Elementos de máquinas

Cajas de engranajes: inspección, lubricación y fallas (con simulador)

14 min de lectura5 problemas resueltos5 ejercicios propuestosQuiz con nota sobre 20👁 – vistas

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! La caja de engranajes (o reductor) es uno de los equipos que más trabajan y que más silenciosamente se averían: casi siempre avisa antes con ruido, temperatura, fugas, vibración o partículas en el aceite. Esta publicación te enseña a inspeccionarla, lubricarla bien y diagnosticar sus fallas, y trae un simulador donde marcas los síntomas y obtienes causas probables, acciones priorizadas, la viscosidad ISO VG y un cronograma. Si necesitas repasar los tipos y la selección de reductores, lee primero Reductores de velocidad: tipos, relaciones y selección.


1. Componentes principales y funciones

Componentes de una caja de engranajes: carcasa, ejes, engranajes, rodamientos y sellos, y tipos de engranaje más comunes
Componentes principales de la caja de engranajes y tipos de engranaje. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Además de los componentes de la ficha, una caja bien equipada tiene respiradero (iguala la presión interna), mirilla o varilla de nivel, tapón de llenado, tapón de drenaje y, en muchas cajas, un tapón magnético que atrapa las partículas de hierro. Los ubicamos en este esquema:

Esquema de una caja de engranajes con respiradero, retenes, rodamientos, engranajes, mirilla de nivel, tapón de drenaje, imán y carcasa
Puntos de inspección en una caja de engranajes. Fuente: diagrama original Welectronic.

2. Inspección clave

Inspección clave: nivel de aceite, respiradero, alineación, condición externa, ruido y vibración
Inspección clave de la caja de engranajes. Fuente: ficha técnica Welectronic.
Puntos de inspección rápida y temperatura de operación referencial del aceite
Puntos de inspección rápida y temperatura de operación referencial. Fuente: ficha técnica Welectronic.

La ficha da como referencia una temperatura de aceite recomendada de 60 °C como máximo en operación continua y 80 °C en picos cortos; temperaturas mayores indican problemas de lubricación, carga, alineación o ventilación.

Corrección y precisión (temperatura): los 60 °C de la ficha son una referencia muy conservadora. Muchas cajas industriales con aceite mineral trabajan con normalidad entre 50 y 80 °C en el baño de aceite (la temperatura exacta depende del tamaño, la carga y la ventilación), y los fabricantes suelen indicar un máximo de unos 80–90 °C para aceite mineral y más para sintético. Lo importante es la tendencia: anota la temperatura normal de tu caja con carga estable y trata como alerta cualquier aumento sostenido de 10–15 °C sobre ese valor. Además, cada +10 °C reduce a la mitad aproximadamente la vida del aceite mineral (regla práctica por oxidación), así que operar caliente acorta los intervalos de cambio.

3. Lubricación

Puntos de lubricación, tipos de lubricación (baño de aceite, salpicadura, circulación forzada) y selección de lubricante
Puntos de lubricación, tipos de lubricación y selección de lubricante. Fuente: ficha técnica Welectronic.
Precaución (aceites EP en sinfín-corona): la ficha recomienda aceite EP de forma general. En cajas con corona de bronce (sinfín-corona) algunos aditivos EP de azufre-fósforo pueden atacar el bronce; en esos casos se usan aceites compuestos o sintéticos específicos para sinfín. Revisa siempre la especificación del fabricante de la caja. Tampoco mezcles aceite mineral con sintético tipo poliglicol (PAG), que no son miscibles.

Viscosidad ISO VG: de la ficha al cálculo

Guía de selección de viscosidad ISO VG por temperatura ambiente, intervalos de cambio de aceite y análisis de aceite recomendado
Guía de viscosidad ISO VG, intervalos de cambio y análisis de aceite. Fuente: ficha técnica Welectronic.

La ficha propone esta guía referencial por temperatura ambiente: −20 a −10 °C → ISO VG 68; −10 a 0 °C → 100; 0 a 20 °C → 150; 20 a 40 °C → 220; 40 a 60 °C → 320. El número ISO VG es la viscosidad cinemática del aceite a 40 °C en mm²/s: un VG 220 tiene 220 mm²/s a 40 °C.

Ampliación (por qué la guía por ambiente no basta): la viscosidad que importa es la que tiene el aceite a su temperatura de trabajo, y además depende de la velocidad tangencial de los dientes. A baja velocidad hace falta aceite más viscoso para mantener la película protectora; a alta velocidad conviene uno menos viscoso para limitar pérdidas por batido y calor. Por eso las normas y los fabricantes (por ejemplo AGMA 9005) consideran la velocidad y la temperatura. La guía de la ficha es útil como primera aproximación, pero el valor definitivo lo manda el manual del fabricante.
v = π · d · n / 60.000 [m/s, con d en mm y n en rpm]
ν requerida a la temperatura de trabajo (criterio didáctico): v < 0,5 → 90 mm²/s; 0,5–1 → 60; 1–2,5 → 40; 2,5–5 → 30; 5–10 → 24; 10–20 → 18; > 20 → 14
Se elige el menor ISO VG cuya viscosidad a la temperatura de trabajo sea ≥ ν requerida (se sube un grado si hay choques o arranques frecuentes).

La viscosidad de un aceite baja mucho al calentarse. Para calcularla entre 40 y 100 °C se usa la relación de Walther (ASTM D341): log log (ν + 0,7) = A − B · log T, con T en kelvin, donde A y B salen de las viscosidades a 40 y a 100 °C.

Curvas de viscosidad en función de la temperatura para aceites ISO VG 68, 150, 220 y 320
Viscosidad de aceites minerales ISO VG 68, 150, 220 y 320 según la temperatura. Fuente: diagrama original Welectronic (curvas típicas de aceite mineral, VI ≈ 95).

Intervalos de cambio y análisis de aceite

Referencia de la ficha: en condiciones normales (carga normal, temperatura estable, ambiente limpio) cambiar cada 4.000 a 8.000 horas o 6 a 12 meses; en condiciones severas (alta carga, temperatura, polvo, arranques frecuentes) cada 1.000 a 3.000 horas o 3 a 6 meses, lo que ocurra primero. El análisis de aceite recomendado incluye viscosidad, partículas (ISO 4406), agua, acidez (TAN), metales de desgaste (Fe, Cu, Pb, Al, Cr) y contenido de aditivos.

El código ISO 4406 expresa la limpieza con tres números (partículas mayores de 4, 6 y 14 µm por mL). Cada número de código duplica aproximadamente la cantidad de partículas: pasar de 17 a 18 es el doble. Por ejemplo, 20/18/15 es mucho más sucio que 17/15/12.

Dato práctico: el análisis de aceite vale más como tendencia. Toma las muestras siempre en el mismo punto y con el equipo en marcha o recién detenido. Un aumento brusco de hierro (Fe) indica desgaste de engranajes o rodamientos; cobre o estaño, desgaste de bronces o jaulas; silicio, entrada de polvo; agua por encima de aproximadamente 500 ppm (0,05 %) merece investigarse (valores referenciales: confirma los límites con tu laboratorio y el fabricante).

4. Fallas comunes: síntomas, causas y soluciones

Tabla de síntomas, posibles causas, qué revisar y acción recomendada, y señales de alerta
Síntomas, posibles causas, qué revisar y acción recomendada. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Señales de alerta de la ficha: ruidos o golpes nuevos, aumento de temperatura por encima del rango, fugas de aceite visibles, vibración o movimiento inusual, aceite con partículas metálicas y olor a aceite quemado o humo. Ante cualquier alerta: detener, inspeccionar y corregir.

Aclaración: la ficha dice «aumento de temperatura por encima del rango» sin dar el rango; en la práctica es el rango normal de tu equipo (ver la corrección de temperatura en la sección 2). Y las partículas metálicas no siempre significan «detener ya»: una película fina de limalla fina en el imán tras el rodaje es normal; lo grave son virutas, escamas o incremento rápido.

5. Selección rápida de caja de engranajes

Selección rápida de caja de engranajes según la potencia: tipo, relación, eficiencia, lubricación y aplicaciones, y factores para definir
Selección rápida de caja de engranajes y factores para definir. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Factores para definir: par requerido (N·m), velocidad de entrada (rpm), relación de reducción, tipo de carga (constante o variable), horas de operación por día, temperatura ambiente, espacio disponible y condiciones ambientales.

Precisión sobre la tabla: la potencia por sí sola no define la caja; manda el torque requerido con su factor de servicio (por eso una caja de 15 kW a 50 rpm es mucho mayor que una de 15 kW a 1.500 rpm). Las eficiencias de 94 a 99 % son de engranajes helicoidales y planetarios bien lubricados; el sinfín-corona, que no aparece en esta tabla, rinde bastante menos (ver la publicación de reductores). Y las relaciones altas se logran con varias etapas, no con una sola.

6. Simulador de mantenimiento de caja de engranajes

Esta herramienta reúne todo lo anterior. En el diagrama toca (o recorre con el teclado) cada componente para ver su función y fallas típicas. En el panel marca los síntomas y condiciones que observas; el simulador te muestra las causas probables con un índice de coincidencia, resalta en rojo los componentes implicados en el diagrama y lista las acciones por prioridad (urgente, pronto, planificar). Más abajo, la sección de viscosidad calcula la velocidad tangencial y el ISO VG recomendado, y el cronograma propone frecuencias de inspección y la fecha del próximo cambio de aceite según tus horas por día y las condiciones de servicio.

Ejercicio sugerido: marca «Fuga de aceite → Por el respiradero» y cambia el respiradero a «Obstruido»; después marca «Partículas → limalla gris en el imán» y observa cómo aparece la alerta de detener.


✅ 5 Problemas Resueltos

Problema 1: Un engranaje lento de una caja tiene un diámetro primitivo de 200 mm y gira a 150 rpm; el aceite mineral trabaja a 65 °C. Calcula la velocidad tangencial y el ISO VG con el criterio de la publicación.
Solución:
v = π · d · n / 60.000 = π × 200 × 150 / 60.000 = 1,57 m/s.
Para 1 a 2,5 m/s se requieren unos 40 mm²/s a la temperatura de trabajo.
A 65 °C: VG 100 ≈ 33,2 mm²/s (< 40, no sirve); VG 150 ≈ 46,6 mm²/s (≥ 40, sirve).
ISO VG 150.
Problema 2: El aceite de una caja se cambia a las 8.000 h (régimen normal, 60 °C). La caja trabaja 16 h/día. ¿Cada cuántos días hay que cambiarlo si el calendario máximo es de 12 meses?
Solución:
Por horas: 8.000 / 16 = 500 días (≈ 16,4 meses).
Por calendario: 12 meses ≈ 365 días.
Se cumple primero lo que ocurra antes: cada 365 días (12 meses), es decir, cambio por calendario.
Problema 3: Un análisis de aceite da un código ISO 4406 de 20/18/15 y el objetivo del equipo es 17/15/12. ¿Cuántas veces más partículas tiene el aceite?
Solución:
Cada número de código es el doble del anterior. La diferencia es de 3 códigos en cada rango (20 − 17 = 3).
Factor = 2³ = 8 veces más partículas. Hay que revisar filtros, respiradero y sellos y filtrar o cambiar el aceite.
Problema 4: Una caja helicoidal de 55 kW tiene η = 97 %. ¿Cuánta potencia pierde en forma de calor? Compárala con un sinfín de 7,5 kW con η = 65 %.
Solución:
Helicoidal: pérdidas = 55 × (1 − 0,97) = 55 × 0,03 = 1,65 kW.
Sinfín: pérdidas = 7,5 × (1 − 0,65) = 2,625 kW.
El sinfín, con una séptima parte de la potencia, genera más calor: exige más cuidado térmico y de lubricación.
Problema 5: Un aceite mineral dura 8.000 h a 70 °C. Con la regla de «la vida se reduce a la mitad por cada 10 °C», ¿cuánto durará a 80 °C y a 90 °C?
Solución:
A 80 °C: 8.000 × 0,5¹ = 4.000 h.
A 90 °C: 8.000 × 0,5² = 2.000 h.
Moraleja: un pequeño sobrecalentamiento acorta mucho el intervalo de cambio (regla práctica, no exacta).

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1: Un engranaje de 120 mm de diámetro primitivo gira a 1.200 rpm con aceite mineral a 70 °C. Calcula v y el ISO VG con el criterio de la publicación.
v = π × 120 × 1.200 / 60.000 = 7,54 m/s → se requieren 24 mm²/s a 70 °C.
VG 68 ≈ 20,1 mm²/s (< 24); VG 100 ≈ 27,7 mm²/s (≥ 24).
ISO VG 100.
Ejercicio 2: Usa la ecuación de Walther con el VG 220 (220 mm²/s a 40 °C y 19,4 mm²/s a 100 °C). ¿Cuál es su viscosidad a 70 °C? ¿Qué tan fuerte baja respecto a 40 °C?
Con la relación de Walther resulta ν(70 °C) ≈ 52,4 mm²/s.
Baja a 24 % del valor a 40 °C: la viscosidad cae más de cuatro veces al calentarse 30 °C.
Ejercicio 3: En condiciones severas el cambio es a las 3.000 h o a los 6 meses. Una caja trabaja 20 h/día. ¿Cada cuántos días se cambia el aceite y qué criterio manda?
Por horas: 3.000 / 20 = 150 días. Por calendario: 6 meses ≈ 182 días. Manda el de las horas: cada 150 días.
Ejercicio 4: Un análisis da 18/16/13 y el objetivo es 16/14/11. ¿Cuántas veces más partículas hay?
Diferencia: 2 códigos en cada rango. Factor = 2² = 4 veces más partículas.
Ejercicio 5: Un reductor de 11 kW tiene η = 96 %. ¿Cuántos kW se convierten en calor?
Pérdidas = 11 × 0,04 = 0,44 kW (440 W).

🧠 Quiz de conocimiento

Se seleccionarán 7 preguntas al azar de nuestra base de 10. Tu nota se calcula sobre 20.