Fallas Volumétricas en las transmisiones por engranajes metálicos

Introducción

Las fallas en los engranajes pueden ocurrir por diversos factores que varían según el tipo de mecanismo: si es abierto, cerrado, las características de funcionamiento del mismo, o factores externos que pueden o no aparecer en determinados momentos en el trabajo normal, como por ejemplo sobrecargas sostenidas o momentáneas, mala lubricación, aumento de la temperatura de trabajo, propiedades y calidad del metal, aumento de la potencia a transmitir y otros.

En las fallas volumétricas ocurre la fractura del diente, ya sea en la cabeza como en la base del mismo, que es provocada por las tensiones de flexión, las cuales reducen sobre todo la vida de los engranajes y pueden causar fallos catastróficos bajo picos de carga.(1-3)

Características de las fallas volumétricas en los engranajes metálicos

Estas son muy comunes en engranajes metálicos y se puede presentar de maneras muy diversas, pero para comprobar su existencia es necesario comprender su tipo clásico (4).

Las cinco condiciones que indican una fatiga volumétrica clásica son:

• a) el origen está en la superficie del pie del diente, del lado cargado del mismo.

• b) el origen se ubica en el centro, entre los extremos del diente, donde se debe ubicar la carga normal.

• c) un diente falla primero, la fractura progresa lentamente desde el centro de la raíz del diente hasta el extremo.

• d) en la medida que progresa la fractura, el diente se deflecta en cada ciclo hasta que la carga alcanza simultáneamente el extremo superior del próximo diente, la sobrecarga o la fatiga por flexión del diente comenzó en la misma área.

• e) el material y sus características metalúrgicas no varían y el piñón debe mantener sus condiciones de operación normal.

Si alguna de estas cinco condiciones cambia ya no estaremos en presencia del ejemplo clásico de fatiga volumétrica por flexión.

Hay casos en que casi se produce la fatiga volumétrica clásica explicada, pero por ejemplo, no se cumple el punto (d) y por determinadas razones el origen se ubica en un extremo de la raíz del diente, una de ellas puede ser una sobrecarga o impacto aplicado en el extremo del diente. Otro caso puede ser en el que la fractura se origina fuera del centro del diente y continúa hacia el extremo opuesto al cargado(4) .

Tipos de fallas volumétricas en los engranajes metálicos

1. Falla por flexión.

Los esfuerzos a flexión que se generan en la raíz del diente en cada ciclo, originan una grieta por fatiga que después de una cierta cantidad de ciclos provoca la falla por rotura. La pequeña grieta inicial, tiene mucha dificultad para atravesar la frontera del grano y a menudo, solo consigue propagarse a través de un grano. Sin embargo, ante la presencia de sobrecargas periódicas, el mecanismo se transfiere al grano adyacente y la grieta continúa avanzando hasta que la sección remanente del diente no es capaz de soportar los esfuerzos a flexión y se produce la rotura total del diente de forma inesperada. Estas sobrecargas periódicas se generan habitualmente en engranajes de baja precisión donde el valor completo de la carga se presenta aplicado en el extremo superior de la superficie de trabajo. En engranajes con precisiones suficientemente buenas esta falla nunca debería presentarse. La condición de esfuerzos máximos en la raíz ocurre en un diente de la corona en el instante en que entra en contacto con su respectivo del piñón. También ocurren un diente del piñón en el instante inmediatamente anterior al término de contacto con su respectivo de la corona.(5; 6)

1.1 Fatiga por flexión por bajo número de ciclos.

Esta fatiga es producto a la deformación plástica con el fallo en menos de 10.000 ciclos, donde se puede observar una superficie de fractura áspera que es causada por altos esfuerzos de flexión y la dureza baja del material, como se muestra en la figura 25.

Figura 25. Superficie de fractura áspera.

1.2 Fatiga por flexión por alto número de ciclos.

La fatiga es producto de la deformación plástica con el fallo en más de 10.000 ciclos, donde se puede observar una fractura suave con playas o marcas de trinquete. Una microscopía electrónica de barrido en la superficie muestra estrías, figura 26. Esta falla se recomienda evitar reduciendo el esfuerzo de flexión, aumentando la resistencia a la fatiga y utilizando una microestructura apropiada.

Figura 26. Fractura suave con playas o marcas de trinquete.

2. Falla por la fractura del diente.

Es la falla que causa la inutilización de la transmisión, y frecuentemente el deterioro de otras piezas, al penetrar en éstas trozos de los dientes rotos.

La rotura del diente puede producirse por grandes sobrecargas de choque o estáticas, sobrecargas reiteradas, que provocan la fatiga de ciclo corto, o bien por cargas reiteradas muchas veces, las que provocan la fatiga del material.

La fatiga se debe frecuentemente a:

• concentración de carga lo largo de los dientes por errores de fabricación y montaje o por grandes deformaciones elásticas de los árboles;

• desgaste de dientes que provocan su debilitamiento y el aumento de la carga dinámica;

• engrane en marcha de los piñones desplazables.

La rotura por fatiga es ocasionada por la repetición constante de esfuerzos, y caracterizada por la formación, en principio, de grietas en espacios o zonas muy limitadas, las cuales van aumentando progresivamente en extensión y profundidad, hasta producirse la rotura. También puede ser causada por la repetición de esfuerzos no previstos en el cálculo, o producidos por vibraciones u otras circunstancias, que obliguen al engranaje a un trabajo fuera de las condiciones previstas.

En caso de rotura por fatiga, la fractura tiene forma cóncava sobre el cuerpo de la rueda, y forma convexa a consecuencia de la rotura por sobrecarga. (1; 2; 4; 7)

La rotura por sobrecarga, se produce de manera violenta en el pie del diente debido a cargas bruscas en la transmisión, como ocurre, por ejemplo, en prensas, martillos u otras clases de máquinas de acción similar, debido a causas que no pueden ser consideradas como defecto de cálculo o de fabricación del engranaje.

2.1 Rotura del diente por fractura frágil.

La fractura frágil es una fractura de una rápida propagación de las grietas y sin deformación plástica apreciable. Se observa a simple vista una superficie granular, brillante y plana, como se muestra en la figura 27. Si se realiza una microscopía electrónica de barrido se observan facetas de escisión y facetas intergranulares. La causa de esta falla es que la intensidad de la tensión (tensión de tracción y la dimensión del defecto) es superior a la resistencia a la fractura. La forma de evitar esta falla es aumentando la resistencia, evitando los defectos y cargas de choque, además de reducir la tensión de tracción.

Figura 27. Superficie granular, brillante y plana debido a la fractura frágil.

2.2 Rotura del diente por fractura dúctil.

La fractura dúctil ocurre en el diente por desgarro de metal, con una apreciable deformación plástica. Se puede apreciar una superficie gris fibrosa con labios cortados, una microscopía de barrido electrónico muestra hoyuelos cortados, como muestra la figura 28. Las causas por la que ocurre esta falla son la aplicación de altas cargas, la baja resistencia del material a la fluencia, o ambas. Se recomienda para evitar esta falla reducir la carga y aumentar la resistencia del material a la fluencia.

Figura 28. Superficie gris fibrosa debido a la fractura dúctil.

2.3 Rotura del diente por fractura mixta.

La fractura del diente en forma mixta es la fractura de los dientes del engranaje por ambos tipos de fallas y por la unión de microporos, como se muestra en la figura 29. En la superficie de la fractura se aprecian ambas características de las fallas dúctiles y frágiles. Las causas que pueden conducir a esta falla son la sobrecarga, la baja resistencia a la fluencia, y la baja resistencia a la fractura.

Figura 29. Fractura con ambas características de las fallas dúctiles y frágiles.

2.4 Rotura del diente por deformaciones plásticas.

La rotura del diente por deformaciones plásticas tiene lugar en los engranajes sometidos a sobrecargas bajo la acción de las fuerzas de rozamiento. En estas fallas el diente puede entrar en fluencia, arrastrando material por la acción del deslizamiento, apareciendo estrías o rebabas en la cabeza, y se deforma el diente hasta que ocurre el fallo sonde la carga supera el límite de fluencia del material. Para evitar esta falla se recomienda aumentar la resistencia a la fluencia del material, reducir la carga y utilizar lubricante antidesgaste de alta viscosidad.

2.5 Rotura del diente por fatiga interior del diente.

El fallo por fatiga interior del diente se diferencia de otros tipos de fallos por fatiga de engranajes por el origen de la grieta, que es en el interior del diente, como se muestra en la figura 30 (8). Estas grietas pueden aparecer cuando se aplica el tratamiento térmico, producto a las tensiones residuales, cuando se rectifica el diente, etcétera.

Figura 30. Grieta en el interior del diente.

Otro caso de agrietamiento interior es la falla por separación de la capa-núcleo, estas fisuras internas causan esquinas, bordes o puntas de los dientes que se separan, como se muestran en la figura 31. Si se observa la superficie de la fractura, muestra característica de fractura por fragilidad. Las causas de estas fallas son la alta tensión de la tracción residual en la interfaz de capa-núcleo debido a la profundidad excesiva de la capa. Se recomienda evitar estos tipos de fallos, utilizando una profundidad de la capa apropiada, revenir inmediatamente después del temple y evitar los bordes afilados.

Figura 31. Superficie de la fractura con característica de fractura frágil.

3. Falla por agrietamiento.

Consiste en la formación de grietas en los flancos de los dientes, cerca de la circunferencia exterior, con lo que se pueden producir desmoronamientos locales progresivos. Puede ser consecuencia de variaciones bruscas de temperatura, por defecto de lubricación, dureza excesiva del material o variación de las condiciones del esfuerzo transmitido. Cuando las grietas son varias y estrechamente agrupadas, su origen puede ser debido a varias causas. La dirección y posición de las mismas podrá dar idea de la posible causa (material, forja, tratamiento térmico, etc.). Frecuentemente, estas grietas o fisuras solamente pueden ponerse en evidencia por reactivos químicos o detectores magnéticos.(9)

3.1 Falla por agrietamiento en el tratamiento térmico.

Esta falla es la fisuración del engranaje durante o después del tratamiento térmico. Se pueden observar grietas intergranulares que van desde la superficie hacia el centro de la masa, como se muestra en la figura 32. Las causas de esta falla son las tensiones térmicas debido a un calentamiento o enfriamiento no uniforme. Se recomienda para evitar esta falla utilizar un tratamiento térmico adecuado y evitar las concentraciones de esfuerzos.

Figura 32. Grietas que van desde la superficie hacia el centro.

3.2 Falla por agrietamiento en el esmerilado.

Esta falla son grietas que aparecen en la superficie del diente durante o después del rectificado. Se aprecian grietas superficiales finas, con un patrón en forma de maya paralela o irregular, como se muestra en la figura 33. Las causas que provocan esta falla son el excesivo calor o tensión generada en el proceso de rectificado además del material poseer una microestructura sensible.

Figura 33. Grietas superficiales finas en forma de maya paralela o irregular.

3.3 Falla por agrietamiento en el alma o en la llanta.

En esta falla se agrietan el alma o la llanta del cuerpo del engranaje, como se muestra en la figura 34. Por lo general las grietas comienzan por la concentración de tensiones. Las causas pueden ser el alma o la llanta de los engranajes muy finos, o la resonancia del cuerpo del engranaje. Se recomienda para evitar esta falla diseñar un engranaje con el espesor adecuado del alma y la llanta, evitar las concentraciones de tensiones y evitar la resonancia.

Figura 34. Grietas en el alma del engranaje.

3.4 Falla por agrietamiento debido a la fatiga.

La falla de agrietamiento por fatiga implica la acción de otras fallas mencionadas anteriormente, un ejemplo es en la falla de fatiga por contacto, el agrietamiento y desprendimiento de fragmentos de la superficie debido a tensiones cíclicas con presencia de picadura en la superficie del perfil del diente, grietas en los límites de las cavidades y marcas de playas en los cráteres, como se muestra en la figura 35. Las causas por las que ocurre esta falla son las altas tensiones de contacto, la baja resistencia a la fatiga y el espesor inadecuado de película específica del lubricante.

Figura 35. Agrietamiento y desprendimiento de fragmentos de la superficie.

Otro ejemplo es la fatiga de las capas que provoca finas grietas en engranajes cementados, en la zona de transición entre la capa y el núcleo, creando cráteres longitudinales con afilados bordes perpendiculares, como se muestra en la figura 36. Las causas que provocan esta falla son inclusiones cerca de la capa y el núcleo, y las tensiones de contacto superan la resistencia a la fatiga debajo de la superficie. Se recomienda para evitar esta falla reducir las tensiones d contacto, aumentar la dureza de las capas, aumentar la profundidad la misma y aumentar la dureza del núcleo.

Figura 36. Cráteres longitudinales con afilados bordes perpendiculares.

En el caso de las grietas que se forman en la base del diente, como se muestran en la figura 37, donde su origen es en la curvatura de la raíz en el punto de máximo esfuerzo de flexión es una falla producto a la fatiga de flexión por alto número de ciclos. Las causas de esta falla son los elevados esfuerzos a flexión y la baja resistencia del material a la fatiga.

Figura 37. Grietas en la base del diente.

Por otra parte las grietas formadas en el perfil activo del diente, como se muestra en la figura 38, que se originan a partir de defectos o en la concentración de tensiones son producto de la fatiga por flexión con alto número de ciclos. Las causas son por la concentración de tensiones debido a la presencia de picadura en el perfil del diente, defectos del material o grietas preexistentes. Se puede evitar este tipo de falla, evitando la concentración de esfuerzos, reduciendo la tensión de contacto y aumentando la resistencia a la fatiga.

Figura 38. Grietas y desprendimiento de material en el perfil activo del diente.

Presentamos un último ejemplo que son las grietas originadas en los extremos de los dientes, como se muestran en la figura 39, producto de la fatiga por flexión debido al alto número de cilcos. Las causas de esta peligrosa falla son producto a la desalineación de los engranajes, la concentración de tensiones y defectos o baja resistencia a la fatiga en los extremos de los dientes. Se recomienda evitar esta falla evitando la desalineación de los engranajes, evitando la concentración de esfuerzos, evitando los defectos en el material y aumentado la resistencia a la fatiga.

Figura 39. Grietas originadas en los extremos de los dientes.

Conclusiones

• 1. Los modos de fallas volumétricas más frecuentes en engranajes metálicos son: la fatiga producto de la flexión, la fractura del diente y el agrietamiento.

• 2. En las transmisiones por engranajes metálicos la falla más peligrosa es la rotura del diente que para evitarla, los dientes se calculan a flexión.

• 3. Es esencial el conocimiento de las fallas en los engranajes y sus causas para realizar un correcto diseño del par de ruedas dentadas.

• 4. Según las diferentes normas de cálculo de engranajes existen diferentes procedimientos normalizados para el diseño de engranajes contra fallas volumétricas.

Referencias bibliográficas

1. RODRÍGUEZ, M. I. Á. S. M. Consideraciones acerca del Diseño de los Engranajes Cilíndricos de Dientes Rectos aplicables a su recuperación. Universidad Central "Marta Abreu"de Las Villas, 2001.

2. HENRIOT, G. Traité Théorique et Pratique des Engrenages. Edtion ed. París, 1991. ISBN 2-04-015607-0.

3. ISO.6336-3:1996, I. S. Calculation of load capacity of spur and helical gears In Part 3: Calculation of tooth bending strength. Switzerland, 1999.

4. ALBAN, L. E. Systematic Analysis of Gear Failures. 1990.

5. ESPINOSA, J. E. P. ANÁLISIS DE FALLA DE FATIGA POR FLEXIÓN EN LA RAIZ DE UN DIENTE DE ENGRANAJE RECTO CON PRO/ENGINEER. Universidad Austral de Chile, 2007.

6. FERNANDEZ, P. J. L. Tooth bending fatigue failures in gears. In. Great Britain, 1996, p. 219-225.

7. GUILLERMO ABREU RUANO, J. L. M. R. Máquinas y Equipos para el ensayo de transmisiones por engranajes. 2010.

8. MACKALDENER, M. Tooth Interior Fatigue Fracture & Robustness of Gears 2001, 11-38.

9. FUENTES, A. A. Modelo de Cálculo a Flexión de Engranajes Cilíndricos de Perfil de Evolvente. U.N.E.D., 1996.

Autor:

Ing. Osmany Pallí Pérez

Dr.C. Ing. Jorge L. Moya Rodríguez.

Dr.C. Ing. Ángel S. Machado Rodríguez