Reductor de eje paralelo vs planetario: par y relación en traslación
La selección del reductor para el mecanismo de traslación de una grúa debe ajustarse al rango de relación de transmisión (i=10~200), al tipo de montaje (Eje Hueco / Eje Macizo / tipo brida) y a la Clase de Funcionamiento (M3~M8), combinando cuatro estructuras principales: el reductor de engranaje helicoidal de tres etapas de eje paralelo (flanco de diente endurecido por Cementación y Temple 58~62HRC, para velocidad y carga medias), el Reductor planetario (sistema de engranaje planetario de 3~4 etapas, con i≥35 su peso es solo el 40% del de eje paralelo), el reductor cicloidal (relación de transmisión de una etapa 9~87, capacidad de sobrecarga 200%) y el motorreductor con freno (motor + reductor + Freno integrados, montaje sencillo). Además, deben verificarse tres límites: el Par de salida, la carga radial y la potencia térmica.
En el diseño y selección del mecanismo de traslación de una grúa, el reductor es el componente de transmisión clave que conecta el Eje de Salida del Motor con el Eje de Rueda motriz: su relación de transmisión determina la Velocidad de rotación de la rueda (y por tanto la Velocidad de Traslación de la máquina), su Par de salida define si puede impulsar la grúa superando el par resistente, y su estructura y forma de montaje condicionan la disposición general del mecanismo. Los distintos tipos de reductores difieren notablemente en rango de relación de transmisión, capacidad de carga, eficiencia, volumen, peso y coste. Una elección incorrecta puede provocar falta de espacio de instalación, ruido excesivo en funcionamiento o una reducción drástica de la vida útil.
Conforme a los requisitos de la norma ISO 4301 para el diseño de sistemas de transmisión en mecanismos de traslación, la selección del reductor debe satisfacer simultáneamente tres indicadores principales:
①Par de salida — no inferior al Par nominal del Motor × relación de transmisión × eficiencia (Tsalida ≥ Tmotor × i × η);
②Carga radial sobre el Eje de Salida — no superior al valor admisible indicado en el catálogo del reductor (Fr ≤ Fr,adm), especialmente cuando el reductor de Eje Hueco se monta directamente sobre el Eje de Rueda;
③Margen de potencia térmica — suficiente (Ptérmica ≥ Preal) para evitar que la temperatura del aceite supere los límites tras un funcionamiento prolongado y provoque Fallo de Lubricación.
Tomemos como ejemplo el mecanismo de Traslación del Puente de un Puente Grúa Biviga de 50t: Motor 2×22kW (4 polos / 1460rpm / Par nominal 144N·m), Diámetro de rueda 710mm, Velocidad de Traslación del Puente 50m/min (0.833m/s), Velocidad de rotación de la rueda nrueda=60×0.833/(π×0.71)=22.4 rpm, relación de transmisión total i=1460/22.4=65.2. A continuación se realiza la distribución de la relación de transmisión y el cálculo de selección para cada una de las cuatro estructuras de reductor.
Comparativa de reductores para traslación de puente grúa
Reductor de engranaje helicoidal de tres etapas de eje paralelo — es la estructura más utilizada en los mecanismos de traslación de grúas (series ZQ/ZSC/ZQA). Los engranajes son cilíndricos de perfil de evolvente, con flanco de diente endurecido por Cementación y Temple (58~62HRC) y Grado de Precisión 6~7. Ventajas: alta eficiencia (≥98% por etapa), gran capacidad de carga, bajo coste de fabricación (producción estandarizada en serie) y Mantenimiento sencillo (solo requiere cambio periódico de aceite e inspección del Desgaste del diente). Inconvenientes: mayor volumen y peso (especialmente cuando i>50 requiere transmisión multietapa) y mayores requisitos de espacio de instalación. Diseño para i=65.2: transmisión de tres etapas, i1=4.5 / i2=4.0 / i3=3.62, relación total i=4.5×4×3.62=65.16, distancia entre centros atotal≈520mm, Peso Propio≈380kg.
Reductor planetario — se basa en un sistema de engranaje planetario compuesto por sol, engranaje planetario y corona. El Motor acciona el sol, y la Carga se distribuye a través de 3~4 engranajes planetarios hacia la corona de salida. La relación de transmisión por etapa suele ser de 3~10, y en conexión multietapa puede alcanzar 200~1000. Ventajas: altísima densidad de Potencia (con el mismo Par, el volumen y el peso son solo el 35%~50% de un reductor de eje paralelo), entrada y salida coaxiales (ideal para acoplamiento directo con el Motor), funcionamiento suave y silencioso (distribución uniforme de Carga entre los planetarios). Inconvenientes: coste de fabricación 2~3 veces superior al de eje paralelo, altos requisitos de precisión de instalación (una Desviación de la distancia entre centros >0.05mm provoca una distribución desigual de la Carga entre los planetarios) y Mantenimiento más complejo que el de eje paralelo. Diseño para i=65.2: 2 etapas planetarias (i1=7.5 / i2=8.69), relación total = 7.5×8.69=65.18, diámetro exterior ≈φ280mm, Peso Propio≈150kg — un 61% más ligero que la solución de eje paralelo.
Reductor cicloidal — utiliza el principio de engrane de diferencia de dientes entre el perfil cicloidal y los pasadores de aguja. La relación de transmisión de una etapa es de 9~87, ideal para aplicaciones de Potencia media con relaciones entre 11 y 87. Ventajas: alta eficiencia (≥93% por etapa), capacidad de sobrecarga excepcional (soporta un 200% de sobrecarga instantánea sin daños), larga vida a fatiga (la vida a fatiga por contacto rodante entre pasadores y rueda cicloidal supera ampliamente la vida a fatiga por flexión en la raíz del diente de los engranajes cilíndricos) y diseño compacto. Inconvenientes: alta precisión de fabricación (la rueda cicloidal requiere rectificadoras especiales), reparaciones que requieren envío a fábrica y sin ventaja de volumen para relaciones pequeñas (i<11). Diseño para i=65.2: se puede lograr en una sola etapa (la relación de una etapa del cicloidal alcanza 87), distancia entre centros ≈165mm, Peso Propio≈200kg.
Motorreductor con freno (también conocido como ”reductor tipo polipasto” o ”reductor del motor integrado”) — integra Motor, reductor y Freno en una misma carcasa compacta. Se utiliza habitualmente en el carro de polipasto de los Polipasto Eléctrico ”trifásicos” y en los mecanismos de traslación de grúas de media y pequeña capacidad. Ventajas: montaje extremadamente sencillo (el Eje Hueco se acopla directamente sobre el Eje de Rueda, sin necesidad de Acoplamiento ni alineación de ejes), estructura muy compacta (elimina la base del Motor y el espacio del Acoplamiento) y alto grado de estandarización. Inconvenientes: rango de relación de transmisión limitado (normalmente i=5~80), capacidad de carga radial del Eje Hueco condicionada por la estructura de montaje (requiere que la Placa final del bastidor soporte la carga) y, para grandes capacidades (>50t), la madurez de esta solución es inferior a la combinación de eje paralelo + Acoplamiento Universal. Diseño para i=65.2: engranaje helicoidal de tres etapas + salida por Eje Hueco, dimensiones aproximadas 580×420×340mm, Peso Propio≈250kg.
Verificación de par y criterios de distribución de la relación de transmisión
Al seleccionar un reductor, la distribución de la relación de transmisión debe cumplir simultáneamente dos condiciones: la coincidencia de la velocidad de salida y la verificación del par de salida. Tomando como ejemplo (motor de 144 N·m, relación de transmisión 65,2, rendimiento del 93 %): el par de salida del reductor Tsalida = 144 × 65,2 × 0,93 = 8.727 N·m. Este par debe ser inferior al par de salida admisible indicado en el catálogo del reductor (normalmente designado como T2N, calculado con un coeficiente de servicio f = 1,25 según la clase de funcionamiento M5). Si un solo reductor no es suficiente, se puede optar por la solución de "motor doble + reductor doble" o "motor único + reductor doble + eje sincronizado"; en este caso, cada reductor solo debe soportar la mitad del par de salida total.
Principio de distribución entre etapas de la relación de transmisión: en reductores de transmisión multietapa (de eje paralelo o planetarios), la relación de transmisión de la primera etapa debe ser de 3 a 5 (para reducir la velocidad lineal del engranaje y disminuir el ruido), la de la última etapa de 3 a 6 (para garantizar una resistencia suficiente a la flexión en la raíz del diente), y las etapas intermedias pueden ampliarse ligeramente (de 4 a 8). La distribución se realiza según el "principio de igual resistencia": la tensión de contacto en la superficie del diente y la tensión de flexión en la raíz de cada etapa no deben superar el 85 % del valor admisible, evitando así el fallo prematuro de una etapa mientras otras desperdician capacidad de carga. Para reductores cicloidales de una sola etapa, si la relación de transmisión supera 43, es necesario recurrir a una estructura de dos etapas (dos unidades monoatapa en serie) para evitar que la deformación por flexión de los pasadores cicloidales supere el límite admisible.
La verificación de la carga radial en reductores de eje hueco es especialmente crítica: cuando el eje hueco del reductor se monta directamente sobre el eje de rueda, la fuerza radial generada por el peso propio de la rueda más la carga sobre la rueda es soportada íntegramente por el rodamiento del eje de salida del reductor. Ejemplo: en un puente grúa de 50 t, la carga máxima por rueda del carro puente es de aproximadamente 195 kN, y la fuerza radial sobre el eje de salida del reductor de eje hueco es Fr ≈ 195/2 = 97,5 kN (suponiendo que ambas ruedas laterales estén igualmente cargadas). El valor admisible indicado en el catálogo suele ser Fr,adm = 80~120 kN (dependiendo del diámetro del eje de salida y del modelo de rodamiento); en la selección, se debe garantizar que Fr ≤ 0,8 × Fr,adm (margen de seguridad adicional para prevenir cargas excéntricas debidas a una distribución desigual de la carga sobre las ruedas).
Lubricación y vida útil del reductor
El tipo de lubricación del reductor influye directamente en su vida útil. Los reductores de eje paralelo y los reductores cicloidales suelen utilizar lubricación por baño de aceite (los engranajes se sumergen en el baño aproximadamente 1~2 alturas de diente). Los reductores planetarios, debido a sus mayores velocidades de rotación, requieren lubricación por inyección forzada de aceite o lubricación por grasa. El grado de aceite lubricante recomendado es ISO VG220~VG460 (temperatura ambiente -10 °C ~ +40 °C). En entornos de alta temperatura (>+40 °C), se debe actualizar a VG680. Primer intervalo de cambio de aceite: obligatorio tras 200~300 horas de funcionamiento de rodaje; posteriormente, cada 2000 horas de funcionamiento o una vez al año.
Vida útil esperada del reductor: según la clase de funcionamiento M5 (servicio medio) y 8 horas diarias de operación, la vida útil de diseño de los reductores de engranajes de eje paralelo es de aproximadamente 20.000~30.000 horas (unos 10~15 años); los reductores planetarios, de 15.000~25.000 horas; los reductores cicloidales pueden alcanzar las 30.000~40.000 horas (gracias a la elevada vida a fatiga del contacto de rodadura entre el disco cicloidal y los pernos). En la práctica, la inspección periódica del nivel de aceite, la temperatura del aceite (no superior a 85 °C) y la detección de ruidos anómalos (mediante estetoscopio mecánico o sensor de vibración) son las medidas más eficaces para prolongar su vida útil.
Preguntas frecuentes sobre el reductor de la grúa
P: Para el mecanismo de traslación del puente de una grúa de 50 t, ¿es mejor elegir un reductor de eje paralelo o un motorreductor con freno?
R: Para el mecanismo de traslación del puente de una grúa de 50 t, se recomienda la solución de reductor de engranajes de eje paralelo + acoplamiento universal. Razones: ① A este nivel, la carga sobre la rueda es elevada (aprox. 195 kN por rueda), y la capacidad de carga radial del rodamiento del reductor de eje hueco tipo motorreductor con freno está cerca de su límite; ② El reductor de eje paralelo puede desmontarse y repararse de forma independiente sin afectar a la rueda ni al motor; ③ La solución de eje paralelo es adecuada para la disposición de "motor doble + reductor doble + ruedas independientes", permitiendo la sincronización eléctrica y el control de diferencial de velocidad entre ambos lados mediante variadores de frecuencia. Si el espacio de instalación es muy limitado y el presupuesto lo permite, se puede optar por un reductor planetario como alternativa: reduce el peso en un 60 %, pero el coste es de 2 a 3 veces superior.
P: ¿Cómo se determina el factor de servicio al verificar el par de salida del reductor? ¿Qué diferencias hay según la clase de funcionamiento?
R: El factor de servicio f (Service Factor) es el coeficiente de margen de seguridad entre el par nominal del reductor y el par real requerido. Según DIN 3990 y la norma ISO 4301 / FEM 1.001: para clase ligera M3~M4, f=1,00; para clase media M5, f=1,25; para clase pesada M6, f=1,50; para clase muy pesada M7~M8, f=1,75~2,00. La mayoría de los mecanismos de traslación corresponden a las clases M5~M6 (servicio medio a frecuente con arranques y paradas), por lo que el factor de servicio debe ser ≥ 1,25. Fórmula de verificación: T2N (par nominal admisible del reductor) ≥ f × Tsalida (par de salida real). Si el factor de servicio es insuficiente durante la selección, se debe optar por un reductor de mayor tamaño; no se debe "conformarse" con uno inferior, ya que un factor de servicio insuficiente es la causa más común de picaduras en los dientes y fractura de los engranajes.
P: ¿Es fiable el reductor cicloidal en mecanismos de traslación de grúas? ¿Qué limitaciones tiene?
R: El reductor cicloidal se utiliza ampliamente en mecanismos de elevación (como en el polipasto eléctrico CD1/MD1) y también tiene aplicaciones consolidadas en mecanismos de traslación. Su fiabilidad no es inferior a la de un reductor de engranajes de eje paralelo si se cumplen las siguientes condiciones: ① La relación de transmisión debe estar entre 11 y 87 (una sola etapa); si se supera, se requiere conexión en serie de dos etapas; ② El par de salida no debe exceder el 80 % del valor nominal del catálogo (dejando un margen del 20 % para hacer frente a cargas imprevistas como el atascamiento de ruedas); ③ Lubricación adecuada (en lubricación por baño de aceite, el nivel no debe ser inferior al límite inferior de la varilla); ④ Entorno limpio (la entrada de polvo en la holgura entre el disco cicloidal y los pernos acelera el desgaste de estos). No se recomienda su uso en mecanismos de traslación sometidos a cargas de impacto severas: la holgura entre el disco cicloidal y los pernos es muy pequeña (0,02~0,05 mm), y las cargas de impacto frecuentes pueden provocar la flexión o fractura de los pernos.
P: ¿Es obligatorio instalar un acoplamiento entre el eje de entrada del reductor y el eje de salida del motor? ¿Se pueden conectar directamente?
R: Entre el eje de salida del motor y el eje de entrada del reductor es obligatorio instalar un acoplamiento flexible (como un acoplamiento flexible con pernos o un acoplamiento de diafragma). Queda terminantemente prohibida la conexión rígida directa. Razones: ① Compensa las desviaciones de coaxialidad durante el ensamblaje (desviación radial admisible de 0,1~0,3 mm y desviación angular de 0,5°~1°); ② Absorbe los picos de par durante el arranque del motor, protegiendo los engranajes del reductor frente a cargas de impacto; ③ En caso de frenado de emergencia del freno (normalmente montado en la parte trasera del motor o en el extremo del eje de alta velocidad del reductor), el acoplamiento elástico amortigua los picos de par de frenado. En el motorreductor con freno, al estar el motor y el reductor ya alineados y ensamblados dentro de una misma carcasa, no se necesita acoplamiento interno; sin embargo, entre el eje hueco de salida del motorreductor y el eje de rueda se recomienda instalar un brazo de reacción para reducir la carga radial sobre el eje hueco.
Kelude Industrias Pesadas se especializa en el diseño y fabricación de grúas de alta gama bajo norma europea (EN). La gama de productos incluye puentes grúa biviga de estándar europeo de 50 t a 300 t, puentes grúa y grúas pórtico, cumpliendo estrictamente con la norma ISO 4301 / FEM 1.001, disposiciones fundamentales para el diseño de grúas, así como con el sistema de normas internacionales FEM/DIN. Ofrecemos asistencia técnica integral, desde el diseño de la solución y la selección del producto hasta la instalación y puesta en marcha.
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