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Las fallas en los engranajes

En este artículo se presenta un resumen de la forma en quetrabajan los engranajes de evolvenle haciendo énfasis en lascaracteristicas de la rodadura y el deslizamiento que sesuceden a través del engrane y su influencia en las fallas de losdientes. Se analizan las principales formas de falla, sus causasy la forma en que pueden ser evitadas.

Este articulo es extractado del trabajo: Funcionamiento yanálisis de fallas de los engranajes que fue presentado en las"Terceras Jornadas Nacionales sobre Mantenimiento" orga-nizadas por ACIEM - Cundinamarca y obtuvo el segundopremio MVA a la Ingeniería de Mantenimiento.

LUIS EDUARDO BENITEZ HERNANDEZIngeniero MecánicoProfesor AsociadoUniversidad Nacional de Colombia

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FIGURA 1. Evolvente

Cilindro de base

FIGURA 2. Evolvente

El objetivo fundamental de una transmisión pormedio de ruedas dentadas es transmitir un movi-miento con una relación constante de velocidadesPara lograrlo se le puede dar a los perfiles de losdientes una forma tal que se garantice el cumpli-miento de esta condición Se pueden utilizar losperfiles cicloidales. de evolvente y de Nóvikov Elmás utilizado universalmente es el perfil de evolven-te de círculo, que es la curva descrita por un punto

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FIGURA 3. Construcción de la línea de engrane por puntos.

deuna recta generatriz que rueda sin deslizar sobreun círculo llamado círculo base (Figura 1) Tambiénse puede decir que la evolvente es la curva descritapor el extremo de una cuerda que se desenrrolla delcirculo base (Figura 2)

LINEA DE ENGRANESupongamos que en un Instante determinado losdientes de dos ruedas están en contacto en el puntoO (Figura 3). Al girar la rueda 1, también gira la rueda2. Los dientes de ambas ruedas se mueven y sucontacto se produce en nuevos puntos 1, 2, 3, etc.Al unir estos puntos por una curva suave se obtienela llamada "línea de engrane". Podemos definir lalínea de engrane como el lugar geométrico de lospuntos de contacto de los dientes de dos ruedas enun plano fijo. Esta línea por lo general pasa por elpunto primitivo.Cuando se trata de engranajes de evolvente (Flgul"a4) la línea de engrane es una línea recta y coincidecon la normal NN a los perfiles de los dientes. Estalínea pasa por el punto primitivo P y forma con laperpendicular a la línea de centros el ángulo allamado ángulo de presión. La trayectoria delcontacto es la recta AB y dado que AB es la líneageneradora de la evolvente de cada rueda, seránormal a los perfiles en todos los puntos decontacto y además ocupará siempre la mismaposición en virtud de que es tangente a los doscírculos base.

FUNCIONAMIENTO DE LOS ENGRANAJESDE EVOLVENTE

En la Figura 5 se puede observar el funcionamientode dos engranajes encastrados. La línea AB es latrayectoria del contacto que, como ya se dijo. en losengranajes de evolvente es una línea recta. El iniciodel contacto (punto a) ocurre donde el círculo deadendo del engranaje conducido corta la línea ABque también se conoce como línea de acción y el findel contacto (punto b) está en la intersección delcírculo de adendo de la rueda conductora con lamisma línea de acción. La línea ab se conoce comolongitud de acción. En el tramo aP se efectúa laacción de aproximación yen el tramo Pb se efectúala acción de receso o de alejamiento La experiencia

N

Cilindro de base

Cilindro de base

FIGURA 4. Línea de engrane

Indica que la fricción entre los dientes es menordurante el receso que en la aproximaciónEl perfil conductor corta su círculo primitivo al inicioy al final del contacto en los puntos d y erespectivamente: al arco de se le llama arco deacción Para la rueda cond ucida el arco de acción esfg Estos dos arcos deben ser siempre Iguales paraque exista rodadura pura en los círculos primitivosLos arcos dP yfP son los arcos de aproximación y losarcos Pe y Pg son de alejamientoLas longitudes de los dos arcos de entrada sonIguales lo mismo que los de salida, pero laslongitudes de los arcos de entrada y de salida paracada rueda no son necesariamente Iguales.

Engranaje 2

C

r,

Engranaje 1 (motor)

FIGURA 5. Funcionamiento de los enqranajas de svolvente

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Una característica Importante del arco de acción esque nunca debe ser menor que el paso circular, yaque una pareja de dientes cesaría el contacto antesde que la siguiente lo iniciase y no existiría lacontinuidad que se necesita en este tipo detransmisión. Los ángulos () son los ángulos eleacción. los ángulos f3 son de aproximación y los yson de alejamiento.Durante el engrane se presentan momentos en quehay dos parejas de dientes en contacto y otros en loscuales una sola pareja hace contacto. Es importante

conocer bien estos últimos puntos ya que éstopermite estimar la capacidad de carga de losdientes.

En la Figura 6 se observan cinco etapas del contactode los dientes de una pareja de ruedas dentadas. Enel primer cuadro se muestra el primer contacto (O-O)entre dos dientes cualesquiera: se ve que lapareja anterior de dientes todavía está en contacto.En el segundo cuadro el contacto ha avanzado a laposición 3-3, que es aproximadamente el comienzo


FIGURA 6. Contacto de los dientes de evolvente.

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termina su contacto (último cuadro) haydos parejasde dientes soportando la carga; luego viene laregión de contacto de un par y este ciclo se repite -continuamente para todas las parejas de dientes.

DESLIZAMIENTOLos perfiles de las curvas de evolvente ruedanacompañados de un deslizamiento. La velocidad dedeslizamiento Vd en un punto cualquiera delengrane está dada por

Siendo W1 y W2 las velocidades angulares de larueda y el piñón, respectivamente, P el puntoprimitivo y PM la _distancia de este punto al decontacto medido sobre la línea de engrane. Se usa

FIGURA 7. Velocidad de deslizamiento para engranajes rectos, cónicos el signo (+) en engranajes exteriores y el Signo (-) eny helicoidales. engranajes Interiores.

Las Figuras 7, 8 Y 9 muestran cómo se presenta eldeslizamiento en los diferentes tipos de engranajes.Como caso especial se debe tener en cuenta que eldeslizamiento en los engranajes sinf in-cor ona estáa lo largo del diente, lo cual dificulta la formación deuna buena película lubricante. En los engranajeshipoidales se presenta este mismo fenómeno peroen menor escala.

FIGURA 8. Diagrma de velocidades en los engranajes cruzados.

2

IIII

-"'1,~

V" V2: velocidades periféricas deltornillo sin fin y la rueda, res-pectivamente.

Vd: velocidad de desplazamiento.V,

Vd =_cosil

FIGURA 9. Diagrama de velocidades en el engrane tornillo sin fincorona.

del contacto de una sola pareja de dientes ya que lapareja anterior está terminando su contacto.El tercer cuadro muestra el contacto en la posición4-4 que corresponde al punto primitivo. El cuartocuadro muestra el avance del contacto a la posición5-5 que corresponde al final del contacto de unasola pareja de dientes ya que la siguiente lo estáiniciando en este momento. Desde este momentohasta cuando la pareja que ha venido observando

La Figura 10 muestra un resumen de la forma en quese presentan el deslizamiento (S) y la rodadura (R) alo largo de toda la trayectoria de engrane de las dosruedas.

La Figura 11 muestra cómo varían las velocidadesen las dos ruedas y cómo se obtiene la velocidad dedeslizamiento para toda la trayectoria del engrane.En la parte superior se muestra cómo varían lascargas sobre los dientes. Se observa un aumentorepentino en el punto más bajo de contacto de unasola pareja de dientes y una disminución en el puntomás alto de una sola pareja de dientes, ya que allínuevamente hay dos parejas que están repartiéndo-se la carga

En la figura 12 se comparan las velocidades dedeslizamiento en los engranajes helicoidales ehipoidales. En éstos últimos siempre hay desliza-miento presente y se debe al descentr arniento de losejes. Esta situación es aún más crítica en losengranajes sinfin-cor ona ya que presentan elmáximo descentramiento admisible.

FALLASLas formas en que puede fallar un engranaje sonmuy diversas, pero pueden determinarse con undetenido análisis ya que cada tipo de falla deja unapista característica en los dientes. Se puedendistinguir CinCO tipos de fallas a saber

DesgasteFatiga superficialFlUJO plásticoRotura de los dientesFallas combinadas


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Comienzo del contacto

~ida

---

Final del contacto

Condu~

Conductora

Dirección del deslizamiento"Dirección

dela Sobre la raíz" Sobre la cabeza" Con respectorodadudra" (Debajo de la L.P.) (Encima ce la L.P) a la L. P.

Conductora Arriba Abajo Arriba Alejándose

Conducida Abajo Arriba Abajo Acercándose

• Arriba, acercándose a la cresta. Abajo, acercándose a la raíz.• Deslizamiento negativo - la rodadura y el deslizamiento son en sentidos opuestos.+' Deslizamiento positivo - la rodadura y el deslizamiento son en el mismo sentido.

FALLAS POR DESGASTE

FIGURA 10. Movimientos en el engrane.

El desgaste se puede definir como el deterioro quesufren los dientes y por el cual son removidos de sussuperficies capas de metal de manera más o menosuniforme. Esta clase de desgaste reduce el espesordel diente y causa muchas veces grandes cambiosen el perfil del mismo. Las causas más comunes deldesgaste en los dientes de los engranajes son, elcontacto de metal contra metal por fallas de lapelícula lubricante entre los dientes, la presencia departículas abrasivas en el aceite, desplazamiento dela película de aceite en el área de contactoocasionando un desgaste rápido o la formación deestriado y el desgaste de orígen químico provocadopor la composición del aceite y de sus aditivos.Existen diferentes tipos de desgaste entre los cualesse pueden nombrar:

Desgaste pulimentadoAquí las rugosidades características del proceso detrabajo a máquina son sometidas a un proceso deasentamiento de los engranajes (período de ajuste).


en donde las superficies se ajustan y se pulen entresí. Este pulimentado se causa por un contactometal-metal durante la operación; ocurre en aplica-ciones de baja velocidad y de lubricación cercana ala límite. Cuando una película de aceite entre dossuperficies es más delgada que la altura combinadade las irregularidades sobre las superficies opues-tas ocurre contacto metálico. Esta condición seconoce como lubricación límite o a película del-gada. Este desgaste no es necesario evitarlo ycuando se ha logrado, se debe utilizar un lubricantede mayor viscosidad, reducir la temperatura deoperación y lograr una reducción sustancial de lacarga.

Desgaste moderado y excesivoEn el desgaste moderado se observa que hayremoción de metal en el adendo y dedendo deambas superficies, mas no en la línea de paso quepermanece intacta. La presencia de este tipo dedesgaste se debe a que los engranajes trabajan conlubricación límite o existe contaminación en ellubricante. Este desgaste puede avanzar a excesivo

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FIGURA 11. Condiciones del contacto para engranajes rectos.

1 /o /q,'"u ¡fifc:Q) ."tIu /9.°<{ /~

Círculo /primitivo

\Círculo <,base o - _...•..-

u Velocidad dec: desli·zamientoQ)

Diente uQ)

o,FIGURA 12. Deslizamiento sobre los dientes de los engranajes.

FIGURA 13. Desgaste excesivo.

FIGURA 14. Desgaste abrasivo.

FIGURA 15. Desgaste abrasivo.

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con una rata de progreso tal que no se cumplirá lavida de diseño del engranaje. Los dientes presentanuna considerable cantidad de material removido enla superficie (Figura 13). En este tipo de desgaste lalínea de paso queda pronunciada y se presenta elpeligro de picaduras. También se destruye el perfiloriginal del diente creándose elevadas cargasdinámicas sobre los dientes. Este desgaste puedeser causado por una película de lubricante muydelgada para la carga aplicada. por la presencia definas partículas abrasivas en el lubricante o cargasde vibración severas.

Desgaste abrasivoSe pude distinguir por dejar zonas planas y gastadasque interrumpen el perfil del diente. Comienza en laparte inferior de contacto de un solo diente. terminaen la línea de paso y comienza de nuevo allí paraterminar en el punto de contacto más alto deun solo diente. Se presenta así por las eleva-das cargas que se suceden en esos sectores ypor el grado de deslizamiento que se produce. Loslomos prominentes en la línea de paso y cerca delpunto inferior de contacto identifican el desgasteabrasivo. También se puede identificar por rayas omarcas radiales en la dirección del deslizamiento delos dientes (Figuras 14 y 15).Este desgaste se produce por la presencia deelementos extraños en el lubricante: por tanto.cuando se observan las huellas características deeste desgaste. se deben revisar los filtros. compro-bar si hay sedimentos en el compartimiento dellubricante y en fin. hacer los cambios de aceitetratanto de desalojar todo elemento extraño quepueda convertirse en elemento abrasivo.

Desgaste corrosivoEs un deterioro de la superficie por acción química.Se caracteriza por una gran cantidad de picadurasmuy pequeñas distribuidas uniformemente sobre lasuperficie de trabajo del engranaje. Estas picadurasse deben a la afinidad por el vapor de agua dealgunos aditivos de los aceites de extrema presión(E.P) y a la acción de otras sustancias demasiadocorrosivas.

Desgaste adhesivoTambién se le conoce como escoriado. Es undesgaste muy rápido de los dientes que se causa porgrandes fuerzas adhesivas desarrolladas por elcontacto de los dientes. Cuando la película de aceiteno previene el contacto de las superficies enengrane. ocurre del desgaste adhesivo. Debido a larugosidad superficial de los dientes hay puntos deuna superficie que tocan puntos de la otra. Estecontacto metal-metal origina altas temperaturaslocalizadas en los puntos de contacto resultando enel solda miento de las dos superficies. Como elmovimiento deslizante continua. las superficiessoldadas se rompen y apartan: sin embargo. elrompimiento no tiene lugar en la interfase original.Las partículas de desgaste se adhieren a la superfi-cie a la cual son transferidas y eventualmente serompen. Después de repetidos ciclos del procesode soldadura y fractura. la superficie se deteriora yel46 Ingenieria e Investigación

desgaste se acelera. El escoriado generalmenteocurre cerca a la cabeza del diente del piñón dondela carga del diente y la velocidad de deslizamientoson mayores. El lubricante puede tener un marcadoefecto en el escoriado. Para prevenirlo el aceitedebe tener suficiente viscosidad para mantener unapelícula lubricante. Es más deseable una película dealta resistencia. Los aditivos de extrema presiónpueden prevenir el escoriado.No obstante que el escoriado se inicia por fallas delubricación. existen muchos otros factores indepen-dientes del aceite capaces de influir en la resistenciafinal de las superficies engranantes. entre las quefiguran la presión entre las superficies de engranede los dientes. las propiedades de los materiales. losacabados y tratamientos aplicados a las superficiesy las velocidades de fricción entre dichas superfi-cies. Las fallas por escoriado son de difícil análisis yse pueden presentar en varias formas:

FIGURA 16. Rayado severo.

Rayado y escoriadoSon deterioros por frotamiento. Se reconoce por lapresencia de un número de rayas ligeras o peque-ñas zonas de atascamiento en la superficie deldiente (Figura 16). Estas rayas por lo general sedeben a puntos altos en la superficie correspon-diente entre los dientes de los engranajes. Lafricción entre estos puntos crea elevadas tempera-turas locales que evitan la formación de la películade aceite. En el contacto resultante de metal a metal.los puntos en relieve se desgastan y la carga sedistribuye más uniformemente en la superficie delos dientes.

FIGURA 17. Escoriado destructivo.

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El rayado y el desgaste asociados a menudoconducen a picaduras serias, indicando que ellubricante no es apropiado para las cargas yvelocidades a que se está sometiendo. Las picadurasse deben controlar ya que pueden conducir aaverías serias en el diente.

Escoriado moderadoSe observa en los dientes en forma de parches sobreel adendo. el dedendo o ambos.

Escoriado destructivoMuestra rayas radiales muy definidas y marcas dedesgarramiento en la dirección del deslizamiento(Figura 17) Algunas veces el material ha sidoremovido radial mente sobre la punta de los engra-najes: además hay indicios de que ha habidoremoción de material arriba y abajo de la línea depaso, la cual se nota pronunciada El perfil sedestruye por completo y el engranaje queda inservi-ble. Se debe utilizar lubricantes que soporten máscarga, velocidad y condiciones de alta temperaturadel engrane. Se pueden agregar aditivos de extremapresión.

Escoriado localizadoSimilar al escoriado moderado.

FATIGA SUPERFICIALEsta falla ocurre incluso con lubricación adecuada yuna película ininterrumpida de aceite: es el resulta-do de esfuerzos repetidos en la superficie delengranaje hasta que se forma una grieta en lasuperficie o cerca de ella. La grieta aumentaprogresivamente hasta que se rompe un pequeñopedazo del engranaje y deja una picadura en lasuperficie. Como esto ocurre después de muchosmillones de ciclos de esfuerzo, las fallas por fatigapor lo general resultan evidentes solo después deprolongados servicios. Esto contrasta con el des-gaste y la escoriación que pueden comenzar enforma rápida

Perfiles originales

Grietas en lasuperficie

Relieve de /;metal "x

Los engranajes que funcionan con carga desarro-llan esfuerzos superficiales constantes y SI lascargas tienen la suficiente intensidad y el ciclo deesfuerzos se repite con bastante frecuencia, sobre-viene la fatiga en algunos fragmentos de metal en lasuperficie, dando origen a las picaduras La falla porfatiga muestra la superficie marcada por pequeñaspicaduras que se pueden descubrir al frotar lasuperficie con un objeto afilado. En los casosavanzados, las picaduras se extienden y se conectanproduciendo fallas por escoriación.Hay diversos lugares propicios para el picado. Lospiñones helicoidales de dureza media y de 20 o másdientes se pican a lo largo de la línea primitiva Larueda también se puede picar, pero si tiene unadureza cercana a la del piñón y tiene el mismotratamiento térmico, será este último el que presen-te mayor picado: hay dos razones para esto: el piñónes ordinariamente el conductor y los sentidos deldeslizamiento se alejan de la línea primitiva, no así en elconducido donde estos se acercan hacia la líneaprimitiva.La Figura 18 muestra cómo el movimiento deslizan-te en el conductor tiende a empujar el metal haciaafuera de la línea primitiva. Esta deja la líneaprimitiva más alta y también tiende a estrechar elmetal en ella. En la rueda, el deslizamiento tiende acomprimir el metal en la línea primitiva Las grietasque se forman cuando una superficie es severamen-te cargada tienden a intersectarse en la líneaprimitiva del cond uctor. mientras en el conducidono sucede esto. Además, el piñón, siendo máspequeño, tiene más ciclos de operación que larueda. La pendiente de la curva de fatiga hace laparte con mayor número de ciclos la más apta parafallar. Cuando la rueda conduce al piñón y tiene sumisma dureza, ésta tiende a picarse primero.En las puntas y raíces de los dientes hay dos paresde éstos compartiendo la carga. En muchos casos elmáximo esfuerzo de Hertz calculado (esfuerzocompresivo) ocurrirá en la posición más baja del

Metal/ sobresaliente

Máxima cantidadde metalperdido

Curvaturacóncava

Note como coinciden el daño y los sentidos de deslizamiento.Daño típico de perfiles del diente.

FIGURA 18. Efectos de los sentidos de deslizamiento sobre la superficie del diente.


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piñón donde una pareja de dientes soporta toda lacarga. Si este esfuerzo es mucho mayor que el de lalínea primitiva. puede ocurrir picado en esta región.Debido a los efectos del deslizamiento. las condicio-nes en este punto no son muy difíciles y el picado nopartirá de aquí a menos que la diferencia entre losesfuerzos de este punto y la línea primitiva seasignificativa.El esfuerzo de Hertz máximo en la rueda ocurrirá ensu adendo. ya que es el que entra en contacto con eldedendo del piñón. El piñón suele tener mayortendencia a picarse en el dedendo y la rueda en eladendo.Los ensayos hechos muestran que las superficies delos engranajes son más aptas a fallas cuando eldeslizamiento tiene una dirección negativa quecuando es positiva (véase Figura 10). El desliza-miento negativo ocurre 'en el dedendo del piñón y larueda. mientras que en las regiones del adendo eldeslizamiento es positivo.Para piñones pequeños el radio de curvatura delperfil de evolvente en el círculo base es cero.Significa que los esfuerzos en la superficie tienden ainfinito (aun cuando hay dos pares de dientessoportando la carga). El resultado de transmitir unacarga elevada cerca del círculo base es un rápidomartilleo y el picado del metal hasta que esta regióncrítica no soporte una carga apreciable.La presencia de picaduras generalmente significaque el diseño del engranaje no corresponde a lacapacidad de carga que se transmite; en casoscomo éste se puede aumentar la dureza superficial ocambiar el material por uno nitrurizado de altacapacidad de resistencia o por otro carburadosuperficialmente. En la mayoría de los casos se hacenecesario un rediseño del engranaje. La fatigasuperficial puede encontrarse en las siguientesformas:

Picado inicialSe presenta en pequeñas áreas sobreesforzadas ycuando se redistribuye la carga. el picado cesa. Se

FIGURA 19. Picado destructivo,


FIGURA 20. Fractura por picaduras.

puede presentar por errores en el perfil del diente.Irregularidades superficiales o pequeños desalinea-mientas del diente Estas causas se pueden corregirfácilmente.

Picado destructivoCuando se deja progresar el picado inicial. conside-rables porciones del diente desarrollan cráteres depicado de variadas formas y tamaños; esto resultade sobrecargas superficiales que no se alivian conel picado inicial. Este picado destruye el perfil deldiente (Figura 19) originando grietas de fatiga porflexión que conducen a la fractura del diente (Figura20), Esta falla se evita manteniendo la cargasuperficial abajo del límite de endurancia delmaterial o aumentando la dureza.

Desprendimiento o desconchadoEs una falla por fatiga metalúrgica que se manifiestacon el desprencJimiento de pedazos de metalrelativamente grandes de las superficies de losdientes. La superficie metálica de un diente deengrane tiende a deformarse elásticamente bajo lacarga transmitida y a formar ondulaciones que sedesplazan adelante y atrás de la línea de contacto.Estas ondulaciones se pueden observar cuando seven funcionar rodillos de hule cargados; con lassuperficies metálicas ocurre una acción semejante,El material está sujeto a esfuerzos de corte. decompresión y de tensión y el primero alcanza suvalor máximo a cierta distancia por debajo de lasuperficie. Generalmente estos esfuerzos se en-cuentran dentro de los límites estimados por eldiseño. Sin embargo. bajo ciertas condiciones.como desalmeamiento o sobrecargas. los esfuerzosde la subsuperfice pueden exceder el límite deresistencia del material. Como resultado. se desa-rrollan en la superficie cuarteaduras por fatiga queoriginan el desprendimiento de pedazos de metal,dejando picaduras de tamaño considerable. Losdesprendimientos ocurren con mayor frecuencia enun área relativamente pequeña abajo de la línea de

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FIGURA 21. Fatigay sobrecarga.

FIGURA 22. Fatiga.

paso. En esta área del piñón los esfuerzos superfi-ciales son mayores ya que un número menor de dien-tes se encuentra engranado; además. esta misma árease ve sujeta después a considerables esfuerzos detensión ocasionados por una carga lineal.En los engranajes cementados al carbono y templa-

dos. las picaduras y el desconchado revistengravedad. La probabilidad de desconchado esmayor que la de picado cuando se les somete afatigas severas. Si se desarrollan picaduras odesconchado en un engranaje de temple superfi-cial. estas progresan más rápido que en engranajesde dureza rectificable porque el daño se produce alo largo del límite entre la superficie templada y e!núcleo.

Rotura de la superficie templadaSe puede identificar en una etapa inicial por grietaslongitudinales en la superficie de trabajo del diente.aproximadamente paralelas a la línea de paso. Larotura de la superficie se debe a fallas del materialdel núcleo. La progresión de esta falla es muy rápidaya que en gran parte el material del núcleo se hafatigado antes de que aparezcan las grietas en lasuperficie. Los engranajes con indicio de esta fallase deben cambiar.Para solucionar esta falla se aconseja aumentar laprofundidad efectiva de la capa endurecida. aumen-tar la dureza en el núcleo del material. cambiar elmaterial básico en el tratamiento térmico o variar eldiseño si existen altos esfuerzos residuales.

FLUJO PLASTICOAunque el flujo plástico puede tomar varias formas.siempre es el resultado de cargar el engranaje porencima de la carga de deformación permanente delmetal en la zona de contacto. Si las cargas decompresión son elevadas o la vibración causacargas intermitentes altas que hacen las veces degolpe de martillo. la superficie de los dientes puedelaminarse o descamarse. Esta falla se presentacomo un flujo severo de material superficial queresulta en la formación de rebordes de alturairregular en los extremos y/o en las puntas de losdientes. Esta falla está asociada con la plasticidad delmaterial del engranaje. aunque frecuentementeocurre en engranajes con capa endurecida fuerte-mente cargados y engranajes endurecidos comple-tamente.

ROTURA DE DIENTESEsta falla resulta de sobrecargas o por ciclos deesfuerzo de los dientes más allá del límite deendurancia del material. Cuando un diente serompe por fatiga debe haber evidencia de un puntofocal donde comienza la fractura. A veces una raya ouna entalla en la raíz pueden coincidir con ese puntofocal; una inclusión o una grieta debida al trata-miento térmico también se pueden encontrar allí. Sise halla algún defecto en ese punto. se debesuponer que. al menos en parte. es la causa de lafalla.Cuando un diente se rompe por un choque repenti-no o una sobrecarga. la. fractura suele tener unaapariencia fibrosa. Aún cuando el diente sea total-mente endurecido. la fractura se verá como lasfibras de un material plástico que ha sido torcido.Cuando se rompen dientes consecutivos. suele


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FIGURA 23. Foco de fatiga.

suceder que uno o dos se rompen por fatiga; comoel engranaje continúa girand.o bajo torque. el golpede la rueda que engrana al saltar en el boquetedejado por el diente fatigado. romperá otros dientesadicionales. Mirando varios dientes fracturados sepuede definir cuál falló por fatiga (presentará unaapariencia lisa) y cuáles fallaron luego por sobrecar-ga (apariencia fibrosa).La Figura 21 muestra varios dientes fracturados enuna rueda. Como se ve por la textura fina del diente Afalló primero. la fatiga comenzó en la raíz del filete.Luego fallaron los dientes adyacentes La Figura 22muestra dos dientes de una rueda loca fracturadosdebido a que la fatiga comenzó en ambos lados deldiente. El diente de la derecha falló primero porqueel área de ruptura final es muy pequeña. La Figura 23muestra el foco de inicio de la fatiga indicado por laflecha.

Las fracturas de los dientes ordinariamente partende la raíz. Una viga en voladizo es más débil en subase. El picado en la línea de paso puede ser tansevero que cause una fractura que comience en estalínea.Veamos algunas formas en que se puede presentarla rotura de los dientes:

Fractura por fatigaSe puede reconocer por la presencia de curvassemielípticas con marcas perpendiculares en lasuperficie de la fractura que irradian desde el foco onúcleo de la fractura (Figura 23) Son el resultado decargas periodicas suficientemente elevadas paraagrandar una grieta. pero no tanto como para queuna sola de ellas sea capaz de provocar individual-mente la fractura del diente.

Fractura por fatiga de flexiónLa Figura 24 muestra que los dientes trabajan comouna viga en cantilever. por lo cual los esfuerzosmáximos se presentan en la raíz del diente. del ladoque trabaja a tensión. Las fracturas generalmenteresultan de una fisura originada en la raíz del diente.debido a entalladuras. inclusiones. pequeñas fisu-ras de tratamiento térmico y esfuerzos residuales.Los elementos del diente deben diseñarse de modoque la carga transmitida resulte dentro del límite deendurancia del material. o escoger un material conmayor resistencia. o aumentar el área de raíz del50 Ingenieria e Investigación

FIGURA 24. Fatiga por flexión;

diente (mayor radio de acordonado) y mejorar suacabado. Con esto se puede evitar la fatiga.

Rotura por sobrecargaSe presenta como una rotura tenaz y fibrosa.mostrando evidencia de que el material ha sidorápidamente arrancado o rasgado. La rotura deldiente es causada por una sobrecarga que excede laresistencia a la tensión del material; ésto viene a'parar en una rotura por fatiga de corto ciclo. quegeneralmente comienza sobre ellado de tensión dela raíz del filete.Hay casos en que la sobrecarga se produce pordesalineación de los engranajes. En estos casos lafractura se origina en un extremo del diente yocurreen línea diagonal. La desalineación es una causacomún de dientes rotos en engranajes rectos.helicoidales y cónicos. A veces la desalineación sedebe a cojinetes flojos o averiados. Los cojinetesflojos causarán la deflexión del eje y finalmente unafractura del diente debido a cargas en sus extremos.En todos los casos de fracturas se debe hacer undetenido análisis para encontrar las causas que laoriginaron y aplicar los correctivos del caso.

FALLAS COMBINADASEn general las fallas no ocurren separadamente enla forma descrita hasta ahora. sino que existen otrosfactores que hacen que se presenten dos o másfallas al mismo tiempo o que haya una cadena defallas que conduzcan a la rotura o inutilización delengranaje. En la Figura 17 podemos ver un ejemplode este tipo de fallas. Se presenta el desgaste porescoriado. el desconchado. el picado en la líneaprimitiva y el flujo plástico en forma de escamas depescado.

CONCLUSIONESComo conclusión de este artículo podemos analizarla Figura 25 donde se muestra la influencia de lavelocidad y la carga de operación sobre los cuatrotipos de tallas que gobiernan la capacidad deoperación de un tren de engranajes: desgaste.escoriado. picado y rotura de los dientes.Las curvas del diagrama muestran como la ocurren-cia de las fallas se ve afectada por la velocidad y lacarga de operación. La posición de las curvas es

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(l)"O"O«l"O Sin desgaste, Escoriado~ si el aceite está limpioQ..«l

o

(Jl(l)

'(0e«l•...rne(l)

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(l)"O(l)::JCJ•...o.•....

O~ _O Velocidad de la línea de paso

Descripción: Región 1.- Carencia de película de aceite debido a baja velocidad2.- Buena película de aceite3.- Demasiado calor generado4.- Aquí, ocurrirá picado con el tiempo.5.- Ocurrirá ruptura del diente con el tiempo.

FIGURA 25. Regiones de falla del engranaje.

aproximada y en general es determinada para untren por las variables de diseño del engrane, por lascaracterísticas del lubricante y la temperatura deoperación.

El desgaste ocurre cuando se rompe la películahidrodinámica de aceite, no se forma por laViscosidad, la velocidad es muy baja o la carga muyalta. En la región 1 a medida que aumenta lavelocidad. la carga admisible también lo hace. Sepuede obtener mayor capacidad de carga aumen-tando la Viscosidad del lubricante o bajando latemperatura de operación. El efecto de estoscambios es modificar la pendiente de la línea dedesgaste. Con aditivos antidesgaste la pendiente seeleva. El desgaste tiene más probabilidades depresentarse en trenes de elevada relación detransmisión operando a velocidades relativamentebajas

Los engranajes sinfin-cor oria casi siempre trabajanen la reglón de desgaste (véase Figura 12). pero laselección adecuada de los materiales puede hacerque la línea de desgaste se incline lo suficiente parapermitir una operación satisfactoria. La máximaelevación de temperatura admisible frecuentemen-te restringe los límites de operación más que eldesgaste. Debido a que la carga permisible Sindesgaste aumenta con la velocidad, el calor defricción generado aumenta con el cuadrado de lavelocidad Esto produce recalentamiento de losengranajes y del aceite, una viscosidad rebajada ypor consiguiente disminución de la carga admisible.

Para minimizar este efecto. a los lubricantespara Sinfin-corona se les puede agregar aditivos parareducir la fricción.

La región 2 es el lugar ideal para el funcionarnientode una transmisión la velocidad es lo suficiente-mente alta para desarrollar una buena película SI elaceite no tiene abrasivos extraños, no es corrosivo yse adhiere apropiadamente a la superficie, unengranaje puede funcionar casi indefinidamente enesta reglón sin que se presente desgaste.

El escor iado (reglón 3) ocurre cuando el calorgenerado por el deslizamiento de las superficies delos dientes en la película de aceite es tan alto que larompe Sin la película de aceite las superficies de losdientes frotan directamente en cada una de las otrasy el calor de fricción es tan grande que causa elsoldarniento de las dos superficies Dado que elcalor es la causa. una alta velocidad disminuye lacarga requerida para producir la falla

A medida que el paso es más grueso en losengranajes, el deslizamiento aumenta en las puntasdel diente; por consiguiente, estos engranajes sonmás susceptibles al picado que los de paso fino, ydado que los pasos finos tienden a disminuir eltorque de rotura, el escoriado llega a ser casiimposible con dientes muy finos. Al aumentar eltamaño de los engranajes debería ser más baja lacarga, para una potencia dada; pero los factores develocidad que afectan el escoriado no cambianmucho; por eso los engranajes grandes pueden


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transmitir más potencia Sin escoriado para la mismavelocidad de rotación.Algunos resultados experimentales muestran que laresistencia al escoriado se eleva aumentando elángulo de presión. utilizando dientes más altos(mayor traslape de los dientes) o aumentando elángulo de hélice y rebajando los extremos de losdientes. Cuando se usan adendos desiguales comoen las relaciones de engrane elevadas. donde lasmodificaciones del adendo se utilizan para Igualar laresistencia de los dientes. se presenta una disminu-ción de la resistencia al escoriado. Una combina-ción de materiales que tengan resistencra al desgas-te. al rayado. mejores acabados superficiales ysuperficies recubiertas. ayudan a elevar las resisten-cia al escoriado.SI se aumenta la temperatura de operación en untren. se baja la línea de escoriación; un aumento dela viscosidad del aceite la puede elevar.El picado y rompimiento de los dientes (reglones 4 y5) son fallas por fatiga del material. de modo que lapendiente de sus líneas decrece suavemeñte amedida que las velocidades aumentan. La posiciónrelativa de las dos líneas es función del diseño de lasruedas. Para pasos gruesos los dientes son fuertes yde alto límite de rotura. SI se aumenta el paso(dientes más finos). se debilitan los dientes. así quepara la misma carga de los engranajes gruesos. losde paso fino tienden a romper el diente antes de que

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7 Wulpy. Donald J. How Components fail. ASME. E.u.A. 1966


se pique El tamaño de los engranajes debe serconsiderado Junto con el paso. con engranajesgrandes se puede transmitir el mismo torque conmenos carga tangencial en el diente. admitiendoque se usen pasos más finos.

La resistencia del material afecta al picado y larotura. La resistencia a la rotura del diente aumentaen proporción a la dureza; sin embargo. los acerosendurecidos superficialmente son una excepción aésto. El máximo esfuerzo de flexión en un dienteocurre en la raíz.

Un engranaje totalmente endurecido es más débilque uno endurecido superficialmente cuando lasdurezas en la raíz son las mismas debido a que la resis-tencia al Impacto del diente endurecido totalmente esmenor que el de endurecido superficial con unnúcleo blando y tenaz. La relación entre núcleoendurecido y altura de capa es Importante dado quetambién una capa poco profunda o núcleo dúctilpueden conducir a fallas por fatiga subsuper ncialmuy similares al picado; son fallas por aplastamien-to de la capa endurecida.

El lubricante no afecta la línea de rotura y sololevemente la de picado Un aumento de la viSCOSI-dad puede elevar la línea límite de picado o uncambio radical en la composición del aceite puedealterar los efectos superficiales lo suficiente paraaumentar la vida al picado

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