¿Por qué dos reductoress de engranajes con relaciones de transmisión idénticas producen niveles de ruido y vibración completamente diferentes? La respuesta reside en el engranaje: la interacción física entre los dientes al acoplarse, transferir carga y desacoplarse. Los ingenieros suelen tratar la geometría de los dientes y el análisis de vibraciones como disciplinas separadas, pero el engranaje las vincula directamente. Cada parámetro de engranaje que se define durante el diseño se refleja posteriormente en la pantalla del analista como una frecuencia medible, un patrón de contacto o una señal de vibración.
¿Qué sucede cuando los dientes de un engranaje se acoplan?
El engranaje es el proceso cíclico de acoplamiento de los dientes a lo largo de la línea de acción: la trayectoria recta tangente a ambos círculos base donde los flancos involutos de los dientes hacen contacto. A medida que los dientes motrices y conducidos giran a través de la zona de engranaje, el punto de contacto se desplaza a lo largo de esta línea desde el inicio hasta el final del acoplamiento.
El ángulo de presión define la inclinación de la línea de acción con respecto a la tangente común de los círculos primitivos. Los engranajes estándar utilizan un ángulo de presión de 20 grados, aunque en aplicaciones de alta carga donde se requieren raíces de dientes más resistentes, se emplean diseños de 25 grados. Un ángulo de presión mayor incrementa la carga radial sobre los cojinetes, pero produce una base de diente más ancha y una mayor resistencia a la flexión.
El perfil involuto del diente garantiza que la relación de velocidad angular se mantenga constante, independientemente de pequeñas variaciones en la distancia entre centros. Esta es la ley fundamental del engranaje: la normal común en el punto de contacto siempre debe pasar por el punto de paso. Sin esta propiedad, los engranajes producirían fluctuaciones de velocidad con cada engranaje, vibraciones torsionales que dañarían los acoplamientos y cojinetes posteriores.
Relación de contacto y reparto de carga
Una relación de contacto de 1.0 significa que exactamente un par de dientes soporta la carga completa en todo momento, sin superposición alguna entre los dientes que se desenganchan y los que se engranan. En la práctica, esto es inaceptable. El mínimo estándar es 1.2, y las relaciones nunca deben ser inferiores a 1.1.
Una relación de contacto entre 1 y 2 significa que parte del ciclo de malla tiene un par en contacto, y parte tiene dos pares compartiendo la carga. Entre 2 y 3, siempre hay al menos dos pares en contacto, y tres pares comparten la carga durante las zonas de transición. Durante el período de doble contacto, La rigidez de la malla aumenta entre un 40 y un 100 por ciento. en comparación con la fase de un solo diente. Esa variación de rigidez es la principal fuente de excitación para la vibración de frecuencia de engranaje.
Los engranajes rectos suelen alcanzar una relación de contacto de alrededor de 1.2. Los engranajes helicoidales añaden un componente de solapamiento debido al ángulo de hélice, lo que produce relaciones de contacto totales de 2.0 o superiores; por eso, los conjuntos helicoidales funcionan de forma más silenciosa y soportan cargas más elevadas por unidad de ancho de cara.
Existen tres métodos para aumentar la relación de contacto: disminuir el ángulo de presión (a costa de la resistencia del diente), aumentar el número de dientes (engranaje más grande o módulo más fino) o aumentar la profundidad de trabajo del diente. La clase de precisión del engranaje determina la consistencia con la que estos parámetros de diseño se traducen en un comportamiento de contacto real: un engranaje de grado 6 mantiene tolerancias más estrictas en el espaciado y el perfil de los dientes que uno de grado 10, y esa precisión afecta directamente a si la relación de contacto calculada coincide con la realidad.
Frecuencia de engranajes
Cálculo de GMF
La frecuencia de engranaje (FG) es igual al número de dientes multiplicado por la velocidad de rotación del eje. Un piñón de 17 dientes que gira a 1,800 RPM produce una FG de 30 600 ciclos por minuto (510 Hz). Ambos engranajes generan la misma FG, ya que el producto del número de dientes y la velocidad es idéntico para cada engranaje del par.
En las reductoress de engranajes multietapa, cada engranaje produce su propia frecuencia fundamental de engranaje (FGM). Un reductor de dos etapas tiene dos frecuencias de engranaje distintas, y ambas aparecen en el espectro de vibración junto con sus armónicos.
Armónicos y bandas laterales
En todos los espectros de reductoress de engranajes, incluso en las que funcionan correctamente, aparecen armónicos a 2x y 3x GMF. El valor diagnóstico reside en las amplitudes relativas, no en la presencia de los armónicos en sí. En una reductores de engranajes bien alineada y con la carga adecuada, el GMF fundamental predomina y los armónicos disminuyen progresivamente. Cuando el segundo armónico supera al fundamental, la causa más probable es una desalineación.
Las bandas laterales son picos igualmente espaciados que flanquean la frecuencia fundamental de engranaje (GMF) y sus armónicos. Se forman debido a que un defecto localizado en un engranaje modula la vibración de engranaje a la velocidad de rotación del eje. El espaciado entre las bandas laterales permite identificar qué eje lleva el engranaje defectuoso. Un diente dañado en el piñón de 17 dientes a 1,800 RPM produce bandas laterales espaciadas a 30 Hz (1,800/60) alrededor de cada armónico de engranaje.
Establezca el ancho de banda del análisis de espectro en al menos 3.25 veces el GMF esperado. Esto captura el tercer armónico y sus bandas laterales; cualquier valor inferior conlleva el riesgo de que se recorte la información de diagnóstico.
Reacción adversa en Gear Mesh
La holgura es el espacio libre entre los flancos de los dientes que no son motrices cuando los flancos motrices están en contacto. Cierta holgura es intencional y necesaria: proporciona espacio para la película lubricante, permite la dilatación térmica y evita que los dientes se atasquen debido a las tolerancias de fabricación.
Una holgura demasiado pequeña provoca atasco de los dientes, calor excesivo y desgaste acelerado, especialmente cuando la reductores de engranajes alcanza la temperatura de funcionamiento y la expansión térmica cierra la holgura restante. reacción Introduce un movimiento perdido que se manifiesta como un error de posicionamiento en las aplicaciones de servomotores y produce vibraciones bajo cargas reversibles.
Una lubricación adecuada previene la mayoría de las fallas prematuras de los engranajes, y la holgura juega un papel fundamental: el espacio libre es donde se forma la película lubricante entre los flancos sin carga. Si se elimina ese espacio, se elimina la película de aceite, y el contacto metal con metal se produce en cuestión de horas.
Las causas de la holgura incluyen la tolerancia de diseño intencionada (adelgazamiento de los dientes durante el mecanizado), la variación de la distancia entre centros y el desgaste acumulado. La medición de la holgura durante el montaje establece una línea de base; su seguimiento a lo largo del tiempo revela la tasa de desgaste. Consulte la norma AGMA 2002 para conocer las clases de tolerancia que se ajustan a sus requisitos de precisión.
Interpretación de patrones de contacto de engranajes
Los patrones de contacto revelan lo que realmente sucede en la interfaz del diente, en contraposición a lo previsto en el diseño. Un engranaje en buen estado muestra una banda de contacto centrada en la cara del diente, que cubre la mayor parte del ancho de la cara y aproximadamente la mitad de la altura del diente.
La desalineación desplaza el patrón de desgaste hacia un extremo de la cara. La sobrecarga concentra el contacto hacia la punta o la raíz. La flexión del eje produce un patrón diagonal a lo largo del diente. Cada uno de estos factores acelera el desgaste en la zona cargada, dejando el resto del diente sin carga; la resistencia del engranaje depende de su área de contacto real, no de su área teórica.
La comprobación de los patrones de contacto durante el montaje permite detectar desalineaciones antes de que dañen los dientes. Marcar los dientes con compuesto durante una prueba de rodadura sin carga es la forma más sencilla de verificarlo. modificaciones dentales Técnicas como el abombamiento y el alivio de los extremos compensan los desplazamientos de contacto inducidos por la deflexión, pero la modificación debe coincidir con el modo de deflexión real; aplicar abombamiento para corregir un problema de desalineación enmascara la causa principal. Lapeado Mejora el contacto en engranajes endurecidos al eliminar puntos altos microscópicos, aunque no puede corregir errores significativos de perfil o avance.
Cómo se conectan los parámetros de la malla
La relación de contacto, la frecuencia de engranaje, el juego y los patrones de contacto no son variables independientes; forman un sistema interconectado donde una decisión de diseño en un parámetro se manifiesta como un indicador en otro. He visto a demasiados analistas de vibraciones descartar engranajes basándose únicamente en una amplitud elevada de GMF, para luego descubrir que la causa raíz real era un defecto en el rodamiento o un perno de la carcasa flojo que transmitía la vibración a través de la misma.
La jerarquía de diagnóstico funciona como una escalera. En una reductores de engranajes en buen estado, la frecuencia fundamental de giro (GMF) y los armónicos de bajo orden dominan el espectro con bandas laterales simétricas de baja amplitud. A medida que avanza el desgaste, las amplitudes de las bandas laterales aumentan y se vuelven asimétricas. Los daños localizados —un diente agrietado, una picadura, una descamación— producen bandas laterales intensas espaciadas a la frecuencia de rotación del eje, además de impactos en el dominio del tiempo visibles en la forma de onda. La condición más severa introduce la frecuencia de oscilación del diente, que solo aparece cuando dientes específicos de engranajes engranados entran en contacto repetidamente.
| Tipo de falla | Firma principal | Indicador secundario |
|---|---|---|
| Dientes gastados | Alto GMF 1x y 3x | Numerosas bandas laterales de alta amplitud |
| Desalineación | 2x GMF supera 1x GMF | Patrón de contacto irregular en un extremo |
| reacción excesiva | Energía de banda lateral alrededor de GMF | Vibraciones bajo cargas reversibles |
| Diente agrietado | Impacto de 1x RPM del eje en forma de onda | Patrón de banda lateral localizado |
Antes de descartar los engranajes, capture las formas de onda en el dominio del tiempo junto con los espectros, verifique el estado de los rodamientos de forma independiente y compárelas con las lecturas de referencia. Patrones de daño dental A menudo, estos datos confirman o contradicen lo que sugieren los datos de vibración; correlacionar ambos evita diagnósticos erróneos costosos.
Conclusiones para ingenieros en activo
Los parámetros de la malla forman un sistema interconectado, no una colección de definiciones aisladas. La relación de contacto que seleccione durante el diseño determina la variación de rigidez que impulsa la excitación de la frecuencia de la malla. El juego que especifique determina si la película lubricante se mantiene a la temperatura de funcionamiento. El patrón de contacto que verifique durante el montaje determina si sus cálculos de capacidad de carga tienen sentido en la práctica. Cuando un analista de vibraciones detecta un GMF elevado de 2x en una reductores de engranajes que usted diseñó, se trata de la relación de contacto, la especificación de alineación y las decisiones de modificación de los dientes que se manifiestan en el dominio de la frecuencia. Diseñe la malla como un sistema y dedicará mucho menos tiempo a diagnosticarla posteriormente.
