Lubricantes sólidos para engranajes espaciales
El sector aeroespacial necesita mecanismos de transmisión de potencia que puedan funcionar a temperaturas de tan solo -173 grados Celsius. La relación señal-ruido de los sensores aumenta a medida que la temperatura disminuye. Estos entornos criogénicos pueden garantizar mediciones precisas como las necesarias para la espectroscopia en el infrarrojo lejano. En la actualidad, los engranajes Harmonic Drive® proporcionan una rigidez elevada y alta precisión incluso a velocidades muy bajas, pero su utilización es limitada debido a que requieren lubricación con aceite o grasa. Los investigadores del proyecto HARMLES (Dry lubricated Harmonic Drives for space applications), financiado por la Unión Europea, estudiaron la utilización de lubricantes sólidos con el fin de ampliar su utilización entre -170 grados Celsius y 300 grados Celsius. Debido a las bajas presiones y temperaturas presentes en el espacio, los lubricantes líquidos pueden verse afectados por la desgasificación y la evaporación. Estos fenómenos reducen la eficacia de la lubricación y provocan la deposición de productos de desgasificación sobre las superficies sensibles de los componentes ópticos. Para engranajes sometidos a grandes exigencias, los recubrimientos de láminas delgadas a base de disulfuro de molibdeno (MoS2) son una alternativa atractiva. Los investigadores de HARMLES desarrollaron un recubrimiento avanzado a base de MoS2. Se trata de un recubrimiento de composite que consta de una lámina intermedia de carburo de tungsteno más una capa superior lubricante de MoS2 reforzado. Para validar su comportamiento tribológico, se realizaron pruebas exhaustivas, incluidas pruebas de punzón sobre disco (pin-on-disc) y rozamiento, que se compararon con el rendimiento de distintos tipos de recubrimientos a base de carbono con estructura diamante, entre otros. HARMLES pretendía rediseñar los engranajes Harmonic Drive® sobre la base de los resultados de análisis mediante elementos finitos y simulaciones numéricas de la cinemática de los engranajes. Los posibles cambios en el diseño se elaboraron teniendo en cuenta las posibilidades de la lubricación en seco. HARMLES permitió aumentar la capacidad de resistencia de los engranajes en un factor veinte y las características de los prototipos estaban en línea con las necesidades del sector espacial. Se lograron vidas útiles de hasta 20 000 revoluciones de salida a 4 Nm en pruebas en vacío (algunas incluso sin fallo al finalizar la prueba, frente a valores de unos cuantos cientos de revoluciones al principio del proyecto). A diferencia de los HD lubricados con grasa, la evolución de la eficacia del engranaje durante la prueba de resistencia en vacío fue casi estable a lo largo de toda la prueba. HARMLES reforzará la competitividad del sector espacial europeo, que ya está interesado en sus logros. Después de varias publicaciones, ya han aumentado las consultas por parte de distintas empresas. En cualquier caso, se considera viable introducir más mejoras. Se espera que también surjan estudios derivados de las aplicaciones en alto vacío para el sector de los semiconductores y los entornos criogénicos en grandes instalaciones de ensayos como el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY).
Palabras clave
Lubricantes sólidos, engranaje Harmonic Drive®, transmisión de potencia, entorno criogénico, disulfuro de molibdeno, análisis mediante elementos finitos, tribología, fricción y desgaste