Los engranajes, su diseño y las fallas que presentan

Resumen

Los engranajes son el grupo de transmisiones mecánicas más importante y difundidos en los más diversos campos y condiciones de trabajo: desde relojes y aparatos hasta máquinas muy pesadas; para transmitir fuerzas circunferenciales, comprendidas entre fracciones de gramo y miles de toneladas; para momentos hasta de mil toneladas-metro y para potencias desde insignificantes hasta decenas de miles de kilovatios; con diámetro de las ruedas desde fracciones de milímetro hasta diez y más metros.

Dada la importancia de estos tipos de elementos de máquina, en este trabajo se tratan las generalidades sobre el diseño de los mismos y las causas prácticas de las fallas de los dientes de engranajes. También se expone una clasificación de las fallas de los dientes de los engranajes así como las fallas que con mayor y menor frecuencia ocurren en engranajes.

Introducción

Aunque la más antigua información disponible sobre el cálculo de engranajes, según estudios realizados por Darley W. Dudley, se han encontrado en el libro A Treatise on Steam Engine (en español: Tratado acerca de motores de vapor) de John Farey, publicado por primera vez en 1827, es aceptado por muchos que el verdadero inicio del diseño ingenieril de los engranajes fue dado con los tratados, acerca de engranajes, del estadounidense George B. Grant, en los primeros años de este siglo. [1, 2]

Desde estos inicios hasta la actualidad, la tecnología especializada en engranajes se ha desarrollado a una velocidad sin precedente, nuevas máquinas herramientas han aparecido continuamente en la escena industrial con inmensas capacidades, modernos procesos de tallado de acabado en dientes con durezas superiores a los 60 HrC y rectificado de CBN (Nitruro de Boro Cúbico Cristalino) de los flancos activos de los dientes de las ruedas, son algunos de los ejemplos de la moderna elaboración rápida y precisa de los engranajes. [2]

Según una encuesta realizada, por los editores de la revista estadounidense Gear Technology, se afirma que: la rueda dentada más pequeña en uso actualmente fue producida en Albuquerque (EUA) para un micro-motor de silicón y tiene un diámetro de cresta de 0.05mm [52], en cambio la mayor rueda dentada en explotación está instalada en el accionamiento final de un agitador en Toronto (Canadá) y presenta un diámetro de referencia de 93m. [3]

Una transmisión por engranajes (o simplemente engranaje) es un mecanismo que con ayuda del engrane transmite o convierte el movimiento cambiando las velocidades angulares y los momentos.

Los engranajes se emplean para transmitir el movimiento de rotación entre árboles paralelos, árboles que se cortan y árboles que se cruzan, así como para transformar el movimiento de rotación en movimiento de avance y viceversa. [2, 4-7]

Para transmitir el movimiento entre árboles paralelos se emplean:

• Engranajes de ruedas cilíndricas con dientes rectos.

• Engranajes de ruedas cilíndricas con dientes helicoidales.

• Engranajes de ruedas cilíndricas con dientes bihelicoidales.

• Engranajes de ruedas elípticas.

• Engranajes de linterna.

– Engranajes beveloide

Para transmitir el movimiento entre árboles que se cruzan:

• Engranajes helicoidales.

• Engranajes de tornillo sinfín cilíndrico.

• Engranajes de tornillo sinfín globoidal.

• Engranajes hipoidales.

• Engranajes espiroid

• Engranajes helicón.

Para transmitir el movimiento entre árboles que se cortan:

• Engranajes de ruedas cónicas con dientes rectos.

• Engranajes de ruedas cónicas con dientes tangenciales.

• Engranajes de ruedas cónicas con dientes circulares.

• Engranajes de ruedas cónicas con dientes espirales.

Los engranajes en comparación con otras transmisiones mecánicas poseen ventajas importantes, a saber:

a) Dimensiones exteriores pequeñas.

b) Rendimiento alto.

c) Gran duración y fiabilidad.

d) Constancia de la relación de transmisión, por ausencia de patinaje.

e) Posibilidad de emplearlos dentro de ancho campo de momentos, velocidades y relaciones de transmisión.

Una desventaja de los engranajes es el ruido durante su funcionamiento a grandes velocidades.

La constancia de la relación de transmisión instantánea del engranaje es lo principal condición cinemática que deben reunir los perfiles de los dientes. Para obtener un alto rendimiento, resistencia y duración de las ruedas, los perfiles tienen que asegurar bajas velocidades de deslizamiento y suficientes radios de curvatura en los puntos de contacto; hacer su fabricación fácil, en particular, el tallado con herramienta simple independientemente del número de dientes de la rueda. [8]

Estas condiciones las reúne con mayor plenitud el perfil de evolvente, cada rueda dentada con este perfil puede ser tallada de tal modo, que engrane con ruedas de cualquier numero de dientes, también estos engranajes son poco sensibles a la discrepancia de la distancia entre ejes y pueden ser talladas con herramientas sencillas con perfil rectilíneo de los dientes, y son cómodas para el control. El engranaje de perfil de evolvente admite la llamada corrección o mejoramiento del perfil de los dientes, permitiendo asegurar el funcionamiento optimo. [8, 9]

El diseño de una rueda dentada requiere la consideración interrelacionada de un número de factores tales como: el material y el tratamiento térmico, la potencia y el número de revoluciones por minutos, la distancia entre centros, condiciones de trabajo, tensiones que actúan, etc. Algunos métodos generales que involucran estas consideraciones vistas por diferentes autores, serán discutidas en los siguientes epígrafes. Además se hace un análisis de los principales sistemas CAD y de otros sistemas específicos para el diseño de engranajes que existen en la actualidad.

Desarrollo

Generalidades sobre el diseño de engranajes

El diseño de un engranaje comienza realmente después de un gran trabajo preliminar. Para esto son necesarias algunas consideraciones como son: condiciones de trabajo, entre ellas, dimensiones de espacio existencia o no de lubricación, ambiente de trabajo, cargas actuantes, etc. Todo esto es necesario para analizar las posibles fallas que se puedan presentar, ya que los engranajes se diseñan en base a estas fallas.

No toda forma de daño aparente de la superficie del diente demandan que los engranajes sean reemplazados por otros, muchos presentan una falla inicial pero con el tiempo de trabajo y con buena lubricación se atenúan y su vida de trabajo es larga. Pero no siempre es así y, por tanto, la decisión a tomar en cada caso en particular depende del conocimiento que se tenga sobre las fallas, lo cual se verá más adelante.

1.1.1- Parámetros fundamentales de la geometría de las ruedas

Existe un grupo de parámetros geométricos, que una vez conocidos, puede ser realizado el cálculo completo de la geometría de las ruedas dentadas. [2, 7, 10-12]. Ellos son:

z : Número de dientes.

m : Módulo normal.

( : Ángulo de la hélice en el cilindro de referencia.

b : Ancho del diente.

x : Coeficiente de corrección del diente.

( : Ángulo del perfil de la cremallera de referencia.

c* : Factor de holgura radial (c / m).

ha*: Factor de altura de la cabeza (ha /m).

Usualmente es aceptado en los cálculos prácticos que ha* = hFP* (Factor de altura del pie)

Para conservar la constancia de la relación de transmisión cinemática en el engranaje los dientes del piñón y la rueda deben tener los perfiles conjugados, es decir: La normal común a los perfiles en contacto divide a la distancia entre centros en dos segmentos inversamente proporcional a las velocidades angulares de las ruedas. Esta condición de contacto de los dientes entre el piñón y la rueda se observa si ellos engranan correctamente con la cremallera de referencia. Los parámetros del perfil de la cremallera de referencia pueden ser determinados de aquellos perfiles básicos más difundidos y normados.

Una de las formas más difundidas de altura y ángulo de flanco de los dientes del perfil de referencia en las cremalleras básicas corresponde a: ( = 20(, ha* = 1 y c* = 0,25, aceptada en [13-18].

Figura 1.1- Perfil de referencia de cremallera básica.

Actualmente en varias de las normas relativas a engranajes, editadas por diferentes países, existe una marcada coincidencia en los valores de módulo recomendados en la primera serie de preferencia. Con mas frecuencia son empleados los módulos recomendados en [19]: 1 ; 1,25 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 8 ; 10 ; 12 ; 16 ; 20 ; 25 mm.

1.1.2- Transmisiones por engranajes desplazados (corregidos)

En la práctica existen dos métodos básicos de elaboración de los dientes en las ruedas cilíndricas: el método de copia y el método de generación. Durante el método de copia, el borde cortante o la matriz que forma el diente es una copia exacta de la rueda a fabricar o de cierta parte de ella. En cambio durante el procedimiento de generación el borde cortante de la herramienta es capaz de crear mediante una rodadura controlada los perfiles de los dientes. [8]

En un amplio rango de fabricación de ruedas dentadas cilíndricas el método de generación supera al método de copia, pues el procedimiento de generación permite de forma muy simple variar una gran cantidad de parámetros de las ruedas dentadas con mayor racionalidad y precisión, además de permitir el tallado de ruedas dentadas con corrección de los flancos de dientes, mediante el conveniente desplazamiento de la herramienta generadora con relación a la posición de referencia que se establece entre la rueda tallada y la recta de módulo en la herramienta empleada. [2, 4]

La corrección es el mejoramiento de las capacidades de los engranajes, mediante el trazado del perfil activo de los dientes por diferentes partes de la evolvente de la misma circunferencia básica. El costo fabricación de la rueda corregida no es más costoso que el de las no corregidas, ambas se fabrican con las mismas herramientas normalizadas, las diferencias son: el diámetro modificado de la pieza bruta y la herramienta se instala con desplazamiento radial.

La corrección puede ser de altura o angular. [5, 8, 10, 20]

Corrección de altura: el desplazamiento en el piñón es igual al de la rueda pero de signo contrario y el desplazamiento total es igual a 0.

El espesor de los dientes por la circunferencia del piñón aumenta y el de la rueda disminuye, pero la suma de los espesores de los dientes es la misma en la circunferencia primitiva y no hay necesidad de separar los ejes de las ruedas, las circunferencias de base coinciden con las primitivas, tanto en las corregidas como en las no corregidas, y el ángulo de engrane no varía. En ellas se modifica la relación entre las alturas de las cabezas y de los pies; la resistencia de los dientes del piñón aumenta y de la rueda disminuye. Se emplea solo si son pequeños los números de dientes del piñón y grandes las relaciones de transmisión de los engranajes.

Corrección angular: en este caso la suma de los coeficientes es diferente de 0, como regla es superior a 0.

La suma de los espesores de los dientes en la circunferencia primitiva suelen ser mayor que en las no corregidas, por lo que hay que separar los ejes de las ruedas, las circunferencias de base no coinciden con la primitiva y el ángulo de engrane es grande. Esta corrección tiene más posibilidades y mayor aplicación que la de altura.

Los valores máximos de estos valores se limitan por:

• a) Penetración inadmisible de los dientes(es decir, interferencia de los perfiles de trabajo y de la herramienta en el tallado).

• b) Aparición de interferencia (penetración mutua) de los perfiles durante el trabajo.

• c) Agudizado de los dientes hasta el valor límite.

• d) Disminución del coeficiente de recubrimiento hasta el valor límite.

Los valores máximos de desplazamiento se determinan por diagramas especiales de cálculo, llamados contornos de bloqueo.

1.1.3- Materiales, tratamientos térmicos y termoquímicos

Al seleccionar el material, es necesario garantizar la resistencia de los dientes a la flexión y la resistencia de sus capas superficiales. Los materiales principales son los aceros con tratamiento térmico, se usan menos los hierros fundidos y los plásticos. El tipo de acero y el tratamiento térmico se determina según las disposiciones siguientes: las tensiones de contacto admisible en los dientes son proporcionales a la dureza del material, y la capacidad portante de los engranajes, según la resistencia de contacto, es proporcional al cuadrado de la dureza, debido a esto los aceros templados hasta considerable dureza son ampliamente usados, también son usados los aceros mejorados normalizados y fundidos para piezas muy grandes. [2, 4, 5, 7, 8, 21-23]

Debido a la necesidad de dureza en la superficie del diente y del corazón viscoso se ha dejado de utilizar el temple a corazón, porque no garantiza estas condiciones, debido a esto se usan más los tratamientos térmicos superficiales y termoquímicos, que si los garantizan; los más usados son:

Carburizado: (Fig.1.2 a)) Es uno de los métodos más usados para el endurecimiento de superficial de los dientes, el engrane se coloca en un medio carburizante y se calienta, la capa superficial de los dientes del engrane adsorben el carbono (difusión) y después de una o más horas de mantenerlo a temperatura elevada, el carbono ha penetrado para dar la profundidad de endurecido requerida.

Nitrurado: (Fig.1.2 a)) Es un procedimiento de endurecimiento superficial que se aplica a los engranajes de aceros aleados, el engranaje a nitrurar recibe un tratamiento de bonificado para darle un tratamiento previo para darles un endurecimiento promedio, las zonas que no se van a nitrurar deben ser cubiertas con placas de cobre u otro material adecuado, después se coloca en el horno de nitruración calentándolo a 1000°F (538°C). El nitrurado se efectúa mediante gas de amoniaco que se descompone en nitrógeno atómico e hidrógeno sobre la superficie del acero. El nitrógeno atómico penetra lentamente en la superficie del acero y se combina con otros elementos para formar nitruros de extraordinaria dureza, lo que le confiere, al acero, muy alta dureza y gran resistencia al desgaste de las capas superficiales, pero el espesor de la capa endurecida es muy pequeño, no siendo utilizados cuando hay cargas de choque, desgaste intensivo y grandes concentraciones de cargas.

Endurecimiento por inducción: (Fig.1.2 b); c)) El engrane es endurecido superficialmente por medio de corrientes alternas de alta frecuencia. El proceso consiste en enrollar una bobina de inducción alrededor de la pieza, generalmente la pieza es girada dentro de la bobina, en pocos segundos los dientes son llevados por encima de la temperatura crítica (de un color rojo intenso), después de este proceso el engrane es retirado de la bobina y se le da un temple controlado por medio de un baño de rocío aplicado por un rociador anular o se le sumerge en un baño agitado. Antes del endurecimiento por inducción el material del engrane se trata térmicamente. Las deformaciones no son grandes y no es necesario el rectificado posterior de los dientes. Reduce la resistencia a la flexión, aumenta la resistencia al desgaste y a la picadura. Se recomienda para ruedas de dimensiones mediadas y pequeñas.

Endurecido por flama: (Fig.1.2 d)) Proporciona un endurecimiento poco profundo, es por medio de una flama oxiacetilénica empleando quemadores especiales. Para obtener un calentamiento uniforme generalmente se hace girar el engrane en la flama. El engrane es semiendurecido y los dientes se rebajan y se les da el acabado final antes de endurecerlos.

Fig. 1.2. Profundidad de los tratamientos de los dientes.

Entre los materiales más utilizados se encuentran los siguientes grupos:

Fundición Laminar: GG 20; GG 26; GG 35

Fundición Lobular: GGG 42; GGG 60; GGG 80; GGG 100

Fundición Gris: GTS 35; GTS 65

Acero Fundido: GS 52; GS 60

Acero de construcción: St 42; St 50; St 60; St 70

Acero Bonificado: Ck 22; Ck 45; Ck 60; 34Cr4; 37Cr4; 43CrMO4; 34CrNiMO6

Acero Bonificado (Endurecido por inducción): Ck 45; 37Cr4; 42CrMO4

Acero Bonificado (Nitrurado): Ck 45; 42CrMO4;

Acero de Nitruración: 31CrMOV9

Acero de Cementación: C 15; 16MnCr5; 20MnCr5; 20MnCr4; 15CrNi6; 18CrNi8;

17CrNiMO6

Duroplast: Tejido duro grueso, Tejido duro fino.

La selección de estos materiales se realizó según: [24-29] (Norma DIN: Instituto de Normalización Alemana.), ya que hace una descripción muy detallada de los aceros usados para engranajes, facilitando esto la conversión a otra norma.

1.1.4- Precisión de las transmisiones por engranajes

Los engranajes son uno de los elementos básicos usados para transmitir potencia y movimiento. Los diseñadores necesitan lograr de ellos varios requerimientos como son: mínimo tamaño, máxima capacidad de carga, mínimo ruido, precisión de rotación/ posición. [5, 8, 21, 30-32]

Para satisfacer diferentes niveles de estos requerimientos se necesitan diferentes grados de precisión. Estos involucran varios rasgos de los engranajes (errores, desviaciones, tolerancias, acabados superficiales, etc.).

Para la clasificación de los diferentes índices de precisión se toma la norma Gost 1643. Transmisiones de engranes cilíndricos. Tolerancias. [33], la cual en muy completa y es ampliamente utilizada en Cuba, según ella tenemos:

• a) La precisión cinemática: se caracteriza por la discordancia máxima de los ángulos de giro de las ruedas en engrane (error total) de un giro. Está relacionada con el error acumulado del paso y con el batimiento.

• b) La suavidad de trabajo: se caracteriza por reiterados cambios intermitentes de la velocidad en un giro de la rueda, cambios que producen cargas dinámicas, vibraciones y ruidos. Se determina por errores del paso y del perfil.

• c) La mancha de contacto de los dientes: caracteriza la concentración de carga sobre los dientes. Está relacionada con el error acumulado del paso y error de paso simple.

• d) El juego lateral entre las superficies inactivas de los dientes: permite evitar el agarramiento (en particular, durante el calentamiento) y asegura el giro libre de las ruedas. Influye en la capacidad de trabajo de los engranajes, si aparecen vibraciones torsionales y de los engranajes reversibles. Se relaciona con la precisión en el tallado.

• e) La aspereza de la superficie activa de los dientes: influye en la longevidad de los engranajes. Se relaciona con el acabado superficial de los dientes.

En la norma [33] también aparecen las tolerancias de los engranajes cilíndricos, así como la precisión cinemática, suavidad del trabajo, contacto de los dientes y juego lateral, también están previstos 12 grados de precisión (agrupados del 3 al 12), así como las tolerancias y discrepancias para estos grados de precisión.

En la construcción de maquinaria los grados de precisión de 6 a 9 son los más utilizados, según Tabla 1.1.

Tabla 1.1 Velocidades admisibles y campos de aplicación de los engranajes en función de los grados de precisión.

Los índices de precisión de las transmisiones por engranajes se relacionan con diferentes errores y desviaciones, una descripción muy detallada aparece en [34]. Esta especificación describe 9 grados de tolerancia para engranajes (agrupados de 0 a 8), también describe los errores de paso, error de perfil, error radial y de avance, así como desviación del diámetro exterior y lateral. [35, 36]

A. Errores de paso en los dientes del engranaje

Existen cuatro tipos de errores de paso, de los cuales, los tres primeros están estrechamente relacionados entre sí.

1-Error de paso simple.(fpt): Es la diferencia entre el valor real del paso, medido entre cualquier superficie del diente adyacente y el paso circular teórico.

2- Error de la variación de paso.(fpu): Es la diferencia real del paso entre dos dientes adyacentes cualesquiera. En el caso ideal este valor es 0.

3-Error de paso acumulado.(FP):Diferencia entre la suma total teórica del paso sobre cualquier número de intervalo de dientes y la suma total del paso real, medido en el mismo intervalo.

4-Error de paso normal.(fpb): Diferencia entre el paso normal teórico y su valor real medido.

El elemento con mayor influencia sobre los errores del paso es la desviación del tallado del flanco del diente del engrane.

En la tabla 1.2 aparecen los rangos de los errores de paso admisibles para ruedas cilíndricas de dientes rectos y helicoidales, para cada grado de precisión, según [35]. Estos últimos tipos de ruedas son los de mayor interés para este trabajo.

Tabla 1.2. Valores admisibles para el error simple, error acumulado y error normal de paso.((m)

En la tabla anterior, W y W( son las unidades de tolerancias definidas como:

W =Unidad de tolerancia = m) (1.4)

W(=0.56W+0.25m ((m) (1.5)

El valor admisible del error de la variación del paso es K veces el error del paso simple. En la tabla 15.3 se muestran las formulas para la obtención del error admisible para la variación del paso.

Tabla 1.3 Error admisible de la variación del paso.

La figura 1.3 es un ejemplo de errores de paso deducidos de datos medidos con un indicador de carátula para un engrane de 15 dientes. Pasos diferentes fueron medidos entre dientes adyacentes y son ploteados en la figura. De ese estudio, los errores de paso simple, de paso acumulado y de la variación del paso fueron extraídos y ploteados.

Nota: A = Máximo error de paso simple

B = Máximo error acumulado

C = Máximo error de la variación del paso

Fig. 1.3 Ejemplos de errores de paso para un engrane de 15 dientes

B. Errores del perfil, radial y de avance

1- Error del perfil del diente.(ff): Es la sumatoria de la diferencia entre el perfil real del diente y la curva evolvente corregida, la cual pasa a través del punto de paso medido perpendicular al perfil real. La franja medida es la superficie real de trabajo efectivo del engrane. Sin embargo, el área de modificación del diente no se considera como parte del error del perfil.

2- Error radial de los dientes de los engranajes.(Fr): Este error define la desviación del diámetro primitivo. Es el error en la posición radial de los dientes. Este error, generalmente, se mide por medio de un indicador de posición de un pin o bola insertado(a) en cada vano de la rueda, tomando la mayor diferencia.

Para los engranajes de pasos finos, el engrane es rolado con un engranaje calibrador sobre un dispositivo con distancia entre centros variable, la cual registra el cambio en la distancia entre centros como la medida de los dientes o la desviación del diámetro primitivo. Esta desviación causa diferentes problemas, uno de ellos es el ruido. La fuente de este error es frecuentemente la insuficiente precisión y falta de rigidez del sistema de instalación de las herramientas de corte para tallar el diente.

3- Error de avance.(f(): Es la desviación del avance real del perfil del diente con respecto a un valor o posición ideal. Este error da como resultado que haya un contacto pequeño del diente particularmente concentrado en el área de la cabeza. Algunas modificaciones como redondeo de la cabeza y el pie del diente pueden disminuir este error en algún grado.

La figura 1.4 es un ejemplo de un gráfico de medición para el error del perfil del diente y del error de avance, usando un dispositivo para ensayos Zeiss UHC 550.

Fig, 1.4 Gráfico para medir el error del perfil del diente y el error de avance.

En la tabla 1.4 se muestran los errores admisibles del perfil, radial y de avance según [16].

Tabla 1.4. Errores admisibles del perfil, radial y de avance.

donde: W = Se calcula según (1.4)

b = Ancho del diente (mm)

m = Módulo (mm)

C. Desviación del diámetro exterior y desviación lateral

Para lograr alta precisión en los engranajes se requiere comenzar con un patrón de precisión de engranes. Donde son muy importantes los siguientes criterios:

• 1- Desviación del diámetro exterior (OD).

• 2- Desviación lateral (cara lateral).

La desviación lateral tiene un gran impacto en la precisión del engrane. Generalmente, el error admisible de desviación esta relacionado al tamaño del engrane.

En la tabla 1.5 aparece las ecuaciones para los valores admisibles de la desviación del diámetro exterior y la desviación lateral.

Tabla 1.5. Valores admisibles para las desviaciones del diámetro exterior y desviación lateral.

1.2- Causas prácticas de las fallas de los dientes de engranajes

Partiendo del principio de que la falla es el resultado de un estado tensional más severo que el que el material puede soportar, entonces las condiciones de operación son diferentes de aquellas que se asumen en el diseño y las causas pueden ser, según [3-5, 7, 8, 21, 23, 30] las siguientes:

• A) La carga actuante sobre el diente excede el valor previsto, debido a:

a) Al diseñar no se conocen las condiciones reales de operación.

b) Sobrecargas imprevistas que pueden ser inducidas por vibraciones o choques del equipo acoplado

c) Aumento de la carga dinámica sobre el diente debido a errores en el perfil que pueden aumentar la carga principal asumida.

B) La carga asumida, aunque fuera correcta, no se distribuye uniformemente sobre el diente, debido a:

a) Errores del perfil o la hélice (engranajes helicoidales).

b) Errores en la alineación de los árboles o de los dientes, debido a deformaciones o errores de montaje.

c) Localización axial incorrecta de los engranajes cónicos o ruedas sinfín, o espacio incorrecto en el caso do los engranes bihelicoidales.

• C) Introducción de tensiones residuales peligrosas durante la fabricación, debido a:

a) Interferencia excesiva en las uniones prensadas, donde intervenga la rueda dentada.

b) Tensiones de tracción residuales por tratamiento térmico incorrecto.

• D) D) Las tensiones normales en el material del diente pueden incrementarse por elevadores o concentradores de tensiones tales como:

• a) Deficiente acabado superficial.

• b) Inadecuados radios de transición.

• c) Mal acabado de los extremos de los dientes.

• d) Grietas del rectificado o del fresado.

• e) Marcas estampadas para la identificación en el final de las caras.

• E) El material es incapaz de resistir las tensiones aplicadas debido a:

• a) Uso accidental de un material no apropiado.

• b) Material que no cumple con las especificaciones o mal tratado térmicamente.

• c) Defectos internos tales como inclusiones, grietas, poros, etc.

• d) Estructura del grano defectuosa o inadecuada dirección del flujo del grano.

• e) Descarburizacion de la superficie.

• f) Defectos del tratamiento térmico como son: profundidad inadecuada, dureza insuficiente o excesiva, presencia de una red de cementita o deficiente gradiente de carburo o de dureza.

• g) Reducción de propiedades físicas causadas por elevación excesiva de las temperaturas, debido a una cantidad o tipo inadecuado de lubricante, o enfriamiento inadecuado.

• h) Fallas del lubricante para realizar su función prevista.

• F) Daños que surgen de accidentes durante el ensamblaje u operación, fundamentalmente por:

• a) Alineación incorrecta de los reductores y la maquinaria acoplada.

• b) Desatención a la lubricación: uso de lubricante no apropiado, contaminación del mismo, no observar el nivel de aceite, no limpiar los filtros.

• c) Arena, virutas, limallas y herramientas dejadas en la carcaza.

1.3- Clasificación de las fallas de los dientes de los engranajes.

Existen múltiples tendencias para clasificar las fallas de las transmisiones por engranajes, aunque no todos los autores (Henriot, Merrit, AGMA, Reshetov) la agrupan metodológicamente de la misma forma, si tienen en cuenta las mismas fallas.

Aunque desde el punto de vista didáctico, la de Merrit es la mejor, muchos especialistas [5, 8, 23, 30], sugieren la siguiente:

Fallas:

A) Volumétricas:

a) Por fatiga

b) Por sobrecarga

• B) Superficiales:

• a) Por fatiga

• b) Por sobrecarga

• c) Asociadas con la soldadura producto del rompimiento de la película de lubricante

A continuación se describirán las fallas que se pueden presentar en los engranajes, dividiéndolas en las de mayor y menor frecuencia de ocurrencia, pero, independientemente de la cantidad de fallas que puedan presentarse, los cálculos de dimensionamiento para ruedas cilíndricas, que es el caso de este trabajo, se realizan teniendo en cuenta dos criterios, lo cual se describirá más adelante.

Fallas que con mayor frecuencia ocurren en engranajes:

1.3.1- Fractura típica por fatiga a la flexión

La fractura por fatiga a la flexión de los engranajes tiene casi siempre la misma característica, (Fig. 1.5.) la grieta comienza en un punto de la zona del pie del diente bajo tensiones de tracción (cuando la carga es unidireccional), progresando hacia adentro e inicialmente hacia abajo, elevándose luego hasta el otro lado de la zona de transición del pie del diente. Estas fracturas en V pueden ir de una forma más o menos curva a una forma plana. Por ejemplo para cargas bidireccionales la depresión tiende a ser mayor, sin embargo es muy poco usual una fractura en forma de U invertida o que tenga la depresión arriba.

El punto de la zona de transición donde comienza la grieta es de suma importancia para el cálculo a resistencia a flexión del diente como si este fuese una viga empotrada.

.

Fig.1.5. Fractura por fatiga a la flexión.

La superficie de rotura muestra dos zonas (Fig. 1.6.):

• a) Superficie de rotura por fatiga, lisa, de grano fino, a menudo con líneas de contacto alrededor del final de la rotura.

• b) Superficie de rotura por fuerza, rugosa. Inicio de la rotura en el lado que recibe mayor fuerza de tracción, a menudo en la curvatura del pie del diente (efecto de tallado). Es posible la oxidación por rozamiento.

Fig.1.6. Superficies de rotura.

Causas de la falla

Abuso de la durabilidad del pie del diente; elevación de la tensión por el efecto de tallado: huellas dejadas por manipulación de herramientas defectuosas, demasiada rugosidad de los flancos, defectos del material como influencia de la escoria y arrugas de forja.

Otras causas: reducción del perfil por el desgaste por deslizamiento, la carga no uniforme sobre el ancho del diente a causa de variaciones en la dirección del diente y de la paralelidad de los ejes conduce a sobrecargas en determinadas zonas de los flancos. Efecto del lubricante en la propagación de la grieta por el efecto del tallado (rotura angular del diente).

Deformaciones inadmisibles del árbol y de la carcaza provocan una distribución desigual de la carga. Los defectos del tratamiento térmico (deficiencia de la dureza, grietas debidas a la forja, giro de las zonas de dureza en la curvatura del pie del diente, etc.) Rectificación unilateral de la capa endurecida.

Efecto de la falla

La rotura ocurre con frecuencia solo sobre una parte del ancho del diente (rotura del pie del diente). Peligro de fallas sucesivas por el diente roto

Prevención y solución de la falla