre dos cuerpos sólidos (rozamiento seco) que interfieren entre sí dispersando gran cantidad de energía en calor y en desgaste.

El rozamiento entre 2 órganos es función de su dureza y sobre todo de su estado superficial. Durante la fricción, el contacto no se produce en toda el área, sino sólo entre las irregularidades de las superficies que interfieren entre sí; en dichos puntos se crean presiones específicas muy elevadas que, al mismo tiempo que aumentan la temperatura, provocan la fusión de los puntos de contacto y determinan el encolado Parcial de las piezas.

En esta situación, el esfuerzo necesario Para provocar el rozamiento es elevado en relación con la presión aplicada entre los órganos, es decir, se obtiene un elevado coeficiente de rozamiento.

El empleo de materiales diversos para las piezas sujetas a rozamiento moderado tiene su origen en el hecho de que, en caso de gripado, se prefiere localizar los desgastes en una sola de las superficies, que se construye a propósito con un material menos duro.

Interponiendo entre las superficies en movimiento relativo una substancia fluida, ésta desarrolla durante determinado tiempo la función de cojinete y evita el contacto directo; en estas condiciones, la fuerza necesaria para causar el movimiento es la correspondiente al esfuerzo de deslizamiento entre las capas fluidas. El fenómeno toma el nombre de rozamiento fluido, y el espacio entre las partes sólidas ocupado por el lubricante se denomina película.

El rozamiento fluido está representado por la energía disipada por el movimiento de las moléculas del fluido, no adheridas a las superficies, en el interior de la película. Éstas están sujetas a una acción de aplastamiento y a un movimiento de rotación, que provocan un aumento de la temperatura.

El comportamiento de las moléculas de lubricante puede compararse con el de las bolas elásticas interpuestas entre las superficies. Con el fin de que las moléculas resistan al aplastamiento es necesario que la fuerza de cohesión entre las mismas (viscosidad) sea muy elevada y no disminuya bajo el efecto de la temperatura o a consecuencia de su movimiento vertiginoso.

Si la viscosidad es insuficiente para garantizar una reacción elástica igual a la acción de compresión entre las superficies, ambas piezas entran en contacto; entonces interviene otra característica de los lubricantes, su untuosidad, o capacidad de adherirse fuertemente a las superficies metálicas garantizando cierta lubricación incluso en condiciones extremas (lubricación límite).

En dicha situación, la lubricación está garantizada no ya por la película de aceite que se forma entre las piezas, sino por las 3 capas adherentes a las superficies y, como consecuencia, aunque no se produce un rozamiento seco, el fino espesor de la película puede, en caso de fuertes cargas, permitir ligeras interferencias entre las irregularidades superficiales de las partes en movimiento.

La separación entre 2 superficies puede obtenerse introduciendo el fluido mediante presión artificial (lubricación hidrostática); en tal caso se obtienen coeficientes de rozamiento muy bajos incluso a velocidades de funcionamiento muy pequeñas, puesto que la capa de lubricante es mantenida en su zona de actuación por la presión del circuito.

La película de lubricante puede formarse incluso sin presión exterior, pero entonces es necesaria una determinada velocidad relativa (lubricación hidrodinámica), puesto que en situación de paro o a baja velocidad puede producirse un rozamiento seco.

El sistema de lubricación, además de evitar el contacto directo entre 2 cuerpos sólidos y reducir el coeficiente de rozamiento, tiene otras funciones: enfriar las superficies lubricadas, evitar la corrosión, contrarrestar la acción de las substancias que pueden formarse durante el funcionamiento, como por ejemplo los productos y residuos de la combustión en un motor, y favorecer la estanquidad entre las piezas en movimiento relativo.

Entre los principales métodos de lubricación que son empleados en las máquinas cabe citar los siguientes:

— lubricación por grasa: la grasa está contenida en un recipiente apropiado y es empujada contra las superficies mediante un muelle o un pistón y por la presión conseguida mediante un tapón atornillado;

- lubricación por goteo: el aceite desciende de un recipiente situado encima de la zona y la lubrica a través de una estopa o un dosificador de gota;

— lubricación por inmersión: el aceite, contenido en un recipiente situado debajo de la zona que se ha de lubricar, se pone en contacto con ella mediante la rotación de un distribuidor absorbente apropiado, o con una de las partes móviles que se sumerge en el aceite y lo proyecta sobre la zona interesada;

- lubricación forzada: el aceite es conducido a las zonas que deben lubricarse por un sistema de canalizaciones por las cuales circula mediante la presión de una bomba.

En la lubricación tiene importancia fundamental el grado de rugosidad de las superficies en contacto; debe tenerse en cuenta que una superficie aparentemente lisa es en realidad discontinua y presenta protuberancias que, aunque no pueden apreciarse a simple vista, pueden afectar a todo el espesor de la película.

Por tanto, queda claro que una superficie más pulida puede trabajar con cargas mayores y, además, con una película más fina, sin que se produzcan rozamientos entre las partes sólidas. En el caso de los cilindros de los motores alternativos es conveniente una ligera rugosidad a fin de favorecer un rodaje más rápido y seguro. Esto queda justificado por el hecho de que se prefiere provocar a un mismo tiempo el pulido del cilindro y la adaptación de éste al pistón mediante un desgaste más rápido de la superficie del propio cilindro. Además, la rugosidad mejora la lubricación durante el período de rodaje. Cuando las piezas no son perfectamente lisas o no están adaptadas a los motores nuevos, pueden producirse los típicos humos azules de los gases de escape y un ligero consumo de aceite (favorecido por el empleo de lubricantes particularmente fluidos); se trata de fenómenos que, si no son persistentes, deben considerarse normales.

Sistemas de lubricación.

En un conjunto mecánico, existen diferentes sistemas para realizar la lubricación en correspondencia con las partes en movimiento, y la elección del método idóneo se efectúa en función de las necesidades de construcción y de las exigencias de la cantidad y de la temperatura del aceite.

El sistema más sencillo y de construcción más económica es el de la agitación o barboteo. Es el principio según el cual son lubricados todos los mecanismos que no están dotados de circulación forzada del aceite y que funcionan parcialmente sumergidos en el lubricante (cambio y diferenciales).

En el motor, la distribución del aceite queda determinada por las partes en movimiento que, sumergiéndose alternativamente en el líquido, lo lanzan contra el cilindro; la agitación del lubricante puede ser provocada por unas cuchillas apropiadas montadas en el cigüeñal o sobre el sombrerete de biela. Su eficacia depende de la cantidad de aceite y, además, provoca enormes pérdidas de potencia. Dicho sistema ha sido abandonado poco a poco ante la imposibilidad de distribuir suficientemente el aceite en la estructura cada vez más compleja de los nuevos motores.

Más funcional y eficaz es el sistema de lubricación por goteo, el cual, tras haber substituido el sistema por barboteo, ha mantenido durante mucho tiempo una amplia aplicación en el sector automovilístico. El esquema fundamental consiste en un depósito desde el cual el aceite es enviado (mediante una bomba o por la presión suministrada por el escape) a un distribuidor cuentagotas; éste se encarga de dosificar y distribuir el lubricante a través de dispositivos adecuados.

En los motores modernos, las mayores solicitaciones mecánicas y térmicas imponen la necesidad de una lubricación intensa y garantizada en cualquier condición de funcionamiento; esto implica un sistema de lubricación forzada, es decir, con circulación garantizada por una bomba. En este caso, el aceite es extraído de un depósito, distribuido a través de canalizaciones realizadas en las piezas, recuperado, enfriado y vuelto a poner en circulación.

Se efectúa una distinción en función de la recuperación y del almacenamiento del lubricante. En los motores con cárter de aceite, la parte inferior del propio cárter del motor actúa como depósito; por tanto, el aceite que gotea de las superficies lubricadas es recogido en su caída en el cárter, donde se enfría antes de ser aspirado nuevamente por la bomba. Este sistema de lubricación, utilizado en la mayoría de los vehículos de serie, requiere especial cuidado al realizar el proyecto del cárter de aceite, con el fin de que la boca de aspiración de la bomba se encuentre siempre sumergida, independientemente de los movimientos del aceite causados por las aceleraciones a que está sometido el vehículo. El problema es particularmente importante en los vehículos de motor transversal, en los cuales, por efecto de la fuerza centrífuga y del balanceo, en las curvas se producen desplazamientos notables de la masa líquida.

Para evitar tales inconvenientes suele emplearse el sistema más complejo de cárter seco. Éste se diferencia en que contiene el aceite en un depósito separado del grupo motor y, por tanto, es más complejo, puesto que requiere la presencia de una segunda bomba que aspire todo el aceite que gotea al interior del motor y lo envíe al depósito. El sistema de cárter seco es adoptado universalmente en los motores de competición y en algunos para vehículos de serie de elevadas prestaciones; presenta la ventaja de una constancia absoluta en la extracción del lubricante a cargo de la bomba de alimentación y, además, permite eliminar el cárter de aceite y, por tanto, rebajar el motor, poder disponer de grandes cantidades de lubricante y enfriarlo más eficazmente.

En los motores de 2 tiempos con cárter-bomba no es posible hacer circular y mantener el aceite en su cárter, que debe ser de retención hermética para poder realizar su función; la lubricación se obtiene mezclando el aceite lubricante con el combustible. Esta mezcla, nebuli-zada y agitada en el cárter, se adhiere a las superficies con que entra en contacto y mantiene una película lubricante. El problema más grave de este sistema de lubricación es hacer que las gotas de aceite alcancen la zona de rozamiento entre la biela y la manivela del cigüeñal; por este motivo, en los motores de 2 tiempos el cojinete de biela nunca es del tipo de fricción, sino de rodamiento (generalmente de agujas). Con este tipo de cojinete se facilita la lubricación, pues el aceite penetra más fácilmente en los espacios comprendidos entre una aguja y la otra y, además, puesto que existe solamente rozamiento de rodadura, son mínimas las consecuencias de un funcionamiento eventual cuando la lubricación sea insuficiente.

El sistema de lubricación de mezcla exige que el aceite sea nebulizado junto con el carburante, para lo cual el sistema más sencillo consiste en alimentar el carburador con gasolina que ha sido mezclada con el aceite lubricante en un porcentaje adecuado; sin embargo, este método tiene defectos, puesto que provoca dificultades de carburación debidas a las diferencias de viscosidad del fluido que atraviesa los surtidores o al hecho de que la mezcla de aire, gasolina y aceite no es perfectamente homogénea. Sin embargo, el defecto más grave proviene de que la cantidad de lubricante suministrada al motor es función exclusivamente de la cantidad de gasolina aspirada y, por consiguiente, de la apertura del mando del acelerador. Esto provoca una lubricación relativamente intensa a gas abierto (es decir, en las fases de aceleración y velocidad), mientras que con la mariposa cerrada la cantidad de lubricante introducida es muy escasa, independientemente del régimen de rotación del motor; por tanto, puede ocurrir que, funcionando mucho tiempo con el carburador cerrado (por ejemplo, en descenso, empleando el motor como freno), el motor quede sin lubricación con el peligro de gripado.

Para evitar este inconveniente y la incomodidad de tener que hacer la carga de mezcla (lo que es difícil en los motores que funcionan con supercarburante por escasez de distribuidores de lubricante equipados con los medios adecuados), se adopta el sistema de lubricación independiente, consistente en un dosificador que inyecta el lubricante en cantidad proporcional tanto a la apertura del carburador como al régimen del motor.

Lubricación del cigüeñal

En los motores para automóviles con lubricación por circulación forzada, la bomba es accionada directamente por el motor, con lo que su caudal resulta proporcional al régimen de rotación; esto es necesario, puesto que la cantidad de aceite indispensable para una lubricación y una refrigeración eficaces es proporcional a las solicitaciones a que están sometidos los diferentes órganos, muy superiores para una velocidad de rotación elevada. Examinando las condiciones de funcionamiento del circuito de lubricación pueden aclararse las características exigidas al aceite y a su circulación para un funcionamiento correcto del propulsor.

Cuando el motor está frío, el aceite se pone en circulación por la bomba de alimentación, a una presión que depende exclusivamente de la válvula limitadora; dicha válvula es necesaria, debido a que la bomba tiene un caudal mayor que la cantidad que se quiere introducir en el circuito para compensar las pérdidas de presión debidas tanto a la baja viscosidad del aceite, demasiado caliente, como el aumento de los juegos de los motores desgastados.

El aceite impulsado por la bomba llega a los semicojinetes lisos del cigüeñal y, a través de éste, a los de fricción de la biela; los cojinetes, tanto del cigüeñal como de la biela, son las partes más delicadas y solicitadas de todo el sistema biela-manivela y, como consecuencia, su lubricación debe cuidarse de manera especial. También sus dimensiones dependen de ello: además de los problemas de resistencia a las solicitaciones de la pieza, la elección del diámetro y de la anchura de un bulón es fruto de una investigación de la mejor compenetración entre los diferentes aspectos del problema lubricación-refrigeración. Por ejemplo, un bulón de diámetro grande ofrecerá una gran superficie y, por consiguiente, quedará sometido a una carga específica relativamente baja, pero también tendrá una elevada velocidad relativa de deslizamiento respecto al semicojinete; por el contrario, un bulón de diámetro pequeño soportará una elevada carga específica, pero una baja velocidad de deslizamiento.

Otro aspecto fundamental es la refrigeración del semicojinete llevada a cabo por el lubricante; dicha refrigeración está en función de la cantidad de aceite que pasa entre las superficies y, por tanto, a igualdad de temperatura, resulta más eficaz empleando un aceite más fluido o elevando la presión en el circuito o, de todos modos, favoreciendo la circulación (en condiciones extremas, puede asegurarse que los bu-Iones desgastados de un motor viejo, que hayan llegado a tener huelgos excesivos, se enfrían más fácilmente que los de un motor nuevo). Es interesante profundizar en las relaciones existentes entre presión, viscosidad y juegos en la creación y en el entretenimiento de la película entre el cojinete y el bulón. Durante el funcionamiento a régimen, la lubricación del semicojinete es esencialmente hidrodinámica; de hecho, la rotación excéntrica del bulón (debida a los juegos, pequeños pero necesarios) hace que actúe, en el interior del agujero, como una bomba, de manera que aumenta considerablemente la presión de la película de aceite entre las superficies; en tales condiciones, la película lubricante se encuentra a unas 80 atm, valor mucho más grande que la presión existente en el circuito (inferior a 8-10 atm), por lo cual no es función directa de la presión de la bomba respecto a la sustentación del cigüeñal.

Como consecuencia, la bomba se limita a reemplazar el lubricante infiltrado entre las superficies, mientras que el espesor de la película de lubricante depende únicamente de la viscosidad del aceite.

Por este motivo, la lectura en el manómetro del valor de la presión del aceite no es por sí misma muy significativa (existen también diferencias notables según el tipo de motor); tienen importancia solamente las variaciones de indicación aproximadas al valor normal del motor, que corresponden a los cambios de viscosidad del lubricante en el circuito. En otras palabras, si el manómetro señala un valor de presión mayor que el normal, el aceite es demasiado viscoso (o la válvula limitadora no se abre correctamente); por el contrario, si la indicación es más baja, el aceite se ha vuelto más fluido (si se calienta) o existen juegos excesivos (si se enfría); esto exclusivamente respecto al valor de la presión normal.

También, el encendido del piloto de la presión mínima no significa necesariamente la existencia de defectos graves en la instalación: la presión del aceite puede rebajarse hasta el mínimo por la escasa viscosidad del aceite muy caliente, por los juegos del cigüeñal y por la menor eficacia de la bomba; es necesario tener en cuenta también la regulación del propio piloto y el régimen mínimo del motor, pues a un régimen muy bajo la presión del aceite es bastante escasa.

El mismo inconveniente puede producirse cuando se emplea por vez primera aceite multigrado (por ejemplo, 10 W-50) en lugar de un aceite normal SAE 30: la viscosidad en frío resulta muy baja y la presión en el circuito puede descender a valores tales que enciendan el piloto. Sin embargo, el caudal del aceite y su efecto lubricante son, sin duda, mayores. Lo esencial es que el piloto permanezca constantemente apagado durante los regímenes normales de funcionamiento.

El circuito de lubricación del motor, con el fin de que sea más seguro y funcional, debe estar equipado con algunos accesorios, como el filtro y un intercambiador de calor, además de las tomas para los diferentes indicadores (piloto de la presión mínima, manómetro, termómetro, etc.).

El filtro es necesario para eliminar del lubricante todas las impurezas dispersas en el mismo; éstas pueden ser partículas carbonosas, residuos de la combustión, o bien, partículas metálicas desprendidas de los mecanismos por desgaste o por efecto de las mecanizaciones en las partes del motor.

Las impurezas son retenidas por sedimentación (filtro de cartucho) o, más raramente, por la diferencia de densidad (filtro centrífugo). En el primer caso, el aceite se hace pasar a través de filtros de papel adecuadamente tratado o de masas de fibras textiles que efectúan un filtrado cuidadoso; en el segundo caso, las partículas más pesadas con centrifugadas y se adhieren a las paredes de una cámara giratoria.

La colocación del filtro es variable, y éste puede estar unido al circuito tanto en serie como en paralelo; si está en serie, tiene la ventaja de filtrar el aceite que es enviado por la bomba al motor, pero provoca una pérdida de carga en el circuito y puede condicionar, con su eventual obturación, el flujo regular del lubricante. Con la colocación en paralelo, el filtro está dispuesto en un circuito independiente, de manera que es filtrado el aceite, aspirado por la bomba, que exceda de la cantidad que debe enviarse al motor.

El intercambiador de calor es necesario, puesto que el aceite debe disipar el calor que substrae de las piezas lubricadas; en los motores con cárter de aceite, este recipiente, en el que se han realizado unas aletas, enfría el lubricante contenido en el mismo, y se recurre a un radiador suplementario (generalmente en paralelo con el circuito) sólo en los motores muy solicitados y con temperaturas de funcionamiento elevadas (vehículos de todo terreno, deportivos, motores refrigerados por aire, etc.).

La aplicación del radiador para el lubricante es necesaria en las instalaciones de lubricación forzada de cárter seco o donde no es posible obtener de otro modo una refrigeración eficaz, como por ejemplo en los grupos cambio-diferencial de los vehículos de competición.

En todos los casos en que la lubricación no es de pérdida, es decir, cuando el mismo aceite es reciclado y lubrica constantemente un mecanismo, se hace necesario realizar cambios periódicos del lubricante degradado.

Esto es consecuencia de los fenómenos de envejecimiento, que modifican incluso esencialmente las características del fluido, haciéndolo inadecuado para una lubricación regular y eficiente. El envejecimiento de los aceites es provocado por las solicitaciones a que están sometidos durante el funcionamiento de los mecanismos, es decir, cargas mecánicas y térmicas, oxidación, acciones químicas de las impurezas disueltas y de los gases existentes. Las temperaturas de funcionamiento elevadas favorecen el rápido envejecimiento del lubricante y reducen la viscosidad. Los aceites con aditivos soportan fácilmente temperaturas elevadas (en los motores de competición se llega a valores superiores de 140 °C), pero en esas condiciones su duración es muy limitada.

Asimismo, cuando se usa un vehículo durante trayectos breves con el motor frío, conviene efectuar el cambio de aceite con bastante frecuencia, puesto que los arranques y la marcha a temperatura fuera de régimen provocan infiltraciones de gasolina, que contaminan el lubricante, y condensaciones de vapor de agua que contienen smog y substancias acidas.

En un automóvil, además del motor y de la transmisión, existen otras partes en movimiento relativo sometidas a rozamientos y a desgastes, las cuales plantean problemas de lubricación; se trata principalmente de los órganos de las suspensiones, de los cojinetes de las ruedas y, en general, de las articulaciones de los brazos y palancas del cambio y de la dirección. Las articulaciones de los brazos de suspensiones, que en tiempos pasados necesitaban un entretenimiento regular, han sido substituidas por manguitos de caucho o por articulaciones auto-lubricantes, o con lubricación for life.

En las ballestas de hojas múltiples también es necesario reducir el rozamiento que se produce entre las hojas durante las flexiones; con esta finalidad se envolvían en vainas rellenas de grasa; posteriormente, se adoptó la interposición de láminas de plástico que eliminan los problemas de lubricación y de los ruidos.

Desde principios de siglo hasta los años treinta, los mejores bastidores estaban dotados de una instalación centralizada para la lubricación de las numerosas piezas que necesitaban frecuentes cambios del aceite. Actualmente, las únicas articulaciones que deben ser lubricadas son los ejes de las manguetas, pero también para éstos (sobre todo con las suspensiones de tipo McPherson) se tiende a disminuir al máximo el entretenimiento, aunque no siempre redunde en ventaja de su duración. Otros avances en el campo de la lubricación podrán conseguirse con el desarrollo de la investigación en el campo de los materiales sintéticos auto-lubricantes y de los metales sinterizados.

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