Los dientes de engranajes pueden fallar de diversas maneras, cada una con causas específicas y señales de advertencia que los equipos de mantenimiento deben reconocer. Comprender estos modos de falla ayuda a prevenir averías catastróficas y prolonga la vida útil del equipo mediante un mantenimiento y una operación adecuados.
Picaduras
Las picaduras se producen cuando la tensión de contacto repetida en los dientes del engranaje excede el límite de resistencia de la superficie del material, lo que provoca la formación de pequeños cráteres en la superficie del diente.
El proceso suele comenzar con pequeñas imperfecciones superficiales o puntos altos que generan concentraciones localizadas de tensión. Estas grietas se propagan bajo carga continua, provocando el desprendimiento de pequeños trozos de material de la superficie. Las picaduras iniciales suelen aparecer poco después de la entrada en servicio de un engranaje nuevo, a medida que se desgasta, y estas picaduras leves pueden estabilizarse una vez que se eliminan los puntos altos. Sin embargo, si las tensiones de contacto siguen siendo excesivas, las picaduras progresivas continúan con cráteres cada vez más grandes.
Las picaduras suelen deberse a una sobrecarga superior al par de diseño, una dureza insuficiente del material, una desalineación de los engranajes o una lubricación inadecuada. Sin suficiente película de aceite, las asperezas superficiales entran en contacto directo, acelerando la fatiga. Los contaminantes o agentes corrosivos presentes en el lubricante también reducen la resistencia a la fatiga superficial al crear puntos de inicio de grietas.
Ropa
El desgaste se refiere a la pérdida gradual de material de las superficies de los dientes de los engranajes por acción mecánica o química. Tres factores principales influyen en el desgaste de los engranajes:
- Lubricación inadecuada que provoca contacto directo con la superficie
- Partículas abrasivas en el aceite que cortan físicamente las superficies de los dientes.
- Interacciones químicas derivadas de una química lubricante inadecuada
El desgaste se manifiesta en distintos grados de gravedad.
- El desgaste del pulido se manifiesta como un alisado leve de la superficie con marcas de mecanizado que se desvanecen; esto suele ocurrir durante el rodaje inicial y puede ser normal.
- El desgaste moderado muestra superficies bruñidas con marcas de mecanizado desgastadas en el dedendum.
- El desgaste abrasivo severo crea rayones, ranuras o marcas paralelas evidentes debido a contaminantes duros.
Una lubricación deficiente o la contaminación propician el desgaste. Cuando la película de aceite es demasiado delgada, los engranajes funcionan en lubricación límite, donde las superficies entran en contacto directo. El lubricante contaminado con partículas duras actúa como un compuesto de rectificado. Los entornos sucios, las juntas defectuosas o una viscosidad de aceite inadecuada aceleran el desgaste más allá de los niveles aceptables.
Rayaduras (rayaduras)
El rayado representa un desgaste adhesivo severo causado por la rotura total de la película lubricante en condiciones de contacto extremas. Cuando la película de aceite no puede separar las superficies dentales, el contacto metal con metal genera un rápido calentamiento por fricción que provoca la soldadura superficial.
A medida que los engranajes siguen girando, estos puntos de soldadura se desgastan, creando una superficie rugosa y rasgada característica. El rayado suele ocurrir repentinamente durante sobrecargas o cuando los engranajes funcionan a alta velocidad sin un rodaje adecuado.
Las superficies raspadas muestran vetas distintivas de áreas rugosas y mate que se extienden a lo largo de la dirección de deslizamiento. Estas manchas decoloradas, a menudo azuladas o de un gris opaco, tienen un aspecto desgarrado y manchado al observarlas con aumento. Las raspaduras suelen concentrarse donde el movimiento de deslizamiento es mayor: cerca de las puntas de los dientes, las raíces o en uno de ellos. ancho de cara finaliza si existe desalineación.
El funcionamiento a alta velocidad y alto par crea condiciones propicias para el rayado al aumentar la temperatura de contacto por encima de la capacidad del lubricante. La viscosidad insuficiente del aceite, los aditivos de extrema presión inadecuados o la contaminación que degrada la película lubricante precipitan el rayado. Una vez iniciado, el rayado tiende a progresar rápidamente a medida que las superficies rugosas generan más calor en un ciclo de retroalimentación destructivo.
Fatiga por flexión
La fatiga por flexión se produce por tensiones de flexión repetidas que provocan la formación y el crecimiento de grietas en la raíz del diente. Cada diente sometido a carga actúa como una viga en voladizo durante el engrane, experimentando tensiones cíclicas de tracción y compresión en su base.
Cuando los rangos de tensión superan el límite de resistencia a la fatiga del material, eventualmente se forman grietas, incluso si las cargas se mantienen por debajo de los límites de resistencia estática. Es la repetición de millones de ciclos de tensión lo que causa la falla. Las concentraciones de tensión provenientes de las muescas de filete de raíz, las rayaduras o las inclusiones de material aceleran drásticamente la formación de grietas.
La fatiga por flexión clásica comienza con una grieta en el filete de raíz del lado cargado. Las grietas tempranas pueden ser invisibles sin una inspección especializada. A medida que la operación continúa, la grieta se propaga perpendicularmente al perfil del diente. La superficie de la fractura muestra distintivas "marcas de playa": líneas semicirculares concéntricas que revelan la progresión gradual de la grieta desde el punto de origen.
Las aplicaciones de alto ciclo cerca de los límites de capacidad de carga experimentan fatiga por flexión con mayor frecuencia. Incluso una sobrecarga leve reduce drásticamente la resistencia a la fatiga. La desalineación concentra la carga en pequeñas porciones del diente, lo que aumenta la tensión local. Los filetes de raíz afilados, las rayaduras de fabricación o un tratamiento térmico inadecuado favorecen la aparición prematura de grietas.
Fatiga superficial (micropicaduras y desconchado)
La fatiga superficial abarca la micropicadura y el desconchado, ambos causados por tensiones de contacto repetidas que desprenden partículas de material de la superficie dental. Las tensiones cíclicas de compresión y cizallamiento provocan grietas por fatiga en la superficie o cerca de ella.
- Micropicaduras Crea micropicaduras (de menos de 10 micrómetros de profundidad) que dan a las superficies un aspecto gris mate esmerilado. Esto ocurre en engranajes cementados y endurecidos sometidos a cargas elevadas cuando las finas películas de lubricante interactúan con las asperezas de la superficie. Cada micropicadura es el resultado de una microfisura que provoca el desprendimiento de diminutas partículas de material.
- Desconchado Representa una fatiga de contacto avanzada, donde se desprenden fragmentos superficiales más grandes. Se forman cráteres grandes e irregulares con bordes dentados a medida que las grietas por fatiga se propagan y se unen. En engranajes cementados, fragmentos de la capa endurecida pueden desprenderse por completo, dejando al descubierto material del núcleo más blando.
El micropitting se presenta como una capa grisácea de escarcha sobre la superficie dental, que al ampliarla revela patrones densos de pequeños cráteres. El desconchado muestra cavidades evidentes o fragmentos faltantes, que a menudo comienzan por debajo de la línea de paso. Ambas condiciones provocan un aumento de la vibración y el ruido.
Estas fallas ocurren bajo altas tensiones de contacto repetidas, especialmente con lubricación inadecuada o cargas excesivas. Los engranajes con superficies endurecidas con suavidad insuficiente o una formulación de lubricante incorrecta son particularmente susceptibles. Factores ambientales como las condiciones límite de lubricación o las cargas dinámicas aceleran el desarrollo de la fatiga superficial.
Rotura de dientes
La rotura de un diente implica la fractura completa de un diente de engranaje y se produce por dos mecanismos principales: sobrecarga repentina o propagación de grietas por fatiga. La sobrecarga estática causada por atascos o cargas de impacto puede cizallar los dientes instantáneamente cuando la tensión supera la resistencia máxima del material.
Más comúnmente, la rotura se produce por grietas por fatiga por flexión que reducen la sección transversal del diente con el tiempo. La grieta debilita gradualmente el diente hasta que el material restante no puede soportar las cargas operativas, provocando una fractura repentina.
La falta de dientes o fragmentos dentales proporciona evidencia evidente de rotura. Las superficies de fractura revelan el tipo de fallo: las fracturas por sobrecarga aparecen uniformes y cristalinas, mientras que las fracturas por fatiga muestran marcas de playa con zonas de origen de grietas bien definidas y zonas de ruptura final.
Las sobrecargas catastróficas ocurren durante paradas de emergencia, choques de herramientas o picos de par debido a fallas eléctricas. La rotura por fatiga ocurre cuando los engranajes superan su capacidad de fatiga debido a cargas excesivas, mala calidad del material o desalineación que aumenta la tensión de flexión. Un mantenimiento deficiente que ignora las grietas crecientes permite que progresen hasta la rotura completa.
Flujo plástico (deformación plástica)
La fluencia plástica se produce cuando las tensiones de contacto empujan el material de la superficie más allá de su límite elástico, causando una deformación permanente en lugar de fractura o desgaste. Esto ocurre cuando materiales relativamente blandos o superficies con un endurecimiento insuficiente experimentan cargas que desplazan físicamente el metal.
El mecanismo implica que el material ceda y fluya bajo presión, de forma similar a como se deforma la masa al apretarla. El fuerte contacto deslizante, combinado con una alta tensión de compresión, literalmente mancha los metales más blandos. En lugar de agrietarse o desgastarse, el material se redistribuye por la superficie.
Se forman ondulaciones o crestas a lo largo del perfil del diente en la dirección de deslizamiento. El material se acumula en los bordes del diente, creando rebabas elevadas. La superficie luce manchada en lugar de picada o rayada. En casos graves, el perfil del diente se altera por completo, presentando picos y valles donde no debería haberlos.
Las cargas estáticas elevadas a bajas velocidades propician el flujo plástico al permitir una mayor duración del contacto. Los componentes deslizantes importantes generan calor que reblandece las superficies. Un endurecimiento insuficiente, una lubricación inadecuada o las sobrecargas frecuentes favorecen la deformación plástica. Engranajes helicoidales sufren particularmente este modo de fallo debido a su alta acción de deslizamiento bajo carga.
FAQs
¿Qué tan rápido se producen los daños por rozaduras?
El rayado puede ocurrir casi instantáneamente, en cuestión de segundos o minutos, cuando la película lubricante se rompe en condiciones extremas. Una vez iniciado, progresa rápidamente mediante un ciclo de retroalimentación de aumento de fricción y calor.
¿Pueden las picaduras iniciales curarse por sí solas?
Sí, las picaduras iniciales leves suelen estabilizarse a medida que se pulen los puntos altos y la carga se redistribuye de forma más uniforme. Sin embargo, si las tensiones de contacto se mantienen excesivas, las picaduras progresarán hasta alcanzar niveles destructivos que requerirán el reemplazo del engranaje.
¿Qué causa la mayoría de las roturas de dientes de engranajes?
La fatiga por flexión causa la mayoría de las roturas de dientes. Las grietas se originan en el filete de la raíz y se propagan durante millones de ciclos hasta que el material restante se fractura repentinamente. Las roturas por sobrecarga pura son menos frecuentes durante el funcionamiento normal.
¿Cómo puedo evitar el flujo de plástico en materiales de engranajes blandos?
Asegúrese de que la tensión de contacto se mantenga por debajo de la resistencia al rendimiento del material mediante límites de carga adecuados, utilice lubricantes EP adecuados para minimizar la fricción y considere materiales más duros o tratamientos de superficie para aplicaciones muy cargadas.
¿Por qué fallan los engranajes incluso con una lubricación adecuada?
Incluso con una buena lubricación, los engranajes pueden fallar debido a cargas excesivas que superan los límites de diseño, fatiga del material después de millones de ciclos, desalineación que causa una distribución desigual de la tensión o contaminación que introduce partículas abrasivas.
