10. MODOS DE FALLA COMUNES EN ENGRANAJES Los engranajes son elementos de maquinas destinados a transmitir potencia mecánica, a través de la rotación y el momento torsor. La carga viva o que realiza el trabajo es el momento torsor (producto de la fuerza tangencial generada entre los dientes engranados). Solicitaciones que deben soportar los engranajes en servicio: a) Fuerzas radiales y axiales sobre los elementos, cargas muertas ( generan esfuerzo pero no trabajo) b) Cargas disipativas, fuerzas de fricción cíclicas por el deslizamiento de los dientes, aumentando los esfuerzos de contacto y pérdidas energéticas. c) Cargas de contacto, por la presión cíclica entre los dientes d) Medio ambiente (reacciona con el engranaje, provocando corrosión) Fallas comunes de los engranajes a) Agrietamiento o pérdida total o parcial de dientes mediante fractura, o del cuerpo del engranaje b) Perdida de geometría de los dientes, por desgaste c) Perdida de geometría por reacción química (corrosión) d) Perdida de geometría por deformación plástica e) Ludimiento en la superficie interna del cubo f) Rigidez g) Vibración h) Combinaciones de las anteriores Para diseñar un engranaje (tipo, diámetro de paso, numero de dientes, ancho de cara, material, proceso de manufactura tratamiento tratamiento térmico y superficial y grado de calidad superficial) se considera, a) Cargas a soportar (torque y fuerzas de contacto entre dientes) b) Limitaciones en la rigidez torsional c) Limitaciones en niveles de vibración torsional d) Necesidad de lubricación y su tipo en los l os dientes e) Medio ambiente y temperatura f) Costo, volumen y peso g) Nivel de confiabilidad y vida de servicio Los engranajes poseen formas cónicas o cilíndricas, macizas o aligeradas; para los macizos las zonas de concentración de esfuerzos (más propensas a agrietarse) es en la base de los dientes o en los cuñeros. Para los aligerados, tiende a agrietarse en la arquitectura de cubo, llanta o radios, además de los concentradores mencionados. Para los engranajes en maquinaria industrial, a pesar de los lubricantes y la operación en ambientes cerrados, para inhibir la corrosión y el desgaste; la presencia de humedad y sobretemperatura, degrada el lubricante formando soluciones que atacan el metal. Para engranajes expuestos al medio ambiente, la zona de los dientes se protege por grasa, y en el cuerpo con recubrimientos poliméricos. Los materiales más usados en la elaboración de engranajes, son los aceros, las fundiciones de hierro y los bronces. - Los aceros templados y revenidos (por sus resistencia a la fatiga, al desgaste y a la deformación plástica), con tratamientos de endurecimiento superficial. - Las fundiciones de hierro se emplean en engranajes grandes - Los bronces se usan en engranajes pequeños. - Los materiales poliméricos, se usan en situaciones de baja potencia a transmitir.
Para asegurar una lubricación completa se agregan aditivos de extrema presión (EP) o aditivos antidesgaste (grafito o bisulfuro de molibdeno), pero es necesario verificar la compatibilidad de los materiales pues dichos aditivos pueden atacar el sistema de lubricación. En la manufactura, la precisión dimensional y de forma en las variables geométricas de los dientes, garantiza la distribución uniforme de los esfuerzos, disminuyendo el desgaste, la deformación o las fracturas prematuras. A demás la correcta selección de la dureza superficial y el espesor de la capa de endurecimiento, se reflejará en la larga vida del elemento. En engranajes de dientes rectos y helicoidales, los modos de f alla por desgaste y deformación son más severos en el adendo y el dedendo. En engranajes hipoidales o sinfín- corona, predomina el deslizamiento a lo largo del flanco del diente.
10.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MODOS DE FALLA
10.2. FALLAS POR AGRIETAMIENTO Y FRACTURA En los agrietamientos se nuclean y generan fisuras súbitas o progresivas en las diferentes partes de un engranaje (dientes, llanta, radios o cubo), sin anular la funcionalidad del elemento, pero se genera la disminución de su rigidez, provocando oscilaciones de torque y velocidad, y modificando los patrones de vibración y ruido, considerándose un evento de falla para maquinaria de precisión. Los agrietamientos súbitos se forman en fracción de segundos, y los progresivos toman tiempos prolongados. El principal mecanismo de agrietamiento progresivo es la fatiga. Los dientes están sometidos a cargas flectoras y esfuerzos de contacto, por lo que el agrietamiento puede nuclear en la cara del engrane y propagarse hacia el flanco opuesto, iniciando como fatiga superficial por los esfuerzo de contacto o como fatiga en la interfase capa- núcleo del flanco, y posteriormente propagándose mediante fatiga a flexión.
Las grietas en la base se forman generalmente por fatiga bajo carga de flexión, sin embargo agrietamientos súbitos (dúctiles, frágiles o mixtos) por flexión de los dientes también se dan en la base. En estos casos las grietas se propagan perpendiculares a los máximos esfuerzos normales de tracción. Por la acción directa de corte de las cargas de engrane, se desarrollan agrietamientos súbitos dúctiles en la base del diente, que siguen la dirección de los esfuerzos cortantes máximos. En engranajes aligerados, se pueden presentar agrietamientos súbitos o por fatiga, que inicien en la base de los dientes y se propagan en dirección radial al engranaje (penetrando la llanta del elemento), siguiendo la perpendicular a los esfuerzos normales máximos de tracción.
Los agrietamientos súbitos o por fatiga, también pueden nuclear desde concentradores de esfuerzo diferentes a la base de los dientes, como vértices o estrías, agujeros de lubricación y de fijación. La grieta sigue perpendicular a los esfuerzos normales máximos de tracción. A excepción de agrietamientos súbitos dúctiles por desgarre que siguen la orientación de los cortantes máximos.
Los agrietamientos que comúnmente conducen a fractura, son los que se forman en la cara o base de los dientes, desembocando en pérdida total o parcial de los dientes, por mecanismos súbitos o por fatiga; para producir agrietamientos súbitos o fracturas, es necesario sobrepasar la resistencia última del material. El tipo de fractura (dúctil, frágil o mixta) depende del material de los dientes y el endurecimiento superficial. Las fracturas súbitas dúctiles se pueden formar por flexión generando una textura fibrosa, o por desgarre debido a la acción del esfuerzo cortante máximo que cizalla los dientes, en la que predomina una textura tersa con frotamiento y deformación. Las fracturas súbitas frágiles se forman bajo carga de flexión, y predomina la textura granular, con marcas radiales, que indican la dirección de crecimiento del agrietamiento.
Para dientes con endurecimiento superficial y de núcleo blando, pueden fracturar por súbita mixta a lo largo del plano de la base, con textura fibrosa en el núcleo, y en las capas endurecidas granular.
Engranajes de acero con durezas bajas (cercanas a 20 RC), tienden a grietar o fracturar de manera súbita dúctil por desgarre, por sobrecarga. Cuando la dureza es de 30-40 RC, el agrietamiento y la fractura súbita será dúctil a flexión. Y con durezas mayores a 50 RC la fractura súbita será frágil. Dientes con núcleos en el orden de 20-30 RC y capas con 55 RC o mayores, tenderán a agrietarse de manera súbita mixta. En general las superficies de fractura por fatiga de los dientes, mostraran dos zonas diferenciables, la de nucleación y crecimiento estable de grietas en servicio, y la zona de fractura final, esta última se forma cuando el dente es incapaz de seguir soportando la flexión, después del agrietamiento por fatiga. Las orientaciones de las superficies de agrietamiento y fractura, pueden diferir de las generales, ya que en el estado real de esfuerzos se denotan concentraciones de carga, evidencia del agrietamiento en un solo lado del engranaje.
10.3. FALLAS POR DESGASTE En estas fallas se pierde la geometría del perfil del diente, producto de la deformación plástica y la remoción superficial del material, por la acción mecánica de las fuerzas de contacto o rodadura, y del deslizamiento que se da entre los dientes.
Si durante el proceso de engrane entre los dientes, entran en contacto sus irregularidades superficiales, se podrá generar adhesión entre estas. Esta adhesión con el movimiento provoca deformación y ruptura de las asperezas, principalmente del diente que tenga menor dureza, desgaste adhesivo. En las primeras etapas del desgaste se genera un aspecto abrillantado o pulido en las zonas de contacto, pasando a deformación superficial y arrastre de material en etapas posteriores o por mala lubricación, estas últimas generan calor, degradación del aceite y fusión de los dientes.
Cuando la superficie de los dientes en contacto es mecanizada, por la presencia de partículas en el lubricante (desgaste de tres cuerpos), es decir a través de deformación plástica y corte, es arrancado material de las superficies, se habla de desgaste abrasivo. Las superficies en este caso muestran un patrón de rayado o surcos en la dirección del deslizamiento, consecuencia del arranque del material por mecanizado; se presenta en caso de que la rugosidad superficial de los dientes sea superior al espesor de la película del lubricante, por lo que las protuberancias hacen labor de mecanizado.
Las cargas de contacto entre los dientes son cíclicas, lo que produce grietas por fatiga en la superficie de contacto de los dientes o cerca de ella, las cuales al crecer se encuentran y generan desprendimientos de material.
Por adhesión cíclica en condiciones de lubricación de capa limite, se favorece el agrietamiento superficial y de poca profundidad (micrómetros), esto genera pérdidas de material a pequeña escala, micropicado. Si la película del lubricante es completa se minimiza el contacto entre las irregularidades superficiales, por lo que los esfuerzos máximos se producirán bajo la superficie (milímetros), favoreciendo el agrietamiento subsuperficial, que desencadena desprendimiento, dejando cavidades perpendiculares a la superficie, picaduras. Por lubricación insuficiente o por el tipo de engranaje (hipoidal), se tienen fuerzas deslizantes severas, que favorecen el agrietamiento superficial por fatiga perpendicular a la dirección del deslizamiento, generando grandes desprendimientos, macropicaduras. El micropicado y macropicado se concentra en los adendos y dedendos, mientras que el picado se distribuye de manera homogénea en el flanco.
10.4. FALLAS POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA Cuando se desarrollan fuerzas de contacto o deslizantes excesivas entre los dientes engranados, los esfuerzos superan la fluencia, bien sea a nivel superficial o por flex ión, lo cual genera deformación plástica, perdiéndose la geometría del perfil del diente.
Si la carga aplicada entre los dientes, hace que los mismos se doblen, se hablará de deformación plástica a flexión. La deformación plástica pos identación se da cuando en la zona de engrane quedan atrapados elementos extraños o fragmentos de dientes producto de fatiga superficial o fractura, y/o fibras o partículas finas introducidas por contaminación o producto del desgaste en otras zonas. Si las fuerzas deslizantes son grandes con respecto a la resistencia al flujo superficial del material de los dientes, es posible que el perfil se aplaste y se arrastre material, generando lo que se conoce como laminado de perfil, que se concentran en el adendo y el dedendo cuando se trata de dientes rectos y helicoidales. El acanalado se genera en engranajes que manejan alta carga y baja velocidad, producto del flujo superficial del material del perfil a pequeña escala, donde se generan surcos paralelos a la dirección del deslizamiento. En estos mismos engranajes el flujo plástico genera un patrón de olas, perpendicular a la dirección del deslizamiento, que se define como arrugamiento. Cuando el material desplazo por la deformación plástica se acumula en la cabeza o en las caras laterales de los dientes, generando rebababas
10.5. FALLAS POR CORROSIÓN En estos casos se produce perdida de la geometría del perfil del diente, por remoción superficial del material debido a la acción del medio ambiente y/o lubricante. La corrosión puede ser atmosférica, por salpique de agua u otras sustancias dentro de la maquina o por la acción de un lubricante contaminado o degradado.
En las zonas de contacto de los dientes se concentra el lubricante u otros contaminantes, que promueven la corrosión uniforme o por picadura. El fluido corrosivo también se puede infiltrar en el eje y el cubo del engranaje, provocando corrosión, y sus productos generan un ajuste adicional. En la corrosión por agua los productos generados son naranjas o rojizos, mientras que la corrosión por lubricante o sobretemperatura, los productos son oscuros.
10.6. FALLAS POR LUDIMIENTO EN LA SUPERFICIE INTERNA DEL CUBO El ludimiento es una forma de desgaste, que se da en las zonas de apoyo de los engranajes sobre los ejes, donde se espera no haya movimientos relativos y por ellos se especifican ajustes a presión. Sin embargo en ciertas circunstancias se generan micro movimientos cíclicos, los cuales deforman y desprenden material, el cual se oxida y lleva a la abrasión; en las zonas se presentan marcas oscuras. Si las manchas no están sobre la superficie de apoyo, ello indica errores de forma (contacto no homogéneo).
10.7. FALLAS POR RIGIDEZ Y VIBRACIÓN Se presenta por baja rigidez, cuando las deflexiones torsionales sean muy elevadas, no conlleva a fallas catastróficas pero si a mal funcionamiento, repercutiendo en el posicionamiento angular de los engranajes. El principal modo de falla por vibración, es los altos niveles torsionales del mismo; los cuales pueden ser excitados por oscilaciones en el torque propias de la maquina o por la frecuencia del engrane.
10.8. SITUACIONES QUE ACELERAN LA APARICIÓN DE LOS DIFERENTES MODOS DE FALLA Un factor crítico es la calidad de la manufactura, para engranajes grandes que trabajan a bajas velocidades no requieren tolerancias estrechas, se fabrican mediante fundición o mecanizado con fresa; mientras que engranajes a alta velocidad necesitan un alto grado de precisión dimensional con pasos adicionales de rectificado y pulido.
Engranajes de baja calidad en aplicaciones de alta exigencia dimensional, promueven la aparición prematura de modos de falla como la fractura por fatiga, o los diferentes tipos de desgaste y deformación plástica. La calidad de la fabricación también incide en el grado de desbalanceo, y por ende el nivel de vibraciones transversales que alcance todo el sistema rotor. Posterior a los tratamientos térmicos es necesario realizar rectificados y pulidos, en engranes de alta calidad, pues generan cambios dimensionales.
Cuando los adendos tienden a traslaparse con los dedendos, se presenta interferencia. Lo que acelera el desgaste y la deformación plástica en las zonas de interferencia, siendo más crítico en el dedendo, pues el adelgazamiento de la base disminuye la resistencia a l a fractura por flexión. La interferencia se presenta cuando: a) Se escogen engranajes de diámetro muy pequeño y dientes muy grandes b) No se usan dientes de alturas desiguales entre piñón y engrane c) Se tenga excesiva presión radial entre los engranajes y/o una distancia muy corta entre centros d) Grado de calidad e fabricación muy bajo, con grandes errores de forma e) Se engranen dos engranajes de diferentes calidades de fabricación La concentración de la carga se da cuando en un lado del engranaje se soporte la carga, y se debe a, 1) Bajo grado de calidad en la fabricación de los engranajes 2) Poner a trabajar dos engranajes de diferentes calidades de fabricación 3) Desalineamientos de los ejes o carcazas que soportan a os engranajes 4) Mal montaje del engranaje sobre el eje.
10.9 CAUSAS FISICAS DE LOS DIFERENTES MODOS DE FALLA El tiempo de vida de un engranaje, corresponderá al menor entre, 1) La vida o fatiga subsuperficial de los fl ancos 2) La vida a fractura por fatiga en pie de diente En la grafica es posible localizar las combinaciones de carga y velocidad que favorecen la ocurrencia de los principales modos de falla. - En la región 1 se tiene que los engranajes no giran a una velocidad suficiente, que permita desarrollar una película lubricante apropiada, la cual separe de manera efectiva a las superficies. Por lo que se pueden desarrollar desgastes de los tipos adhesivos y/o abrasivos de dos cuerpos. - La región 2 reúne condiciones de operación ideales, cuando se desarrolla una película lubricante apropiada. - En la región 3 se puede generar desgaste adhesivo severo, ya que las altas velocidades generar calor excesivo, que debilita y rompe la película lubricante. - En la región 4, se presenta falla por fatiga subsuperficial prematura - En la región 5, se favorece la falla por fatiga en pie de diente
Las causas físicas más comunes por las que fallan los engranajes son por deficiencias en, a) El diseño b) El material c) La fabricación d) El transporte y almacenamiento e) El montaje f) La operación g) El mantenimiento
10.9.1 causas de las fallas por agrietamientos y fracturas Causas físicas que desencadenan agrietamientos o fracturas súbitas, en la base de dientes de engranajes son: 1) Presencia de concentradores de esfuerzo severos en pie de dientes 2) Sobrecarga por elevado torque que sobrepasa la resistencia ultima de los dientes en su base. 3) Discontinuidades o inhomogeneidades o baja resistencia ultima del material 4) Trabamiento de la maquina o impactos 5) Sobrecarga localizada por concentración de carga 6) Adelgazamiento de la base de los dientes por i nterferencia 7) Calidad de fabricación inferior a la necesaria 8) Sobrecalentamiento del sistema que baje la resistencia ultima de los dientes 9) Alta distancia entre centros de los engranajes Factores que favorece la ocurrencia de un agrietamiento o fractura súbita frágil, de los dientes en su base son, 1) Uso de un material del engranaje con comportamiento intrínsecamente frágil 2) Elevada dureza de la capa de endurecimiento superficial y/o núcleo 3) Espesor de la capa muy alto La ocurrencia de la fractura dúctil se favorece para;
a) Materiales con comportamiento intrínsecamente dúctil b) Baja dureza de la capa de endurecimiento superficial y/o núcleo c) Espesor de la capa bajo Causas físicas que desembocan en agrietamientos o fracturas por fatiga, en base de dientes son, 1) Presencia de concentradores de esfuerzo severos en pie de dientes 2) Discontinuidades o inhomogeneidades o baja resistencia a fatiga del material 3) Baja dureza de la capa de endurecimiento superficial y/o núcleo. 4) Espesor de capa bajo 5) Ausencia de capa de endurecimiento superficial cuando es necesaria 6) Sobrecarga en operación del elemento 7) Vibraciones torsionales excesivas del disco del engranaje y/o de todo el sistema rotor. 8) Sobre carga previa por encima del esfuerzo de fluencia del diente a flexión 9) Sobrecarga localizada por concentración de carga 10) Adelgazamiento de la base de los dientes por interferencia 11) Calidad de fabricación inferior a la necesaria 12) Sobrecalentamiento del sistema que baje la resistencia a fatiga de los dientes 13) Alta distancia entre centros de los engranajes Los agrietamientos y fracturas por fatiga, que se origina desde la cara de engrane de los dientes, se desencadena por, 1) Presencia de macropicado severo 2) Espesor de capa endurecida insuficiente en el flanco
10.9.2 Causas de fallas por pérdida del perfil del diente mediante desgaste El desgaste adhesivo se favorece por, 1) Lubricante inapropiado por baja viscosidad y/o falta de aditivos de extrema presión, cuando son necesarios. 2) Lubricación innecesaria por bajo caudal, alta temperatura, falla en el sistema de lubricación y/o baja velocidad 3) Degradación del lubricante por sobretemperatura y/o contaminación por otros fluidos 4) Cargas de servicio mayores a las esperadas 5) Sobrevelocidad 6) Baja dureza de la capa endurecida o su ausencia 7) Excesiva presión radial o baja distancia entre los centros. El desgaste abrasivo de tres cuerpos de los flancos de los dientes se debe a, 1) Contaminación del lubricante con partículas abrasivas 2) Contaminación del lubricante con partículas metálicas 3) Daños o problemas en sellos y/o filtrado del sistema de lubricación 4) Montaje y/o mantenimieto inapropiado 5) Baja dureza de la capa endurecida o su ausencia El desgaste abrasivo de dos cuerpos se puede presentar entre los dientes, si 1) La rugosidad superficial es mayor que el espesor de la película lubricante 2) Diferencia marcada de durezas entre los dos engranajes 3) Lubricación deficiente por baja viscosidad, bajo caudal o baja velocidad 4) Baja dureza de la capa endurecida o su ausencia
La fatiga subsuperficial prematura se debe a, 1) Momento torsor superior al esperado 2) Excesiva presión radial o baja distancia entre los centros. 3) Alto nivel de golpeteo entre los dientes engranados 4) Mala lubricación 5) Presencia de daño previo o cambio de geometría superficial 6) Degradación o contaminación del lubricante con otros fluidos 7) Baja dureza de la capa endurecida o su ausencia 8) Alto contenido de inclusiones en el acero del engranaje El micropicado bajo cargas normales, está asociado en condiciones de lubricación deficientes como, 1) Cantidad insuficiente de lubricante 2) Temperatura de trabajo alta, que baja la viscosidad del lubricante 3) Ausencia de aditivos de extrema presión cuando son necesarios 4) Contaminación del lubricante con otros fluidos Todas las formas de desgaste aceleran su aparición, cuando se tenga, 1) Sobrecarga localizada por concentración de carga 2) Interferencia 3) Calidad de fabricación inferíor a la necesaria 4) Sobrecalentamiento del sistema 5) Desbalanceo del disco del engranaje 6) Vibraciones transversales de todo el sistema rotor
10.9.3 Causas de fallas por pérdida del perfil del diente por deformación plástica La deformación plástica a flexión de los dientes se produce por, 1) Presencia de concentradores de esfuerzos en pie de dientes 2) Sobrecarga por elevado torque que sobrepasa la resistencia a la fluencia 3) Trabamiento de la maquina o impactos 4) Sobrecarga localizada por concentración de esfuerzos 5) Adelgazamiento de la base de los dientes por i nterferencia 6) Calidad del engranaje inferior a la necesaria 7) Sobrecalentamiento del sistema que baje la resistencia a la fluencia de los dientes 8) Alta distancia entre centros de los engranajes 9) Baja dureza de la capa endurecida y/o núcleo 10) Ausencia de la capa de endurecimiento superficial cuando es necesaria La deformación plástica por indentación se puede deber a: 1. Contaminación del lubricante con partículas del medio 2. Contaminación del lubricante con partículas metálicas 3. Problemas en sellos y/o filtrado del sistema de lubricación 4. Montaje y/o mantenimiento inadecuado por falta de limpieza 5. Consecuencia de la fractura total o parcial de dientes El laminado y la formación de rebabas en los flancos de los dientes, es favorecido por, 1) Elevadas cargas de contacto o deslizantes 2) Impactos 3) Bajas velocidades de operación
4) Condiciones de lubricación de capa limite 5) Baja dureza de la capa de endurecimiento superficial y/o núcleo 6) Ausencia de la capa de endurecimiento superficial cuando es necesaria 7) Sobrecarga localizada por concentración de carga 8) Alto deslizamiento en las zonas de interferencia 9) Calidad de fabricación del engranaje inferior a la necesaria 10) Sobrecalentamiento del sistema que baje la resistencia a la fluencia de los dientes. 11) Desbalanceo del disco del engranaje o de todo el sistema rotor 12) Vibraciones transversales de todo el sistema rotor La aparición del acanalado y el arrugamiento se favorece por, 1) Elevadas cargas de contacto y deslizantes 2) Bajas velocidades de operación 3) Condiciones de lubricación de capa limite o ausencia de aditivos 4) Sobrecarga localizada por concentración de carga 5) Alto deslizamiento en las zonas de interferencia 6) Calidad de fabricación del engranaje inferior a la necesaria 7) Sobrecalentamiento del sistema que baje resistencia a la fluencia de los dientes.
10.9.4 Causas de fallas por pérdida del perfil del diente mediante corrosión Las fallas por corrosión se pueden deber a, 1) Almacenamiento inapropiado, con alta humedad relativa y sin lubricantes 2) Grandes vibraciones de temperatura en la maquina que favorecen la condensación 3) Problemas en sellos del sistema de lubricación 4) Uso de lubricante inadecuado 5) Degradación del lubricante por sobretemperatura y/o contaminación
10.9.5 Causas de fallas por ludimiento en la superficie interna del cubo El ludimiento en las caras de apoyo del cubo del engranaje sobre el eje se genera por, 1) Ajuste muy holgado 2) Errores de forma en el eje o en la superficie interna del cubo 3) Deflexiones y/o deformaciones excesivas del eje bajo carga 4) Presencia de líquidos, lubricante o partículas entre las superficies ajustadas 5) Malos procedimientos de montaje o desmontajes 6) Nivel de vibraciones excesivo de la maquina
10.9.6 Causas de fallas por rigidez y vibración La baja rigidez torsional del disco de un engranaje se puede deber a, 1) Selección inapropiada de espesores en las diferentes partes del engranaje 2) Cargas torsoras excesivas 3) Presencia de discontinuidades en el material que bajan su rigidez Altos estados vibratorios torsionales de un engranaje se pueden deber a, 1) Diseño inadecuado de la pieza 2) Uso de una velocidad de rotación diferente a l a nominal 3) Frecuencia de generación de picos de torque 4) Modificaciones del engranaje o de todo el sistema rotor durante operación y/o mantenimiento
