Introducción
Las ruedas dentadas, engranando entre sí, sustituyen a las ruedas de fricción, con la ventaja de mantener la relación de transmisión constante para cualquier potencia, siempre que los dientes sean suficientemente resistentes y estén construidas de forma debida (normas UNE).
Un engranaje es un mecanismo formado por dos ruedas dentadas que giran alrededor de unos ejes cuya posición relativa es fija. En todo engranaje son necesarias, al menos, dos ruedas dentadas; por tanto, no es correcto llamar engranaje a una sola rueda dentada. En un engranaje de dos ruedas, se llama rueda a la de mayor número de dientes y piñón a la de menor dientes.
Los engranajes son mecanismos que se utilizan para la transformación de velocidades tanto en magnitud como en dirección
En el modo de funcionamiento habitual de un engranaje, el piñón es el elemento que transmite el giro, desempeñando la función de rueda conductora mientras que la rueda realiza el movimiento inducida por el piñón haciendo ésta el papel de rueda conducida.
Fig.1 Corona y piñón Engranaje
A continuación se mostrara brevemente la clasificación de los engranajes Los engranajes en general pueden clasificarse según estros 3 tipos: •
Engranajes cilíndricos
•
Engranajes cónicos
•
Tornillo sin fin
Pero cada uno de estos, se pueden clasificar en otros más.
Engranajes cilíndricos
Se fabrican a partir de un disco cilíndrico cortado de una plancha o de un trozo de barra maciza redonda Este disco se lleva al proceso de fresado, en donde se retira material para formar los dientes. La fabricación de estos engranajes es más simple, por lo tanto reduce sus costos. Los engranajes cilíndricos se aplican en la transmisión entre ejes paralelos y que se cruzan.
Rectos exteriores o rectos . Es el engranaje más sencillo de fabricar y el más antiguo,
generalmente, para velocidades medias. A grandes velocidades si no son rectificados, producen ruido más o menos importante según la velocidad y la corrección de su tallado. Es el engranaje donde la sección de corte se mantiene constante con respecto al eje axial. En estos tiempos se utilizan poco, ya que generan mucho ruido. Se encuentran en las prensas de caña de azúcar, y prensas mecánicas.
Interiores. Pueden ser con dentado recto, helicoidal o doble-helicoidal. Engranajes de
gran aplicación en los llamados “trenes epicicloidales o planetarios”.
A continuación se mostrara brevemente la clasificación de los engranajes Los engranajes en general pueden clasificarse según estros 3 tipos: •
Engranajes cilíndricos
•
Engranajes cónicos
•
Tornillo sin fin
Pero cada uno de estos, se pueden clasificar en otros más.
Engranajes cilíndricos
Se fabrican a partir de un disco cilíndrico cortado de una plancha o de un trozo de barra maciza redonda Este disco se lleva al proceso de fresado, en donde se retira material para formar los dientes. La fabricación de estos engranajes es más simple, por lo tanto reduce sus costos. Los engranajes cilíndricos se aplican en la transmisión entre ejes paralelos y que se cruzan.
Rectos exteriores o rectos . Es el engranaje más sencillo de fabricar y el más antiguo,
generalmente, para velocidades medias. A grandes velocidades si no son rectificados, producen ruido más o menos importante según la velocidad y la corrección de su tallado. Es el engranaje donde la sección de corte se mantiene constante con respecto al eje axial. En estos tiempos se utilizan poco, ya que generan mucho ruido. Se encuentran en las prensas de caña de azúcar, y prensas mecánicas.
Interiores. Pueden ser con dentado recto, helicoidal o doble-helicoidal. Engranajes de
gran aplicación en los llamados “trenes epicicloidales o planetarios”.
Helicoidales: Más silenciosos que los rectos. Se emplean siempre que se trata de
velocidades elevadas. Necesitan cojinetes de empuje para contrarrestar la presión axial que originan. Son aquellos en donde se forma un ángulo entre el recorrido del diente y el eje axial, con el fin de asegurar una entrada progresiva del contacto entre diente y diente. Estos engranajes se utilizan generalmente en las cajas reductoras, caja de velocidades de automóviles.
Doble-helicoidales : Para las mismas aplicaciones que los helicoidales, con la ventaja
sobre éstos de no producir empuje axial, debido a la inclinación doble en sentido contrario de sus dientes. Se les denomina también por el galicismo “á chevron”, que debe evitarse. Cumplen la función de dos engranajes helicoidales. Poseen las ventajas de los cilíndricos helicoidales, o sea bajo ruido y alta resistencia. Al igual que los engranajes helicoidales se utilizan en las cajas de reducción donde se requiere bajo ruido. Ejemplo: reductores de plantas de procesamiento de cemento.
Helicoidales para ejes cruzados: Pueden transmitir rotaciones de ejes a cualquier
ángulo, generalmente a 90°, para los cuales se emplean con ventaja los de tornillo-sinfin, ya que los helicoidales tienen una capacidad de resistencia muy limitada y su aplicación se ciñe casi exclusivamente a transmisiones muy ligeras (reguladores, etc.).
Cremallera: Rueda cilíndrica de diámetro infinito con dentado recto o helicoidal.
Generalmente de sección rectangular.
Fig.2 Engranaje cilíndrico recto.
ENGRANAJES CONICOS:
Se fabrican a partir de un trozo de cono, formando los dientes por fresado de su superficie exterior. Los dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan. Los engranajes cónicos tienen sus dientes cortados sobre la superficie de un tronco de cono Cónico-rectos: Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un
mismo plano, generalmente en ángulo recto, por medio de superficies cónicas dentadas. Los dientes convergen en el punto de intersección de los ejes. Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°. Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas en forma de reparación. En la actualidad se usan escasamente.
Cónico-helicoidales: Engranajes cónicos con dientes no rectos. Al igual que el
anterior se utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90°. La diferencia con el cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un funcionamiento relativamente silencioso. Se utilizan en las transmisiones posteriores de camiones y automóviles de la actualidad.
Cónico-espirales: En los cónico-espirales, la curva del diente en la rueda-plana,
depende del procedimiento o máquina de dentar, aplicándose en los casos de velocidades elevadas para evitar el ruido que producirían los cónico-rectos.
Cónico-hipoides: Para ejes que se cruzan, generalmente en ángulo recto, empleados
principalmente en el puente trasero del automóvil y cuya situación de ejes permite la colocación de cojinetes en ambos lados del piñón. Parecidos a los cónicos helicoidales, se diferencian en que el piñón de ataque esta descentrado con respecto al eje de la corona. Esto permite que los engranajes sean más resistentes. Este efecto ayuda a reducir el ruido del funcionamiento. Se utilizan en máquinas industriales y embarcaciones, donde es necesario que los ejes no estén al mismo nivel por cuestiones de espacio.
Fig.3 Engranaje cónico helicoidal.
TORNILLO SIN FIN
Tornillo sin fin : Generalmente cilíndricos. Pueden considerarse derivados de los
helicoidales para ejes cruzados, siendo el tornillo una rueda helicoidal de un solo diente (tornillo de un filete) o de varios (dos o más). La rueda puede ser helicoidal simple o especial para tornillo sin fin, en la que la superficie exterior y la de fondo del diente son concéntricas con las cilíndricas del tornillo. Generalmente, el ángulo de ejes es de 90º. Permiten la transmisión de potencia sobre ejes perpendiculares. Es un caso extremo de engranajes hipoidales, ya que esta descentrado al máximo. Se aplica para abrir puertas automáticas de casas y edificios Poseen además un bajo costo y son autobloqueantes. Es decir que es imposible mover el eje de entrada a través del eje de salida El piñón se convierte en tornillo sin fin y la rueda se denominca corona. El número de dientes del piñón es igual al número de dientes de entradas o hilos del tornillo. El tornillo sin fin generalemente desempeña el papel de la rueda conducida.Se distinguen tres tipos:
Tornillo sin fin y corona cilindricos : la rueda conducida es igual a la de los
engranajes cilíndricos usuales, el contacto es puntual y por lo tanto el desgaste de ambos es rápido. Se utiliza en la transmisión de pequeños esfuerzos y a velocidades reducidas. Tornillo sin fin y corona de dientes cóncavos : El tornillo mantiene su forma
cilíndrica, con sus filetes helicoidales. La rueda está tallada de forma que sus dientes están curvados, con el centro de curvatura situado sobre el eje del tornillo sin fin. El contacto entre lso dientes es lineal, lo que hace que se transmita mejor el esfuerzo y por tanto se produce menos desgaste. Se utiliza en mecanismos de reducción. Tornillo sin fin y corona globoidal : El tornillos se adapta a la forma de la rueda, es
poco frecuente, debido a su alto coste de fabricación. Se utiliza en las cajas de dirección de los automóviles.
Fig.4 Tornillo sin fin corona
Ya vista una clasificación de los engranajes es esencialmente importante en este trabajo conocer las partes de un engranaje, para saber donde se producen las fallas.
Nomenclatura de engranajes:
Fig.5 Nomenclatura de engranaje
Fig.6 Nomenclatura engranaje (Ingles)
Definiciones: •
•
•
Diente de un engranaje : son los que realizan el esfuerzode empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo. Modulo: el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. En los países anglosajones se emplea otra característica llamada Diametral Pitch, que es inversamente proporcional al módulo. El valor del módulo se fija mediante cálculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en función de la relación de transmisión que se establezca. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo. Circunferencia primitiva : es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las
características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes. •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Paso circular : es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos. Espesor del diente : es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo. Número de dientes: es el número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relación de transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25º.Diámetro exterior: es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje. Diámetro interior : es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente. Pie del diente : también se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva. Cabeza del diente : también se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo. Flanco: es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento. Altura del diente: es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura del pie (dedendum). Angulo de presión: el que forma la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso, φ (20º ó 25º son los ángulos normalizados). Largo del diente: es la longitud que tiene el diente del engranaje Distancia entre centro de dos engranajes : es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de los engranajes. Relación de transmisión : es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad
Ahora que ya conocemos los distintos tipos de engranajes y sus partes, podemos empezar a hablar de cómo , cuando y en que condiciones fallaran estos engranajes.
En este trabajo se describirán las distintas formas de falla en los dientes de los engranajes y los métodos que existen para su prevención. Los modos de falla en los dientes de los engranajes están definidos y sus mecanismos están descritos, así los investigadores fácilmente pueden diagnosticar fallas y dar una solución a ellas. En la práctica, la nomenclatura usada debe ser consistente, para que los ingenieros y operadores logren una mejor comunicación con los analistas de fallas.
La información se aplica tanto a los engranajes de dientes rectos como a los de dientes helicoidales. Salvo algunas excepciones, también es aplicable a engranajes cónicos, tornillos sin fin y engranajes hipoidales.
Es importante reconocer que muchas de las fallas en engranajes están influenciados por el sistema de engranajes tales como, cargas muy grandes producidas por vibraciones, deformación térmica o deformación mecánica. Por eso, cuando se investigan las fallas en los engranajes, es necesario considerar que la falla podría venir del sistema de engranajes que de un engranaje en sí.
En algunos casos, la investigación de las fallas en engranajes requiere el análisis de un especialistas en, por ejemplo, dinámica, ciencia de materiales, corrosión o tribología.
El diseño de engranajes es a la vez un arte y una ciencia. Para diseñar engranajes satisfactoriamente los ingenieros necesitan buenas herramientas analíticas, como también necesitan de la práctica y la experiencia.
Las fallas en engranajes deben ser analizadas para: Identificar al modo de falla, definir el mecanismo de falla y determinar la causa de la falla. Solo por un análisis metódico de análisis de falla se puede controlar o prevenir la falla en los engranajes.
El análisis de falla en los engranajes es frecuentemente subjetivo. Por ejemplo, un observador que está analizando un diente de engranaje que tiene brillo y terminado de pulido espejo podría decir que los engranajes tienen una rodadura correcta, sin embargo otro observador podría creer han fallado por desgaste por polishing
( desgaste por polishing o pulido es un modo de falla que se explicara más adelante en este trabajo).
Así solo el criterio de la persona, o la apreciación que se le dé a lo observado, determina si el engranaje fallo o no, como se dijo antes esto es bastante subjetivo.
Se puede considerar que un engranaje falla, si el desgaste que tiene produce un ruido excesivo o vibraciones excesivas, sin embargo la palabra excesivo continua siendo algo subjetivo, y algunas medidas cuantitativas de sonido o vibración son necesarias para determinar el tipo de falla.
Otras fallas son más obvias (por ejemplo cuando ocurre una severa fractura en el diente del engranaje y la transmisión de potencia cesa). En estos casos la mayoría de los observadores estarían de acuerdo con que el engranaje fallo, pero aun así podrían estar en desacuerdo con el modo de falla.
Para encontrar la verdadera causa de la falla uno debe saber la diferencia entre modos de falla primarios y modos de falla secundarios. La fatiga por flexión es frecuentemente el último modo de falla de un engranaje.
Se considera un modo de falla secundario el que es consecuencia de algún otro modo de falla, por ejemplo scuffing.
Como múltiples modos de falla pueden ocurrir al mismo tiempo, los modos de falla primarios deben ser detectados en sus etapas iniciales, monitoreando el engranaje con un sistema de medición de temperatura, sonido, vibraciones, analizar si el lubricante está contaminado, una inspección visual de los dientes del engranaje. Estas acciones revelaran el modo de falla primario antes de que se inicie el daño secundario.
Los modos de falla varían en importancia, por ejemplo la fatiga de contacto hertziano es a menudo menos seria que la fatiga por flexión, la cual es frecuentemente catastrófica. Esto es porque la fatiga de contacto hertziana es usualmente progresiva y
progresa relativamente lenta, partiendo con unas pequeñas picaduras que se incrementan en tamaño y en número. A medida que los dientes se deterioran, los engranajes podrían generar ruidos, o el desgaste dejar caer algunas partículas que advierten la falla, por esto es que se debe revisar el lubricante como se menciona en el párrafo anterior.
En comparación a la fatiga de contacto, la fatiga por flexión podría progresar rápidamente creando una grieta y romper el diente casi sin advertencia.
Las causas de las fallas en engranajes se clasifican en las siguientes cinco categorías. •
• • • •
Diseño inadecuado (Selección de: Geometría, Material, tratamiento térmico, método de fabricación y lubricación. Manufactura inadecuada (Proceso, Ensamble, Ensayos). Instalación inadecuada (Montaje, Alineamiento, Acoples). Medio ambiente dañino (Físico, Químico, Eléctrico). Operación inadecuada (Ensayos, Puesta en marcha, Operación, Mantenimiento)
Los tipos y modos de falla son clasificados de muchas maneras y cada norma podría clasificarlos según su parecer,. En este trabajo, por convención, nos guiaremos por la clasificación A.G.M.A (American Gears Manufactures Association). La AGMA los clasifica de esta manera:
Tabla 1 – Nomenclatura de falla en dientes de engranajes. Clase
Modo General
Sobrecarga
Fractura Dúctil Fractura Frágil Fractura Mixta Deformación Plástica
Fatiga por flexión
Fatiga por contacto de Hertz
Bajo número de Ciclos Alto número de Ciclos
Macropitting
Modo Específico
Flujo Caliente Flujo Frío Indentación Rolling Rippling Ridging Interferencia Tip-To- Root Grieta en el entalle (root fillet) Grieta en el flanco Grieta en el final del diente No progresivo Progresivo Spall ( descascarado) Flake
Micropitting Fatiga en la subcapa Desgaste
Gripado (Scuffing)
Adhesión Abrasión Corrision Corrosión por Contacto(Fretting) Polishing (Pulido) Descarga Eléctrica Cavitación Erosión
Suave, Moderada. Suave, Moderada, Severa.
Scuffing
Suave, Moderado, Severo.
Suave, Moderado, Severo.
Fisuras
Fisuras por temple Fisuras por rectificado Fisuras en el alma Separación de capa/núcleo
Clases y modos de falla en engranajes Clase: Sobre Carga ( Overload)
Cuando el diente de un engranaje está sobrecargado, porque está diseñado por debajo del diseño adecuado o la carga local es muy alta, puede ser que falle por deformación plástica o fractura. Si se fractura, la falla puede ser una fractura dúctil precedida por una deformación plástica apreciable, una fractura frágil con una deformación plástica previa o un modo mixto de fractura con ambas características, dúctiles y frágiles.
Las fallas por fatiga generalmente terminan en fractura cuando las grietas crecen a un tamaño donde la sección de diente que queda ya no puede soportar la carga.
Las fracturas de los dientes de los engranajes sin agrietamiento previo por fatiga son poco frecuentes pero pueden ser resultado de cargas de impacto. El equipo conductor o el conducido pueden causar cargas de impacto. También puede ocurrir cuando objetos de tamaño considerable se interponen en el contacto de los dientes o cuando los dientes del engranaje bruscamente pierden su alineación y se aprietan después de una desorientación o falla del eje.
Tabla 2 – Características de la Fractura
Característica de la Superficie de Fractura Reflexión de la Luz
Fractura Frágil
Fractura Dúctil
Brillante Encendido
Gris Oscuro Apagado Sedosa Lisa Suave Grasosa Inclinada o plana Angular o cuadrada (Copa y Cono) 45°
Textura
Cristalina Granular Áspero
Orientación
Plana Cuadrada Crestas o líneas radiales Marcas de Chevron Insignificante
Patrón Deformación Plástica
Importante
Modo: Fractura Frágil (brittle fracture)
La fractura frágil se caracteriza por una rápida propagación de la grieta sin una deformación plástica apreciable. La fractura frágil tienen un brillo, apariencia granular. La superficie de la fractura es generalmente plana y perpendicular a la dirección de máximo esfuerzo de tracción.
Marcas de Chevron ( curvas irregulares que determinan por donde se propago la grita) y crestas o líneas radiales podrían estar presente en la superficie de la fractura apuntando hacia el origen de la grieta.
A nivel microscópico la mayoría de las fracturas frágiles son transgranulares o sea que se propagan a través de los granos. Pero si los límites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague intergranularmente. Tres factores primarios determinan la susceptibilidad de los dientes de engranajes a la fractura frágil. 1) Tenacidad del material 2) Imperfecciones del material 3) Nivel de esfuerzo de tracción La fractura frágil ocurre cuando la combinación de esfuerzo de tracción y el tamaño de la imperfección provocan un esfuerzo crítico intenso, para una particular tenacidad del material
La tenacidad del material depende de muchos factores, especialmente la temperatura, variaciones de carga, etc. Muchos aceros estructurales y aceros de baja aleación tienen una temperatura de transición donde el modo de fractura cambia de dúctil a frágil a medida que la temperatura disminuye. Las variaciones de carga influyen en la temperatura de transición.
El ensayo de Charpy demuestra la transición dúctil a frágil.
Muchos materiales como por el ejemplo el aluminio y el titanio no presentan una temperatura de transición.
La temperatura de transición es de vital importancia para aceros de baja y media tenacidad, y los engranajes hechos con estos aceros no deberían ser operados a temperaturas por debajo de la temperatura de transición.
La flexibilidad del sistema conductor, ejes y acoplamientos ayuda a amortiguar las cargas de impacto y reduce la carga cuando estas ocurren. Si un sistema conductor de baja flexibilidad debe ser usado en aplicaciones donde se esperan cargas de impacto, los engranajes deberán ser tan grandes como sea suficiente para absorber las sobrecargas con niveles de esfuerzo razonables.
Los entalles crean concentraciones de esfuerzo que aumentan el esfuerzo localmente por delante del entalle. El material adyacente, a esfuerzos menores, restringe y limita la deformación plástica.
La tenacidad del material depende de su composición, tratamiento térmico y conformado mecánico. Muchos elementos aleantes incrementan la templabilidad del acero, pero disminuyen la tenacidad. El Níquel y el Molibdeno son excepciones, que incrementan la templabilidad y además mejoran la tenacidad. Diesburg y Smith ensayaron la resistencia a la fractura por impacto de los aceros al carbono y encontraron lo siguiente:
•
•
•
Los aceros de alta templabilidad tienen mayor resistencia a la fractura que los aceros de baja templabilidad. Un alto contenido de Níquel no garantiza una buena resistencia a la fractura, pero la combinación Níquel y Molibdeno en la forma adecuada proporciona una alta resistencia a la fractura. Alto contenido de Cromo y alto contenido de Manganeso dan una baja resistencia a la fractura.
La tenacidad puede ser maximizada manteniendo el los contenidos de Carbono, Fósforo y Azufre tan bajo como sea posible.
La micoestructura del acero depende de su microestructura inicial, templabilidad y tratamiento térmico. La martensita templada brinda la más alta tenacidad. Las microestructuras compuestas de Ferrita, Perlita o Bainita tienen menor tenacidad a la fractura. Para máxima tenacidad el acero debe tener suficiente templabilidad por lo que su microestructura consiste principalmente de martensita templada.
Muchas propiedades de los materiales mejoran cuando el tamaño del grano es uniforme y fino, especialmente la tenacidad, el acero de grano fino incrementa la tenacidad y disminuye la temperatura de transición. Los aceros que contienen Níquel y Molibdeno resisten el crecimiento del grano durante la austenización que los aceros al carbono. El Aluminio, Vanadio o el Columbio se agregan al acero para producir un tamaño de grano fino.
La fractura frágil se inicia en las imperfecciones ya que causan concentradores de esfuerzos. Las imperfecciones pueden ser una entalla, grieta, inclusión superficial o sub-superficial, porosidad, etc. El tamaño de la imperfección puede ser pequeño inicialmente, pero puede producir una grieta por fatiga que puede crecer hasta un tamaño crítico que haga que la grieta se propague rapidamente en una fractura frágil. El tamaño crítico del defecto no es constante, pero depende de su geometría, forma y orientación. La parte inferior del diente de los engranajes ( Root fillet) son especialmente vulnerables a la fractura frágil porque los esfuerzos de flexión en el diente son máximos ahí. Se debe hacer engranajes de materiales limpios e inspeccionados con partículas magnéticas (ensayo no destructivo) que aseguren que el “root fillet” esté libre de defectos.
El diseño de la geometría de los dientes debe buscar que el esfuerzo de flexión en los “root fillets” sean más pequeños, para esto se debe considerar que la concentración de esfuerzos en esa parte sea la mínima.
Métodos de prevención a la fractura frágil (brittle fracture) •
Usar materiales limpios
•
Usar materiales y tratamientos térmicos que den alta tenacidad
•
No usar engranajes hechos de acero de baja y media resistencia por debajo de la temperatura de transición (temperatura de transición, es aquella en la cual el material cambia su capacidad de deformación (dúctil a frágil).)
•
Reducir los rangos de carga usando ejes y acoples deformables
•
Proteger engranaje de las cargas de impacto
•
•
•
•
•
•
Usar aceros con alto nivel de níquel, el níquel y el molibdeno en una correcta proporción maximiza la tenacidad de engranajes al carbón. No usar aceros con altos contenidos de cromo y manganeso. Mantener el contenido carbono, fosforo y azufre lo más bajo posible ( ya que son consideradas impurezas) Usar aceros con suficiente templabilidad para obtener una micro estructura principalmente de martensita templada Usar aceros de grano fino. Aceros con níquel y molibdeno disminuyen el engrosamiento durante la austenizacion. Eliminar los defectos e imperfecciones especialmente en los “root fillets” de los dientes del engranaje. Usar una inspección de partículas magnéticas para detector imperfecciones o defectos. Reducir esfuerzos de flexión optimizando la geometría del diente. Usar endurecimiento de superficie, shoot peening* o ambos para obtener esfuerzos residuales de compresión.
*El shot peening es un tratamiento de superficie que se aplica a temperatura ambiente por bombardeo de la superficie con bolas pequeñas. Cada bola que impacta el material actúa como un pequeño martillo produciendo una huella muy pequeñita en la superficie. La huella se crea con un fenómeno de alargamiento en tensión. Debajo de la superficie, el material intenta restaurar la capa deformada a su estado original, lo que crea una tensión residual de compresión de fuerte amplitud.
Modo: Fractura Ductil ( Ductile Fracture)
Las fracturas dúctiles se caracterizan por el desgarro del metal acompañado de una apreciable deformación plástica. Las fracturas dúctiles tienen una apariencia gris y fibrosa. La superficie de fractura.
Microscópicamente está caracterizada por numerosos hoyuelos que se forman por nucleación y crecimiento de micro-ovoides.
Las fallas en los dientes de los engranajes que ocurren únicamente por fractura dúctil son relativamente poco frecuentes porque la mayoría de las fracturas ocurren como consecuencia de anomalías pre-existentes que tienden a fomentar el comportamiento frágil. Los factores que fomentan el comportamiento dúctil son:
• •
Alta tenacidad. Altas temperaturas.
• • • •
Bajo rango de cargas. Imperfecciones poco significantes. Bajos esfuerzos de tracción. Altos esfuerzos de corte.
Bajo estas condiciones los dientes del engranaje fluyen cuando los esfuerzos de flexión superan el esfuerzo de fluencia del material.
Modo: Fractura Mixta ( mixed-mode fracure)
La superficie del area de fractura puede exhibir características dúctiles y frágiles a la vez. Bajo estas condiciones. Bajo estas condiciones la fractura es llamada de ModoMixto. Esto no debe confundirse con una superficie de fractura que tiene areas separadas de agrietamiento sucesivo debido a la propagación por diferentes mecanismos.
Modo: Deformación Plástica ( Plastic Deformation)
La deformación plástica permanente ocurre cuando el esfuerzo excede el esfuerzo de fluencia. Esto puede ocurrir en la superficie o sub-superficie de los flancos activos de los dientes del engranaje que están sometidos a altos esfuerzos de contacto o en la raíz del entalle que está sometido a altos esfuerzos de flexión.
Modo especifico: Flujo Frio (Cold Flow)
El flujo frio es deformación plástica que ocurre a temperatura más baja que la temperatura de re cristalización.
Modo especifico: Flujo Caliente (Hot Flow)
El flujo frio es deformación plástica que ocurre a temperatura más alta que la temperatura de re cristalización.
Modo especifico: Indentación ( Indentation)
Los dientes del engranaje se pueden dañar debido a la indentación provocada por materiales ajenos que quedan atrapados entre los dientes. Dependiendo del número y del tamaño de las indentaciones, el daño puede o no iniciar una falla. Si una deformación plástica asociada a la indentación causa grandes áreas en la superficie del diente, esto puede crear concentradores de esfuerzos que podrían provocar una fatiga de contacto.
Modo específico: Contacto rodante (Rolling)
La deformación plástica en el flanco activo del engranaje puede ocurrir por altos esfuerzos de contacto combinado con contacto rodante y deslizante. Los desplazamientos de la superficie del material pueden formar ranuras en la línea de paso y rebabas en la punta y raíz de los dientes del engranaje impulsor. El material de la superficie del engranaje impulsado puede desplasarze hacia la linea de paso formando una cresta.
Modo específico: Ondeado (Rippling)
El rippling es la deformación periódica en forma de ondas de las superficies activas de los dientes de los engranajes. Las ondas se producen en la dirección perpendicular del deslizamiento. Las ondulaciones ocurren bajo condiciones de altos esfuerzos de contacto y condiciones de borde lubricadas.
Modo especifico: Surcado (Ridging)
El ridging son crestas y ranuras pronunciadas en los flancos activos del diente del engranaje. Generalmente ocurre a bajas velocidades en tornillos sin fin y engranajes hipoides. La investigación en este modo de falla es limitada. Las observaciones, sin embargo, muestran que el Ridging puede partir con raspaduras (scuffing).
Modo especifico: Fluencia en la raiz de la entalla
Los dientes de los engranajes pueden quedar permanentemente flectados si el esfuerzo de flexión en la raíz de la entalla excede el esfuerzo de fluencia del material. La deflexión al inicio de la fluencia es pequeña y hay un margen de seguridad antes de que la fluencia provoque errores significantes en el espaciamiento de los dientes del engranaje. Si los dientes del engranaje son lo suficientemente ductiles, el inicio de fluencia en la raiz de la entalla re-distribulle los esfuerzos y disminuye la concentración de esfuerzos. Sin embargo si la fluencia causa un significante error de espaciamiento entre los dientes sometidos a carga estos quedan permanentemente flectados y mientras que los demás no, subsecuentemente esto resulta entre la interferencia destructiva entre el par de dientes en contacto.
Modo especifico: Interferencia punta a raíz (Tip-to-root interference )
La interferencia tip-to-root causa deformación plástica, adhesión, y abrasión en las puntas de un engranaje y en las raices de su respectivo par. La interferencia puede ser causada por errores geométricos en el perfil del diente del engranaje, errores de espaciamiento o distancia insuficiente al centro.
Clase: Fatiga por Flexión
La fatiga es una falla progresiva que consiste de tres etapas
1) Inicio de Grieta Ocurre deformación plástica en los concentradores de esfuerzo, que conduce a grietas microscópicas. 2) Propagación de la Grieta La grieta crece perpendicular al esfuerzo de tracción máximo. 3) Fractura Cuando la grieta crece lo suficiente se provoca súbitamente la fractura.
La mayor parte de la vida a la fatiga es ocupada por las etapas 1 y 2 hasta que la grieta crece a un tamaño crítico que produce la fractura en la etapa 3. La fractura puede ser
dúctil, frágil o de modo mixto dependiendo de la tenacidad del material y la magnitud de los esfuerzos aplicados.
Durante la etapa 1 el esfuerzo de flexión máximo es menor que el esfuerzo de fluencia del material y no debería ocurrir fluencia en los dientes de los engranajes. Sin embargo, puede ocurrir una deformación plástica local en zonas de concentradores de esfuerzo o áreas con discontinuidades, tales como, imperfecciones en la superficie, bordes de grano o inclusiones.
En la etapa 2 ocurre la propagación cuando la grieta comienza a crecer a traves de los bordes de grano en una dirección aproximadamente perpendicular al esfuerzo máximo de tracción. Durante la etapa de propagación, la deformación plástica está confinada en una pequeña zona al borde de le grieta. Consiguientemente, las superficies de grietas por fatiga usualmente parecen suaves sin señales de deformación plástica.
Bajo la observación en microscopio, pueden verse ondas sobre la superficie de la grieta por fatiga llamadas estrías de fatiga. Las estrías de fatiga son asociadas a la apertura y cierre de la punta de la grieta en forma alternada y corresponden al avance de la grieta durante cada ciclo. La orientación de las estrías es en 90 grados al avance de la grieta.
Si la grieta se propaga intermitentemente puede dejar series de “marcas de playa” que pueden verse a simple vista. Estas marcas corresponden a la posición de adelante de la grieta, donde la grieta se detuvo porque los esfuerzos disminuyeron. Las marcas de playa sirven de ayuda al análisis de falla para localizar el origen de la grieta de fatiga. El origen de la grita usualmente está rodeado por marcas de playa curvas concéntricas. Las marcas de playa podrían no presentarse, especialmente si la grieta a la fatiga crece sin interrupción bajo cargas cíclicas que no varían en magnitud. Las marcas de playa son un fuerte indicador de que la falla se produjo debido a la fatiga, pero no son una prueba absoluta, porque existen otros modos de falla que en ocasiones dejan marcas de playa. (Por ejemplo, corrosión bajo un medio ambiente cambiante).
Modo : Fatiga de bajo ciclo ( Low cycle fatigue)
La fatiga de bajo ciclo ocurre cuando la deformación plástica sucede en todos los ciclos y el número de ciclos es menor que 10,000 para la falla. Esta es una falla poco común para los dientes de los engranajes, excepto en las ocaciones cuando el diente esta sobrecargado porque está diseñado por debajo de lo que debería estar, des alineamiento severo o que la carga es inesperadamente alta.
Las grietas pueden iniciarse desde dentro del diente del engranaje, como también puede hacerlo en la superficie.
Maximizando la ductilidad y la tenacidad se puede extender la vida a la fatiga de bajo ciclo. Se recomienda los siguientes métodos para incrementar la tenacidad de los engranajes de acero al carbono.
• •
•
Usar aceros que contengan Níquel como mayor elemento aleante (más de 1%). Templar para producir de un 15% a 30% la austenita retenida en la microestructura de la superficie del diente. Reducir la dureza de la superficie del diente desde 58 HRC o mayor, a 55 HRC o más baja mediante Revenido. (Evitar las temperaturas de Revenido de 250° a 400°C, para no fragilizar el núcleo).
Tener cuidado al diseñar para fatiga de bajos ciclos porque muchas de las recomendaciones que mejoran la vida a la fatiga de bajos ciclos, disminuyen la vida a la fatiga de altos ciclos. Es mejor evitar la fatiga de bajo ciclo, evitando la concentración de esfuerzos
Modo : Fatiga de alto ciclo ( High cycle fatigue)
La fatiga a alto de ciclo ocurre cuando el esfuerzo cíclico es menor que el esfuerzo de fluencia del material y el número de ciclos cuando ocurre la fatiga es mucho mayor que
10,000. La mayoría de dientes de engranajes falla por fatiga de ciclo en lugar de fatiga de ciclo. Una gran fracción de la vida a la fatiga se gasta al inicio de la grieta más que en su propagación.
Modo especifico: Grietas en el entalle ( root fillet cracks)
A pesar de que la fatiga por flexión puede ocurrir en cualquier lado, la mayoría de las veces ocurre en el entalle, particularmente en la zona sometida a tracción. La geometría del entalle puede provocar concentradores de esfuerzos muy significantes, que combinados con un alto momento flector, resulta en altos esfuerzos de flexión.
Modo especifico: Grietas en los flancos ( flank cracks)
Las grietas por fatiga pueden ocurrir en los flancos activos de los dientes si existen concentradores de esfuerzos causados por macropits, imperfecciones del material o grietas pre-existentes de templado o rectificado
Si el origen es en la superficie de flanco en un área con macropitting, micropitting, corrosión o corrosión por fretting, la grieta puede ser una una falla secundaria que se inicia por una de los anteriores modos de falla primarios. Si el origen es bajo la superficie, cerca del borde del núcleo y la superficie, y hay varias grietas paralelas en el flanco, la grieta en el perfil puede ser una grieta secundaria formada por un modo de falla primario o por fatiga sub-superficial.
En contraste, si no advierte ningún otro modo de falla cerca del origen, la grieta en el perfil puede ser una falla primaria que puede haberse iniciado por una imperfección superficial o sub-superficial, como una inclusión, grieta por temple, grieta por rectificado, GRINDING TEMPER O INCOMPLETE HARDENING PATTERN.
Modo especifico: Grietas en la punta del diente (Topland teeth cracks)
Las grietas por fatiga pueden suceder en la punta de los dientes de los engranajes si la carga se concentra ahí. Los concentradores de esfuerzos o imperfecciones del material en la punta de los dientes pueden ser los responsables de estas grietas.
Maximizando la resistencia a la fatiga del material y optimizando la microestructura cerca de la superficie de los dientes del engranaje podemos extender la vida a la fatiga de bajo ciclo. Se recomienda los siguientes métodos para incrementar la vida a la fatiga de alto ciclo por flexión en engranajes al carbono.
•
• •
•
Eliminar la Bainita y Perlita de las mallas de carbono de la microestructura de la superficie. Eliminar las microgrietas especialmente cerca de las superficies de las entallas. Asegurar un máximo esfuerzo residual de compresión en la superficie usando aceros con contenido en carbono lo más bajo posible. Eliminar los defectos en las superficies del entalle.
Hay muchas variables geométricas (por ejemplo, diámetro, ancho del diente, número de dientes y ángulo de presión), que pueden ser optimizadas para disminuir los esfuerzos de flexión e incrementar la vida a la fatiga por flexión.
Los procesos de endurecimiento superficial por carburación o nitruración son especialmente beneficiosos ya que inducen esfuerzos residuales de compresión que reducen los esfuerzos de tracción cuando ocurre la flexión. Además de esto, se puede usar el proceso de “shot peening” para obtener esfuerzos residuales de compresión. Para aceros carburizados existen valores óptimos para la dureza superficial, profundidad de la superficie y dureza del núcleo , que proporcionan un balance adecuado a los esfuerzos residuales y esfuerzo de fatiga que maximizan la resistencia a la fatiga por flexión.
Es especialmente importante usar acero “limpio” para la superficie endurecida de los engranajes ya que de existir inclusiones estas podrían iniciar grietas de fatiga, especialmente si ocurren cerca del borde superficie-núcleo en áreas de esfuerzos residuales de tracción.
Métodos de prevención a la fatiga de bajo ciclo ( low cycle fatigue)
•
•
•
•
•
•
Usar endurecimiento de la superficie, “shot peening”, o ambos para obtener esfuerzos residuales de compresión. Especificar los valores óptimos de dureza superficial,profundidad de la superficie y dureza del núcleo para maximizar la resistencia a la fatiga por flexión. Usar acero de grano fino. El Níquel y el Molibdeno ayudan al acero a resistir el engrosamiento del grano durante la austenización. Usar aceros con templabilidad suficiente para obtener una microestructura de martensita principalmente templado en los entalles del diente. Fevitar la fragilización utilizando un acero en el que la dureza deseada será lograrada sin temple en el rango de 250 a 400°C. Para engranajes al carbono, garantizar que la microestructura de la superficie está libre de perlita, bainita y microgrietas. Asegurar que las superficies de las entallas esten libres de imperfecciones, grietas, inclusiones no metálicas, corrosión, oxidación intergranular u otros defectos. Reducir los esfuerzos de flexión reduciendo las cargas u optimizando la geometría del engranaje, especialmente la forma del entalle.
Clase: Fatiga por contacto de Hertz ( Hertzian Fatigue)
La fatiga Hertziana es provocada por esfuerzos de contacto repetitivos que producen grietas en la superficie o la sub-superficie y desprendimiento de fragmentos del material de la superficie del engranaje.
Modo: Macropicado ( Macropitting)
El macropitting es un fenómeno de fatiga que ocurre cuando una grieta por fatiga que se inicia ya sea en o por debajo de la superficie del flanco activo del diente del engranaje. La grieta usualmente se propaga por una corta distancia aproximadamente paralela a la superficie del diente antes de ramificarse a la super ficie. Las picaduras se forman cuando las grietas crecen de tal forma que pedazos de material se separan de
la superficie. Los bordes de las picaduras suelen ser agudas y angulares. Pueden encontrarse grietas cerca del borde de las picaduras y marcas de playa en el fondo.
No existe límite de endurencia para la fatiga Hertziana, y el macropitting ocurre incluso a bajos esfuerzos si los engranajes operan el suficiente tiempo. Ya que no existe límite de endurencia, el diseño de los dientes debe ser adecuado para su tiempo de vida finita.
Basado en la naturaleza y gravedad del daño, el macropitting puede definirse como, no progresivo, progresivo, spall y flake.
Modo especifico: Macropitting no progresivo ( non-progressive macropitting)
El macropitting no progresivo consiste en picaduras de menos de un mm de diámetro en zonas localizadas. Estas picaduras distribuyen más uniformemente la carga mediante la eliminación de asperezas, después de lo cual se detiene el macropitting.
Modo especifico: Macropitting progresivo ( progressive-macropitting)
El macropitting progresivo consiste en picaduras significativamente más grande que un mm de diámetro. Estas picaduras pueden crecer hasta una porción significativa de la superficie del diente, y pueden haber de variadas formas y tamaños.
Modo especifico: Macropitting “Spall”
El “Spall” es macropitting progresivo que se produce cuando las picaduras se unen y forman cráteres irregulares que cubren un área significativa de la superficie del diente.
Modo especifico: Macropitting “Flake”
El “Flake” consta de picaduras que son relativamente poco profundas pero grandes en área. La grieta de fatiga crece desde el origen en forma de abanico hasta escamas finas de material que al romperse forma un cráter triangular.
Para prolongar la vida de un par de engranajes al macropitting, el diseñador debe mantener bajos los esfuerzos de contacto y para lograr esto existen muchas variables geométricas, como el diámetro, ancho del diente, número de dientes y ángulo de presión, que deben ser consideradas.
Las aleaciones de materiales y tratamientos térmicos son seleccionados para obtener las superficies duras de los dientes con alta resistencia. La máxima resistencia al macropitting se obtiene con los dientes de los engranajes carburados porque tienen superficies duras y carburación induce esfuerzos residuales de compresión que disminuyen el esfuerzo producido por la carga. Sin embargo, los dientes de los engranajes carburados usualmente se terminan por “grinding”, lo que los hace relativamente costosos de producir.
El espesor de película lubricante específica se maximiza mediante el uso de superficies lisas del diente y un suministro adecuado de un lubricante frío, limpio y seco de alta viscosidad y alto coeficiente de presión-viscosidad.
El macropitting puede iniciarse en un defecto de la superficie, de la sub-superficie, así como en una inclusión no metálica. En los dientes de los engranajes, las picaduras son más a menudo iniciadas en la superficie porque el espesor de la película lubricante es usualmente bajo. Resulta entonces un contacto metal-metal en un grado relativamente alto. La interacción entre las asperesas y el contacto de los defectos, crea un inicio de grieta en la superficie, en lugar de la sub-superficie. Para engranajes de alta velocidad con dientes de superficie suave el espesor de la película es muy bueno y puede predominar el inicio del micropitting en la sub-superficie, en lugar de la superficie. En estos casos el macropitting usualmente comienza como una inclusión sub-superficial que actúa como un punto de concentración de esfuerzos. Los aceros más limpios,
como los que se producen por “vacuum melting”, prolongan la vida al macropitting al reducir el número de inclusiones.
La contaminación del lubricante con agua promueve el macropitting y las partículas abrasivas en el lubricante promueven el macropitting por indentación en la superficie del diente, provocando cocentradores de esfuerzos e interrumpiendo la película del lubricante.
En la actualidad, la influencia en el macropitting de aditivos para lubricantes está sin resolver.
Métodos para prevenir el Macropicado ( Macropitting)
•
•
•
Reducir los esfuerzos de contacto, reduciendo las cargas u optimizando la geometría del engranaje. Usar acero limpio, apropiadamente endurecido a mínimo 58 HRC, preferentemente por carburación. Usar una cantidad adecuada de lubricante frío, limpio y seco de viscosidad adecuada.
Modo: Micropicado ( Micropitting)
El micropitting tiene un aspecto gris-manchado. Bajo la ampliación, la superficie parece estar cubierta por hoyos muy finos (normalmente menos de 20 micrómetros de profundidad). Las secciones metalúrgicas a través de los micropits muestran grietas de fatiga en la superficie inclinada en un ángulo de menos de 45 grados. Las grietas pueden extenderse más profundo que los micropits visibles.
La inclinación en fondo del cráter refleja la luz preferentemente por encima y por debajo de la línea de paso lo que la hace fácilmente discernible.
El micropitting ocurre con mayor frecuencia en la superficie endurecida de los dientes de engranajes. Puede ocurrir en cualquier parte del perfil activo del diente.
El espesor de la película específica es el parámetro más importante que influye en micropitting. El daño se produce más fácilmente en los dientes de engranajes con superficies ásperas, sobre todo cuando están lubricados con lubricantes de baja viscosidad.
Los engranajes de baja velocidad están propensos a micropitting porque tienen un bajo espesor de la película. Para prevenir el micropitting hay que maximizar el espesor de película específico usando dientes de engranajes de superficie suave, lubricantes de alta viscosidad y altas velocidades.
Métodos para prevenir el micropicado ( Micropitting)
• •
• •
Usar superficies suaves en los dientes, producidas cuidadosamente. Usar una cantidad adecuada de lubricante frío, limpio y seco de la viscosidad más alta permisible. Usar altas velocidades de ser posible. Usar acero carburizado con un contenido apropiado de carbón en la superficie.
Modo: Fatiga Sub-superficial (sub-case fatigue)
La fatiga en la sub-superficie puede ocurrir en engranajes tratados térmicamente por carburación, nitruración, “induction hardening” o“flame hardening”. La grieta comienza bajo la superficie del engranaje, en la zona de transición superficie-núcleo donde los
esfuerzos cortantes cíclicos exceden el esfuerzo de corte a la fatiga. Comúnmente la grieta avanza paralela a la superficie del flanco del diente del engranaje antes de ramificarse a la superficie. Las ramificaciones de las grietas aparecen en la superficie como muchas grietas longitudinales finas. Típicamente, muchas grietas aparecen cerca de la línea de paso sobre solo uno o un par de dientes adyacentes. Si las grietas superficiales logran unirse, entonces fragmentos largos de la superficie de los dientes puede romperse. Los cráteres resultantes son longitudinales con un fondo relativamente plano y bordes afilados.
Las marcas de playa de fatiga formadas por la propagación de la grieta principal puede ser evidente en el fondo del cráter.
Los esfuerzos de contacto, esfuerzos residuales y la resistencia del material a la fatiga influyen en la fatiga sub-superficial. La distribucion sub-superficial de esfuerzos residuales y la resistencia a la fatiga dependen de la dureza superficial, profundidad de la superficie y dureza del núcleo. Los valores óptimos de la profundidad de la superficie y la dureza del núcleo dan un apropiado balance de esfuerzos residuales y resistencia a la fatiga para maximizar la resistencia a la fatiga sub-superficial.
Para prevenir la fatiga subsuperficial deben usarse aceros con una templabilidad adecuada para obtener propiedades óptimas en la superficie y el núcleo. Es especialmente importante usar aceros limpios porque las inclusiones pueden iniciar grietas de fatiga si ocurren cerca de la interfaz Superficie-Núcleo en áreas de esfuerzos residuales de tracción.
El sobrecalentamiento de los dientes del engranaje durante la operación o la fabricación puede reducir la dureza de la superficie, modificar las tensiones residuales y reducir la resistencia a la fatiga sub-superficial.
Métodos de prevención a la fatiga sub-superficial (sub-case fatigue)
•
Reducir esfuerzos de contacto mediante la reducción de las cargas u optimizando la geometría.
•
•
Usar acero limpio con templabilidad adecuada para obtener propiedades óptimas en el núcleo y la superficie. Lograr los valores óptimos de la dureza de la superficie, la profundidad de la superficie y la dureza del núcleo, para maximizar la resistencia a la fatiga subsuperficial.
Clase: Desgaste ( wear)
La RAE ( Real academia española) define el desgaste como la acción de quitar o consumir poco a poco por el uso o el roce parte de algo, pero veremos que hay muchos tipos de desgaste
Modo: Desgaste adhesivo ( adhesive wear)
La adhesión es la transferencia de material de la superficie de un diente a otro debido a microsoldadura y desgarramiento ( tearing)
La adhesión se clasifica como suave o moderada si se limita a la superficie de las películas y las capas de óxido en la superficie del diente. La adhesión severa es llamada “Scuffing”(ver mas adelante).
Modo especifico: Adhesión Suave ( Mild adhesion)
Normalmente, la adhesión suave se produce durante el rodaje y desaparece después de que elimina las asperezas locales de la superficie. A simple vista, la superficie del diente parece en buen estado y marcas de mecanizado son visibles.
Modo especifico: Adhesión Moderada ( moderate adhesion)
La adhesión moderada elimina algunas o todas las marcas de mecanizado de la superficie activa del diente. Bajo ciertas condiciones, la adhesión puede causar una remoción continua de la película superficial y las capas de óxido, resultando un desgaste excesivo.
Cuando engranajes nuevos son operados por primera vez, el contacto entre los dientes no es óptimo porque existen inexactitudes inevitables en la fabricación. El desgaste que ocurre durante la rodadura es beneficioso si suaviza las superficies de los dientes.
Para garantizar que la tasa de desgaste de desgaste se mantiene bajo control, los sets de engranajes nuevos deberían operar por lo menos las primeras 10 horas a la mitad su carga nominal. Vaciar el lubricante después de las primeras 50 horas de operación para remover partículas de desgaste de rodaje, rellenar con lubricante recomendado e instalar un nuevo filtro.
La cantidad de desgaste considerada tolerable, depende de la vida requerida de los engranajes y de los requerimientos de sonido y vibraciones. El desgaste es considerado excesivo cuando los engranajes se vuelven ruidosos, ocurren altas cargas dinámicas.
Muchos engranajes debido a los límites prácticos de la viscosidad del lubricante, la velocidad y temperatura, deben operar bajo condiciones de borde lubricadas donde algún desgaste es inevitable. Las cargas altas y bajas velocidades (< 0.05 m/s) en los engranajes, los hacen más propensos a desgaste excesivo.
Métodos de prevención del desgaste por Adhesión ( adhesive wear)
• • •
•
•
Usar superficies de dientes suaves. De ser posible operar las primeras 10 horas a la mitad de la carga nominal. Vaciar el lubricante después de las primeras 50 horas de operación para remover partículas de desgaste de rodaje, rellenar con lubricante recomendado e instalar un nuevo filtro. Para engranajes funcionando a bajas velocidades (< 0.05 m/s), evitar usar lubricantes que contengan aditivos de azufre y fósforo. Usar una cantidad adecuada de lubricante, frío, limpio y seco de la más alta viscosidad permisible.
Modo: Desgaste por Abrasión (abrassive wear)
La abrasión es usualmente causada por la contaminación del lubricante por partículas duras. Contaminantes comunes son, arena, virutas de mecanizado, óxido, salpicaduras de soldadura y desechos del desgaste.
La abrasión debido a los contaminantes sueltos se llama abrasión de tres cuerpos. La abrasión de dos cuerpos se produce cuando las partículas incrustadas o asperezas en un diente de engranaje lijan la superficie de los dientes opuestos.
Basado en la severidad del daño, la abrasión se categorizar como; suave, moderada o severa.
Modo especifico: Abrasión Suave ( Mild abrasion)
La abrasión suave consiste de rayaduras que no son numerosas o lo suficientemente profundas como para remover cantidades significantes de material de la superficie del diente.
Modo especifico: Abrasión Moderada (Moderate abrasion)
La abrasión se clasifica como moderada si los restos de marcas de mecanizado son visibles en la superficie del diente.
Modo especifico: Abrasión Severa ( Severe Abrasion)
La abrasión severa remueve todas las marcas de mecanizado de las superficies de los dientes activos. Puede haber pasos de desgaste en los extremos de la cara activa y en el dedendum. El espesor del diente puede reducirse significantemente y en alguno casos la parte superior del diente puede ser reducida a un filo.
La contaminación puede entrar a una caja de cambios durante su montaje, por un respiradero, inadvertidamente durante el mantenimiento e incluso puede generarse internamente.
Para remover la contaminación que quedó luego del montaje se recomienda drenar el lubricante antes de la puesta en marcha y de nuevo luego de 50 horas de operación, rellenar la caja de cambios con el lubricante recomendado e instalar un nuevo filtro.
Las partículas que se generan internamente son usualmente desechos provenientes de los engranajes, rodamientos u otros componentes debido a Fatiga Hertziana, adhesión o abrasión. Las partículas provenientes del desgaste pueden ser abrasivas ya que estas se endurecen cuando quedan atrapadas entre los dientes de los engranajes. Usando superficies endurecidas en los dientes de los engranajes (con alta resistencia al pitting), superficies suaves y lubricantes de alta viscosidad se puede minimizar los desechos que se generan internamente.
Las ventanillas de respiración son usadas en las cajas de cambio para ventilar la presión interna, que puede ocurrir cuando, el aire dentro del reductor, se expande o contrae, durante el calentamiento y el enfriamiento normal del reductor. Los respiraderos deben estar localizados en un área limpia y no presurizada, y tener un filtro para prevenir el ingreso de contaminantes transportados por el aire. En ambientes muy agresivos, la caja de cambios podría estar, en algunas ocasiones, completamente sellada, en estos casos, la variación de presión se acomoda con una cámara de expansión.
Todo el mantenimiento que consiste en abrir la caja de cambios o el sistema o de lubricación debe realizarse en un ambiente limpio, de ser posible, evitar contaminar la caja de cambios.
El sistema de lubricación debe ser mantenido cuidadosamente para asegurar, que los engranajes reciben una cantidad adecuada de lubricante frío, limpio y seco. Para los sistemas circuladores de aceite, la filtración fina remueve la contaminación. Filtros de 3 micrómetros aumentan significativamente la vida del engranaje. Los filtros modernos son compactos y proveen de filtración fina.
Un programa de monitoreo de lubricante regular, puede ayudar a prevenir las fallas de engranajes mostrando cuando se requiere de mantenimiento. El monitoreo del lubricante debe incluir el análisis espectrográfico y ferrográfico de contaminación, y análisis de acidez, viscosidad y contenido de agua.
Metodos de prevención del desgaste abrasivo ( abrassive wear)
•
•
•
•
•
•
•
Remover contaminación drenando el lubricante antes de la puesta en marcha y de nuevo luego de 50 horas de operación Rellenar la caja de cambios con el lubricante recomendado e instalar un nuevo filtro. Usar superficies endurecidas en los dientes de los engranajes (con alta resistencia al pitting), superficies suaves y lubricantes de alta viscosidad se puede minimizar los desechos que se generan internamente. Se deben usar ventanillas de respiración para ventilar la presión interna, que puede ocurrir cuando, el aire dentro del reductor, se expande o contrae, durante el calentamiento y el enfriamiento normal del reductor. Los respiraderos deben estar localizados en un área limpia y no presurizada, y tener un filtro para prevenir el ingreso de contaminantes transportados por el aire Todo el mantenimiento que consiste en abrir la caja de cambios o el sistema o de lubricación debe realizarse en un ambiente limpio, de ser posible, evitar contaminar la caja de cambios. Monitoreo de lubricante continuamente, El monitoreo del lubricante debe incluir el análisis espectrográfico y ferrográfico de contaminación, y análisis de acidez, viscosidad y contentido de agua.
Modo: Desgaste por Corrosión ( Corrosive wear)
La corrosión es una reacción química o electroquímica entre la superficie del engranaje y el medio ambiente. Las caras aparecen manchadas y corroídas, cubiertas por partículas de oxido rojizas depositadas. Si las partículas sueltas de corrosión son removidas se podrán revelar los pequeños cráteres que hay debajo. Normalmente la corrosión ataca la superficie completa y puede proceder intergranularmente atacando los bordes de los granos de las superficies del diente.
La identificación de productos de corrosión metal son prueba irrefutable de corrosión, por ejemplo la identificación de α-Fe2O3 H20 por difracción de rayos X en el acero picado es evidencia de que esta oxidado.
Los pequeños cráteres en el flanco el diente del engranaje producen concentraciones de esfuerzo que podrían iniciar un macropitting.
Estos cráteres en el “root fillet” del diente podrían causar gritas por fatiga por flexión. El agua reduce la vida por fatiga ya que causa una fragilizarían del hidrogeno que acelera el crecimiento de la grieta por fatiga. Las partículas de oxidación son dañinas y podrían causar abrasión en el diente del engranaje.
La contaminación por acido y agua produce corrosión. El uso extremado de aditivos anti-scuffing, reactivos, entre otros. podrían causar corrosión especialmente a altas temperaturas. El desgaste por corrosión causado por contaminación o por formación de ácidos pueden ser minimizados monitoreando la acides, viscosidad, contenido de agua del lubricante y cambiándolo cuando sea necesario.
En ocasiones las superficies de los dientes del engranaje son atacadas químicamente durante el conformado en la fabricación. Es por eso que en estos procesos se debe ser extremadamente cuidadoso.
También cuando los engranajes no son debidamente protegidos durante su almacenamiento pueden ser corroídos , por ejemplo si deben ser almacenados por más de un mes, es necesario tomar precauciones extras a modo de evitar la corrosión
La condensación ocurre cuando el aire húmedo es enfriando por debajo de la temperatura de punto de roció, y de la mezcla aire agua se caen unas gotitas de agua sobre la superficie del diente. Esto suele pasar cuando el aire atmosférico esta a una humedad relativa mucho más alta que donde se encuentra frecuentemente o por grandes cambios de temperatura. Por lo tanto en los lugares donde se almacenan
engranajes y cajas de engranajes la humedad debe ser controlada y evitar los cambios de temperatura en lo posible. En lugares de almacenamiento que están a la intemperie, los engranajes deben ser colocados en algún lugar que no tenga contacto con el suelo y cubiertos con alguna capa protectora, algo así como una lona. No se deben usar cobertores plásticos ya que tienen a acumular la condensación.
También es recomendable hacer girar los engranajes para poder distribuir un poco de aceite en ellos y también en rodamientos y descansos. Podria ser necesarios si es posible remover la tapa de los cojinetes para aplicar aceite en forma de spray para una adecuada lubricación. Para un almacenamiento a largo plazo, lo mejor es llenar completamente de aceite la caja de engranaje y conectar un respiradero de ventilación, esto minimizaría la condensación. Cuando esto no se puede en la practica es conveniente rociar con spray todas las piezas de metal expuestas al ambiente.
Modo: Corrosión por contacto (fretting corrosive wear)
Se produce por el movimiento relativamente pequeño (como una vibración) de 2 sustancias en contacto, de las que una o ambas son metales. Este movimiento genera una serie de picaduras en la superficie del metal, las que son ocultadas por los productos de la corrosión y sólo son visibles cuando ésta es removida.
El fretting ocurre entre 2 superficies en contacto que están bajo presionándose y sometidas a un ciclo, en un movimiento relativo de una amplitud extremadamente pequeña, bajo estas condiciones el lubricante es expulsado de entre las superficies en contacto, y el movimiento entre de la superficies es muy pequeño para reabastecerse de lubricante. Asi la película de oxido que normalmente protege las superficies se ve dañada permitiendo la contacto metal-metal causando la adhesión de las asperezas de la superficie. El freeting comienza con un periodo de incubación en el cual el mecanismo de desgaste es una leve adhesión y el escombro de desgaste es el oxido de magnetita. Pero el daño durante la incubación es el llamado brinelling falso.
Si los escombros acumulados son los suficientes para aprisionar el lubricante y que no alcance la zona de contacto, el desgaste aumentara dramáticamente y ya el daño será por corrosión por fretting.
El movimiento relativo podría romper una zona donde hay soldadura y generar oxido de hematita, un polvo que tiene la fineza y el color rojizo café color cacao. El escombro de desgaste es severo y abrasivo.
La corrosión por fretting causa daño en los dientes de los engranajes haciendo surcos a lo largo de las líneas de contacto. Durante la operación de este engranaje el diente podría generar un fuerte ruido, y como un ruido de martilleo.
La corrosión por fretting podría causar macropitting o iniciar una grieta por fatiga, lo cual en áreas de alto esfuerzo, podría propagar la falla
Modo: Desgaste por Pulido (Polishing wear)
Es una interacción entre dos sólidos con remoción de material al mismo tiempo que uno de los dos sólidos se pule.
El polishing es una abrasion a fina escala que da brillo y terminado pulido espejo a los dientes del engranaje. El diente del engranaje podría ser lisa o ondulada con golpes localizados. Una visión mas detallada muestra finos rasguños en la dirección del desplazamiento.
Cuando una superficie dura en contacto con una superficie suave, el polishing es probable a ocurrir en la superficie más dura.
Dependiendo del daño el polishing puede ser categorizado como: Leve, Moderado o Severo
Modo especifico: Pulido leve ( Mild polishing)
Se refiere solo a las puntas de las asperezas en la superficie, típicamente ocurre cuando el engranaje está en marcha y para antes de que las macas de maquinado sean removidas de la superficie de los dientes del engranaje.
Modo especifico: Pulido moderado ( Moderate polishing)
Es el que quita partes de las marcas de maquinado en la superficie del diente
Modo especifico: Pulido severo ( Severe polishing)
El polishing severo remueve las marcas de maquinado las superficies activas del diente. La superficie podría ser ondulada y podría tener señas de desgaste al final de la cara activa y en el dedemdum. Si es muy extremo el polishing podría reducir la esbeltez del diente y en la parte de arriba podría quedar como el borde de un cuchillo.
Si los aditivos anti – scuff son químicamente muy rectivos y se presenta una pequeña abrasión, el engranaje podría ser pulido con brillo y terminado de pulido espejo. Aunque el pulido del diente podría lucir bien, el desgaste por polishing es indeseable porque reduce la precisión del diente con para la cual fue diseñado.
Los aditivos anti scuff usados en los lubricantes para prevenir el scuffing, como tienen azufre y fosforo debido a su funcionamiento
Metodos de prevención de desgaste por pulido ( Polishing wear)
•
•
Usar menos reactivos anti-scuff en los lubricantes ( por ejemplo potasio y boro) Remover todos los rastros de abrasión del lubricante usando algún filtro o cambiando el aceite periódicamente
Modo: Desgaste por descarga eléctrica ( electric discharge wear)
Los dientes de los engranajes podrían ser dañados si la aislación eléctrica es deficiente, efectos de inducción eléctrica o una inapropiada conexión a tierra. El daño por descarga eléctrica es causado por un arco eléctrico que se forma a través de la película de aceite entre el flanco activo y el diente del engranaje.
La electricidad puede ser producida por motores eléctricos, la acumulación de electricidad estática, u otros instrumentos eléctricos, etc. También el daño podría ocurrir si se está soldando al arco cerca de un engranaje.
Un arco eléctrico produce temperaturas suficientemente altas para derretir la superficie del diente del engranaje. Microscópicamente, el daño parece como pequeños cráteres hemisféricos. Los bordes de los cráteres son suaves y podrían ser rodeados por metal fundido o quemado en la forma de que las partículas fueron derretidas.
Sobre todo el daño en los dientes del engranajes es proporcional al número y al tamaño de los puntos que hacen el arco, entonces a medida de lo anterior una descarga eléctrica podría ser destructiva para el diente del engranaje. Esto, sumado a una micro fisura podría llevar esto a posteriores fatigas por contacto de Hertz o fatiga por flexión. Si en el engranaje son encontradas quemadas por arco, todas las otras piezas asociadas al engranaje deberían ser examinadas por un posible daño similar.
Los daños por descarga eléctrica pueden ser prevenidos si existe una adecuada aislación aislación o una adecuada conexión conexión a tierra, o verificar verificar que los métodos de soldaduras sean los correctos y los cuidados que hay que tener presente cuando se usa un método u otro.
Modo: Desgaste por Cavitación ( Cavitation wear)
La cavitación ocurre en la película del lubricante y daña al diente del engranaje, la cavitación es causada por el movimiento relativo entre una superficie solida y un líquido. El movimiento relativo causa una caída de presión local que forma unas pequeñas burbujas dentro del líquido. Cuando las burbujas pasan por una zona de alta presión, colapsan como gas y vuelven a disolverse en el líquido. La implosión de las burbujas transmiten grandes fuerzas localizadas en la superficie del diente y causan deformación plástica, fractura dúctil de las asperezas de la superficie. A simple vista, el daño por cavitación parece ser desordenado y limpio como si la pieza hubiese sido afectada por un chorro de arena. Microscópicamente los cráteres causados por la cavitación son profundo, ásperos, limpios. Algo muy parecido a un panal de abejas
Modo: Desgaste por Erosión (Erosion wear)
La erosión es la perdida de material de la superficie del diente del engranaje gracias al movimiento relativo con un fluido que contiene partículas solidos
Clase: Gripado (Scuffing)
Es una especie de severa adhesión que causa la transmisión de metal desde un diente a otro debido a la soldadura y desgarramiento. Las áreas parecen tener una textura mate, sin brillo. El defecto ocurre normalmente en el fondo y extremo del diente, lejos del círculo primitivo, primitivo, y se presenta como estrechas bandas que están orientadas orientadas en la dirección de deslizamiento. Si miramos en el microscopio, la superficie presenta un aspecto rugoso y deformado plásticamente.
El scuffing no es un fenómeno de fatiga y puede ocurrir instantáneamente
Acorde con la gravedad del daño el scuffing puede clasificarse en leve, moderado y severo
Modo espeficico: Gripado leve ( Mild Scuffing)
Ocurre en áreas pequeñas del diente se reduce solo a las puntas de las asperezas de la superficie. Generalmente no es progresivo
Modo especifico: Gripado moderado ( Moderate scuffing)
Ocurre cuando la parte afectada cubre una porción significante del diente. Si las condiciones de operación no cambian puede ser progresivo
Modo especifico: Gripado severo ( Severe scuffing)
Ocurre ya cuando una porción mucho mas significante del tiene es afectada, por ejemplo todo el addendum o todo del dedendum o ambos. En algunos casos la superficie del material es deformada plásticamente y desplazada sobre la punta del diente o dentro de la raíz del diente. Si no es corregido es usualmente progresivo. El scuffing puede ocurrir en el diente del engranaje cuando ellos operan en el régimen de lubricación limite. Si la película de lubricante es insuficiente para prevenir el contacto metal-metal. Las capas de oxido que normalmente protegen la superficie del diente podrían romperse y dejar los metales sin recubrimiento y podrían soldarse juntos. El desplazamiento que ocurre entre los dientes provoca un desgarramiento de las uniones soldadas, transferencia de material y a veces un daño catastrófico.
En comparación con el pitting o fatiga por flexión, la cual solo ocurre después de un periodo, periodo, el scuffing scuffing puede ocurrir ocurrir inmediatame inmediatamente nte que el engranaje parta. En realidad realidad los engranajes son más vulnerables al scuffing cuando son nuevos que cuando ya han sido usados y suavizado sus superficies por el mismo trabajo entre los dientes. Es por esta misma razón es que se debe hacer andar el sistema de engranajes por lo menos por 10 horas con la mitad de la carga para reducir la rugosidad del diente antes de aplicar la carga completa. Los dientes de engranaje pueden ser recubiertos con fosfatos de hierro y manganeso para protegerlos del scuffing durante peridos críticos de trabajo.
El mecanismo del scuffing no es completamente entendido pero se cree que es causado por el intenso calor provocado por la friccion y la combinación de velocidad de deslizamiento altas y una intensa presión entre las superficies. Existe una teoría para predecir scuffing que dice que el scuffing ocurrirá en los dientes de engranajes que están trabajando bajo régimen de lubricación límite cuando la temperatura máximo de contacto entre los dientes del engranaje alcance una temperatura critica. Para aceites minerales sin aditivos anti scuff, cada combinación de aceite y material del diente tiene una temperatura crítica de scuffing que es constante sin tomar en cuenta la condición de operación. Las temperaturas críticas de scuffing no son constantes para lubricantes sinteticos y lubricantes con aditivos anti scuff, deben ser determinadas mediante ensayos que se acerquen a las condiciones de operación de los engranajes. La mayoría de los aditivos anti scuff son una composición de azufre y fosforo la cual forma películas en régimen de lubricación limite por la reacción química de el metal de la superficie en puntos localizados donde la temperatura es alta,. Las películas antiscuff previenen el scuffing por formación de una película solida e inhibe el contacto metal metal. Las películas de sulfato de hierro y fosfato de hierro tienen altos puntos de fusión, permitiéndoles permanecer solidos en las superficies del diente incluso en puntos de alta temperatura.
Métodos de prevención del gripado (scuffing) •
•
•
•
Usar dientes de superficies suaves fabricadas por un cuidadoso esmerilaje Proteger los dientes durante periodos críticos de uso del engranaje, recubriéndolo con fosfato de hierro-manganeso Cuando estén nuevos hacerlos correr durante 10 horas por lo menos con la mitad de la carga Usar aceites de alta viscosidad con aditivos anti scuff como el azufre, fosforo, o borato de potasio
•
Enfriar el diente suministrando una adecuada cantidad de lubricante fresco
•
Optimizar la geometría del diente usando dientes pequeños
•
Use el diente correcto y un soporte rigido del engranaje
•
Usar acero nitrado para una máximos resistencia al scuffing
•
No usar acero inoxidable o aluminio para engranajes ya que tienen riesgo de scuffing
Clase: Fisuras (cracking)
Aparte de las grietas que se producen en la raíz del filete provocadas por fatiga por flexión, las grietas puede ocurrir en otra parte del engranaje por esfuerzo mecánico, esfuerzo térmico, desperfectos en el material o un conformado mecánico inapropiado.
Modo: Fisuras por endurecimiento o temple ( hardening cracks)
El agrietamiento en los tratamientos térmicos usualmente ocurre durante o después del temple por los esfuerzos localizados que se producen por el enfriamiento no uniforme el enfriamiento o una inadecuada transformación de austenita en martensita.
Los esfuerzos térmicos son provocados por las diferencias de enfriamiento entre en el interior y la superficie del engranaje. El rango de enfriamiento es influenciado por la geometría del diente, la temperatura del temple. El gradiente de temperatura es más alto y el riesgo de agrietamiento mayor en secciones más delgadas, flancos asimétricos y esbeltez variable en bordes y alma.
Minimizar agujeros, chavetas, ranuras y esquinas muy pronunciadas porque producen concentraciones de esfuerzo y aumentan el riesgo de agrietamiento. Los engranajes que fueron templados deberían tener chaflanes o terminaciones radiales para reducir el riesgo de cracking en esas partes.
La transformación de la austenita en martensita esta acompañada por una expansión que podría provocar fisura. Las grietas podrían no ocurrir durante el temple, pero después cuando el engranaje ya esta situado en su lugar de trabajo podría fisurarse si no fue hecho un revenido después del temple. Para evitar este tipo de agrietamiento, se debe poner el engranaje en un horno de revenido después del temple mientras aun esta caliente.
El tipo de temple debe considerar el tamaño y la geometría del engranaje, también de propiedades metalúrgicas y dureza del acera entre otros factores, como una regla general acero que contienen carbono mayor a un 0,35% requiere de un temple con aceite para prevenir el cracking.
Las grietas por temple son generalmente intergranulares, con la grieta partiendo de la superficie hacia el centro de masa en una línea relativamente recta.
Métodos de prevención de las fisuras por temple ( hardening cracks) •
Diseñar el alma del engranaje lo más simétrico posible y mantener la esbeltez de la sección uniforme
•
•
•
•
Minimizar agujeros, chavetas, ranuras, etc. Utilizar chaflanes o terminaciones más suaves en todos los bordes, especialmente en las terminaciones del diente. Diseñar el tipo de temple, tomando en consideración que tan brusco será, la temperatura, con que se enfriara. Para un tipo de acero con dureza y propiedades metalúrgicas especificas. Hacer un revenido inmediatamente después del temple
Clase: Fisuras por rectificado ( Grinding cracks)
Las grietas pueden desarrollarse en las superficies del diente de engranajes que han sido terminados por algún rectificado. Las grietas son usualmente superficiales o poco profundas y suelen aparecer como una seria de grietas paralelas. Al igual que las grietas que se producen por temple (hardening cracks) podrían aparecen inmediatamente después del rectificado, durante la manipulación para ser almacenados y también en condiciones de servicio.
Las grietas por rectificado podrían ser provocadas por las técnicas de rectificado si el corte de rectificado es muy profundo, si la velocidad de rectificado es muy alta, si la rueda que se usa para rectificar es incorrecta, o el flujo del fluido que se usa para lubricar o limpiar el lugar es insuficiente. Las fisuras podrían provocarse por la transformación de la austenita en martensita en respuesta al calor provocado por el rectificado. También podrían ser causadas por la formación de una frágil, no revenida martensita gracias a la austenizacion localizada y el auto-temple provocado por el sobrecalentamiento localizado.
Aceros con dureza dada por elementos que forman carburos duros en los aceros como el cromo son propensos a este tipo de fisuras. Esto especialmente severo para los engranajes carbonizados con una capa de alto contenido en carbono, particularmente si hay red de carburos. Para prevenir el agrietamiento durante el rectificado la microestructura de la capa debería consistir primordialmente de martensita revenida con menos del 20% uniformemente distribuida y estar libre de redes de carburos, la dureza de la superficie debería ser hasta 60 HRC (Dureza Rockwell C) máximo.
Un decapado por acido en la superficie del diente donde el sobrecalentamiento ocurrió puede mostrar donde se ha formado martensita revenida.
Una inspección por partículas magnéticas o una inspección de tinte penetrante ( Ensayos no destructivos) puede detectar grietas por rectificado.
Métodos de prevención de la fisura por rectificado ( grinding cracks) •
•
•
•
•
Asegurar primero que el rectificado sea el adecuado ( en cuanto a manejo y velocidad), la rueda sea la indicada, flujo de fluido adecuado Para aceros carbonizados, controlar el contenido de carbono y asegurarse que la capa del diente consista primordialmente de martensita templada menos del 20% uniformemente distribuida, y libre de redes de carburos. Para engranajes carbonizados, mantener la duraza de la superficie en un máximo de 60 HRC Usar “acid etch” ( decapado por acido) para inspeccionar las superficies del diente. Usar ensayo partículas magnéticas o una inspección de tinte penetrante para detectar grietas por rectificado.
Modo: Fisuras por fatiga en el alma del engranaje ( rim and web cracks)
Si el alma del engranaje es delgado (menos que 2 veces la altura total del diente), puede ser propensa a significantes esfuerzos de de flexión, estos esfuerzos sumandos a los esfuerzos de flexión del diente pueden derivar en grietas por fatigas en el alma.
Las grietas en el alma son similares a las grietas por fatiga por fatiga en el diente, pero las grietas en el alma se propagan radialmente a través del alma del engranaje,
mientras que las grietas de fatiga por flexión en el diente se propagan a través de la base del diente. Las grietas en el alma pueden crecer dentro de la red del engranaje. Ocasionalmente una grieta por fatiga puede originarse en la red del flanco del engranaje. Las grietas en la red pueden ser provocadas por esfuerzos cíclicos gracias a vibraciones cercanas a la frecuencia natural del flanco del engranaje, la grieta puede originarse en la red del flanco y propagarse hasta la llanta o alma.
Las grietas en la red y grietas en el alma son originadas usualmente por concentraciones de esfuerzo. Estas concentraciones pueden originarse por uno más de los siguientes factores: ángulos agudos, entalles “root fillet”, ranuras, chavetas, agujeros o defectos metalúrgicos como inclusiones.
Estas grietas pueden causar fallas catastróficas en engranajes de alta velocidad, las fuerzas centrifugas producen que las grietas por fatiga se propaguen en modo de fractura rápida, desgarrando el alma.
Para ayudar a prevenir estas fisuras, una inspección de partículas magnéticas debe ser ocupada para asegurar que en los “root fillets” del engranaje, en el alma, y red del engranaje están libres de imperfecciones.
Métodos de prevención de fisuras por fatiga en el alma del engranaje ( rim and web cracks) •
•
•
Diseñar la esbeltez del alma del engranaje al menos 2 veces más ancho que la altura total del diente. Si se usan engranajes de alma esbelta, asegurarse que la frecuencia natural del flanco del engranaje no coincida con la frecuencias de excitación Diseñar el flanco del engranaje tal que se minimicen los detalles que causen concentraciones de esfuerzo como chavetas, agujeros, etc.
•
•
Usar inspección de partículas magnéticas para asegurarse de que no existan imperfecciones o defectos en el engranaje Usar un proceso de rectificado que no provoque concentraciones de esfuerzo, como por ejemplo en los “root fillets”
Modo: Separación superficie/núcleo ( case/core Separation)
La separación superficie/núcleo puede ocurrir en superficies de dientes de engranajes templados cuando aparecen grietas cerca del límite entre el núcleo y la capa superficial.
Las grietas internas pueden propagarse provocando esquinas, bordes o separar la punta del diente. Las grietas pueden aparecer inmediatamente después del tratamiento térmico o después durante su manipulación o almacenado o en condiciones de servicio.
Las separación superficie/nucleo es provocada por altas tensiones residuales en el límite de la superficie y el núcleo gracias a la excesiva profundidad de la superficie. Si el esfuerzo residual es alto y la ductibilidad es baja, una fractura frágil podría ocurrir y la punta del diente podría separarse explosivamente. Si las condiciones son menos severas las grietas podrían detenerse antes de alcanzar la superficie del diente.
El hidrogeno podría acumularse en las grietas y provocar una fractura frágil, o los esfuerzos en condiciones de servicio podrían causar que las grietas crecieran por fatiga. Como las grietas siguen la interfaz capa/nucleo, las puntas de los dientes tienen superficies cóncavas de fractura, y porciones restantes del diente tienen superficies convexas de fractura.
Las marcas de Chevron aparecer en las superficies de fractura si la fractura fue frágil, ellas son utiles porque apuntan donde ocurrió la falla.
Las marcas de playa podrían ser encontradas en superficies de fractura si la grieta creció por fatiga.
Las inclusiones promueven la separación capa/nucleo especialmente cuando están cerca de la interfaz capa/nucleo.
Cuando la separación capa/nucleo es sospechada como la causa de la falla, el diente tal como esta debe ser seccionado para determinar si hay grietas en la supcapa cerca de la punta del diente
En engranajes carbonizados, prevenir que la parte de arriba del diente sea estrecha y recubrir la parte de arriba del diente para restringir la penetración de carbono durante el carbonizado y prevenir capas excesivamente profundas.
Aceros con alta resistencia a la fractura tienen menos riesgo de separación capa/nucleo.
La tenacidad del material depende de la composición química, tratamiento térmico y procesado mecánico. Muchos elementos aleantes aumentan la templabilidad del acero, pero disminuyen la tenacidad.
A excepción del níquel y el molibdeno que aumentan la templabilidad al mismo tiempo que aumentan la tenacidad.
Diesburg y Smith hicieron pruebas de resistencia a la fractura de aceros carbonizados y encontraron lo siguiente: •
Aceros con alta templabilidad tienen mayores resistencia a la fractura que aceros con baja templabilidad
•
•
El alto contenido de níquel no garantiza una buena resistencia a la fractura, pero el níquel y el molibdeno en una correcta combinación dan alta resistencia a la fractura Un alto contenido de cromo y manganeso dan una baja resistencia a la fractura
Las mejores propiedades de tenacidad fueron obtenidas con aceros 3%NiCrMo, con una dureza de superficie en el rango de 30-40 HRC. La tenacidad puede ser maximizada usando fundición al vacio y dejando el contenido de carbón, fosforo y azufre lo más bajo posible.
La mayoría de las propiedades de los materiales mejoran cuando en el tamaño de grano es uniforme y fino. Esto es especialmente cierto en la tenacidad. El acero con grano fino ha incrementado su tenacidad and reducir transferencia de calor.
La fabricación del acero, elementos aleantes, tratamientos mecánicos y tratamientos térmicos son influyentes en el tamaño de grano. Aceros con níquel y molibdeno reducen el engrosamiento del grano durante la austenitizacion mejor que aceros al carbono sin niquel y molibdeno. Aluminio, vanadio o columbio son añadidos al acero para producir un grano mas fino.
Flancos que fueron tratados con un “Shot peening” ( tratamiento de superficie anteriormente explicado), aumentan el riesgo de sepacion capa/nucleo porque además de incrementar los esfuerzos residuales de compresión en la superficie del diente, aumentan la tensión residual cerca de la interfaz capa/nucleo.
La refigeracion puede ser usada para reducir la austenita retenida, sin embargo esto aumenta el riesgo de separación capa/nucleo por reducción de la tenacidad.
Para minimizar el riesgo de separación capa/nucleo, los engranajes deberían ser revenidos inmediatamente después del temple. Chaflanes o bordes radiales del diente ayudan a prevenir concentraciones de esfuerzo
Metodos de prevención de la separación capa/nucleo ( case/core separation)
*Controlar la profundidad de la capa especialmente en la punta del diente *En engranajes carbonizados evitar que la parte de arriba del diente sea muy estrecha y recubrir esta parte para restringir la penetración del carbono. *Usar aceros con alto contenido de niquiel. El niquel y el molibdeno in la correcta combinación maximiza la tenacidad de engranajes carbonizados. *No usar aceros con alto contenido de cromo y manganeso *Matener el contenido carbono, fosforo y azufre lo mas bajo posible *Usar fundición al vacio Usar aceros de grano fino. El niquel y el molibdeno disminuyen el engrosamiento del grano durante la austenitizacion La dureza del nucleo en el rango de 30-40 HRC No aplicar Shot Peening a los flancos No refigerar Aplicar revenido inmediatamente después del temple Usar chaflanes o bordes radiales en bordes del engranaje
APENDICE A
RECONOCIMIENTO DE FALLAS EN ENGRANAJES Todos los tipos de fallas mencionadas anteriormente se visualizan a continuación.
Clase: Sobrecarga Modo: Fractura Frágil
Clase: Sobrecarga Modo: Fractura Dúctil
Clase: Sobrecarga Modo: Fractura combinada
Clase: Sobrecarga Modo: Deformación Plástica, flujo frío
Clase: Sobrecarga. Modo: Deformación Plástica, flujo caliente
Clase: Sobrecarga. Modo: Deformación plástica, indentación
Clase: Sobrecarga Modo: Deformación Plástica, rolling
Clase: Sobrecarga Modo: Deformación plástica, rippling
Clase: Sobrecarga Modo: Deformación plástica, ridging
Clase: Sobrecarga Modo: Deformación plástica, fluencia del entalla
Clase: Sobrecarga Modo: Deformación plástica, Interferencia Tip-to-Root
Clase: Fatiga por flexión Modo: Bajo Ciclo
Clase: Fatiga por flexión Modo: Alto ciclo
Clase: Fatiga por flexión Modo: Alto ciclo (grieta en la entalla o raíz)
Clase: Fatiga por flexión Modo: Alto ciclo ( grieta en la superficie)
Clase: Fatiga por flexión, Modo: Alto ciclo ( Grieta en la punta del diente )
Clase: Fatiga por contacto Modo: Macropitting
Clase: Fatiga por Contacto Modo: Macropitting, No progresivo
Clase: Fatiga por Contacto Modo: Macropitting, Progresivo
Clase: Fatiga por contacto Modo: Macropitting, spall
Clase: Fatiga por contacto Modo: Macropitting, Flake
Clase: Fatiga por contacto Modo: Micropitting
Clase: Fatiga por contacto Modo: Subsuperficial
Modo: Desgaste Clase: Adhesión
Clase: Desgaste Modo: Abrasión
Clase: Desgaste Modo: Corrosión
Clase: Desgaste, Modo: Corrosión por contacto ( Fretting)
Clase: Desgaste Modo: Polishing (pulido o pulimiento)
Clase: Desgaste Modo: Descarga eléctrica
Clase: Desgaste Modo: Cavitación
Clase: Desgaste Modo: Erosión
Clase: Gripado ( Scuffing)
Clase: Fisuras (Cracking) Modo: Grietas por temple ( Hardening cracks)
Modo: Fisuras (Cracking) Clase: Grietas por rectificado ( Grinding Cracks )
Clase: Fisuras (Cracking) Modo: Grietas en el alma ( Rim and Web Cracks)
Clase: Fisuras (Cracking) Modo: Separación Capa-Núcleo ( Case/Core separation)
