Fallas superficiales 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, sin dejar de mencionar el fallo inevitable
debido al desgaste normal en el flanco del diente, donde va
perdiendo propiedades mecánicas progresivamente hasta que
ocurre el fallo.

Clasificación de las fallas
superficiales en los engranajes
metálicos.

La falla más común en las transmisiones
por engranajes metálicos cerradas, que están bien
lubricadas y protegidas contra la contaminación es la
picadura, mientras que en las transmisiones abiertas, mal
lubricadas es la falla por desgaste. (1-10)

En las Transmisiones por engranajes metálicos se
pueden presentar diversos modos de fallas superficiales las
cuales se agrupan en cuatro grandes grupos:

1. Fallas Superficiales en los dientes del
engranaje

2. Falla del diente debido a la fatiga por
contacto

3. Falla superficial por gripado

4. Fallas superficiales por deformaciones
plásticas

1. Fallas
Superficiales en los dientes del engranaje.

Las fallas que van menguando la capacidad y el
rendimiento del diente en la superficie del engranaje, (3) son
fallas que pueden aparecer a largo plazo, el operario en muchos
casos no se daría cuenta de que está ocurriendo,
por lo que es importante conocer estas fallas para poder
identificar la posible causa de su aparición y desarrollo
para corregirla a tiempo antes de que ocurran pérdidas
materiales. Dentro de este grupo se encuentran, las fallas por
fatiga superficial, fallas por desgaste, fallas por gripado y
otras.

1.1 Falla por desgaste.

En el caso de la falla por desgaste puede aparecer en
varias formas, cada una responde a una o varias causas
específicas, según su comportamiento. El desgaste
de las superficies de los dientes será tanto mayor, tanto
más deslizamiento específico haya entre los dientes
y cuanto mayor sea la tensión por contacto a la
compresión en estas superficies. Por cuanto el
máximo deslizamiento específico tiene lugar en los
puntos iniciales y finales de contacto de los dientes, entonc es
el máximo desgaste se produce en los pies y en las cabezas
de los dientes. En el polo del engrane no hay deslizamiento de
los perfiles, por eso el desgaste en la zona circumpolar
será mínimo.(11-13)

1.2 Desgaste abrasivo.

El desgaste abrasivo es una de las principales causas de
la inutilización de los engranajes abiertos y cerrados, en
las máquinas que trabajan en ambientes agresivos. El
desgaste no es uniforme a lo largo del perfil del diente, debido
a la velocidad no uniforme de deslizamiento y a las tensiones
irregulares de contacto por presión. Sin embargo, debido
al cambio de los radios de curvatura durante el desgaste,
éste se hace uniforme. Los dientes desgastados adquieren
una forma específica aguzada, como muestra la figura
2.(1)

Una microscopía electrónica de barrido
aplicada al flanco del diente muestra surcos finos y limpios. Las
principales causas de esta falla son la contaminación por
partículas duras o afiladas y las asperezas duras en ambos
dientes en contacto. Para evitar esta falla se recomienda remover
los abrasivos que puedan existir y el uso de las superficies de
los dientes lisas y templadas.

Figura 2. Surcos en los dientes
producto al desgaste abrasivo.

1.3 Desgaste adhesivo.

El desgaste adhesivo, ocurre en superficies de
deslizamiento cuando la presión entre las asperezas en
contacto provoca deformaciones plásticas locales y la
adhesión. Donde ocurren deformaciones plásticas, la
energía se absorbe en forma de calor. El desgaste adhesivo
puede presentarse por instantes y es un proceso que se repite y
que inevitablemente lleva a la destrucción.(2)

En esta falla se transfiere material entre las
superficies de los dientes complementarios debido a
microsoldaduras y lagrimeo, como se muestra en la figura 3. La
causa que la provoca es el desgaste normal de las asperezas del
flanco durante el rodaje. Para evitar este tipo de fallo se
recomienda utilizar superficies lisas y en el primer
mantenimiento en nuevos engranajes, vaciar, enjuagar, y sustituir
el aceite después del rodaje.

Figura 3.Superficie del flanco del
diente durante el desgaste adhesivo.

1.4 Desgaste por pulido.

El desgaste por pulido es un proceso muy lento de
desgaste, en el cual las asperezas de las superficies de contacto
son progresivamente pulidas hasta desarrollar bellas superficies
lisas y brillantes, como se muestra en la figura 4. Si los
aditivos de extrema presión en el lubricante son demasiado
reactivos químicamente, pueden causar pulido de las
superficies de los dientes del engranaje, hasta que alcancen una
terminación tipo pulido espejo. Aunque los engranajes
pulidos pueden parecer buenos, el desgaste por pulido no es
deseable dado que generalmente reduce la precisión del
engranaje mediante desgaste de los perfiles de los dientes
más allá de las formas ideales.(14)

Figura 4.Superficie pulida del flanco
del diente.

1.5 Rayado.

El rayado abrasivo (Scratching), ocurre cuando el
desgaste del diente se produce de manera rápida, es decir,
con excesiva pérdida del material en los flancos del
diente debido a una inadecuada asociación de materiales, a
insuficiente alisado de los flancos o a escasez de
lubricación, apareciendo unas rayas verticales en los
flancos del mismo. Estas rayas son siempre relativamente
finas y distribuidas a lo largo de la longitud del diente
del engranaje, formando grupos. Especialmente se observa este
fenómeno en ruedas dentadas con módulo
relativamente grande y escasa velocidad tangencial, y en el caso
de existir impurezas minerales en el lubricante con flancos de
dientes ásperos.(15)

1.6 Falla por desgaste por
erosión.

El desgaste por erosión ocurre cuando se elimina
material de la superficie del diente debido al impacto de
pequeñas partículas sólidas, cráteres
finos y longitudinales cerca de los extremos de los dientes, como
se muestra en la figura 5. La causa principal de esta falla es el
movimiento relativo entre las superficies de los dientes y la
existencia de partículas duras en el flujo de la
película de lubricante. Para evitar esta falla se
recomienda la eliminación de los abrasivos del
lubricante.

Figura 5. Cráteres
longitudinales en los extremos de los dientes.

1.7 Falla por desgaste debido a descargas
eléctricas.

Esta falla es el daño que reciben los flancos de
los dientes activos por descargas eléctricas a
través de la película de lubricante, donde este
daño se manifiesta como una superficie picada, en la
microscopía electrónica de barrido se observan
pequeños cráteres hemisféricos y esferas de
metal fundido, como se muestra en la figura 6. La causa de esta
falla está dada porque la corriente eléctrica
alcanza el mecanismo de engranajes, y se puede evitar utilizando
aislamiento eléctrico o de conexión a tierra,
además, no se debe soldar por arco eléctrico cerca
de los engranajes.

Figura 6. Superficie picada debido a
las descargas eléctricas.

1.8 Falla por desgaste debido a la
cavitación.

Esta falla es producto de la deformación y el
desprendimiento de fragmentos de la superficie, debido al colapso
e implosión de burbujas de vapor o lubricante. En esta
falla se observan picaduras, como si las hubiesen hecho con arena
a presión, si se observa en la microscopía
electrónica de barrido, se ven como profundos
cráteres, ásperos y limpios en forma de panal, como
se muestra en la figura 7. Esta falla se puede evitar
disminuyendo la velocidad y evitando las
vibraciones.(4)

Figura 7. Cráteres profundos
en forma de panal debido a la cavitación.

1.9 Falla por desgaste debido a la
corrosión.

La falla por desgaste debido a la corrosión se
pone de manifiesto cuando existe la reacción
química o electroquímica entre un equipo y su
entorno; se observan superficies manchadas u óxido con
depósitos color marrón rojizos, como se muestra en
la figura 8. Se puede observar en la microscopía
electrónica de barrido. La causa de esta falla es la
contaminación del lubricante por agua o ácido.
Aditivos anti desgaste excesivamente reactivos. Esta falla se
puede evitar eliminando los contaminantes además de
vaciar, enjuagar y sustituir el lubricante.

Figura 8. Óxido con
depósitos color marrón rojizos en la superficie del
engranaje.

1.9.1 Falla por desgaste debido a la corrosión
por contacto.

Este tipo de falla se debe al deterioro de la superficie
del diente activo, causada por el movimiento vibratorio. Esta
falla se puede observar como surcos a lo largo de las
líneas de contacto, como se muestra en la figura 9; a
simple vista, se observan partículas por el desgaste de
color marrón rojizo. Si se observa en una
difracción por rayos X, se aprecia a – Fe2O3. La
causa fundamental de esta falla es la vibración sin
rotación.

Figura 9. Surcos y partículas
marrón rojizas a lo largo de la línea de
contacto.

1.10 Falla por desgaste debido a la adhesión y
transferencia de metal.

La falla consiste en la adhesión severa y
transferencia de metal entre los dientes, debido al
desgarramiento por soldadura. La superficie de los dientes se
vuelve áspera, con rayas color mate a lo largo de la
dirección del deslizamiento en la cabeza, el pie del
diente o en ambas, como se muestra en la figura 10. Esta falla se
origina cuando la temperatura de contacto del diente supera la
temperatura al desgaste abrasivo del lubricante. Se puede evitar
reduciendo la temperatura de contacto, utilizando lubricantes de
alta viscosidad antidesgaste y mejorando el
enfriamiento.

Figura 10. Asperezas y rayas mate en la
cabeza, el pie del diente o en ambas.

2 Falla del
diente debido a la fatiga por contacto.

Producto de la carga aplicada en la superficie del
diente se generan grietas que se extienden por debajo de
ésta hasta provocar el desprendimiento de pequeñas
partículas de material. La principal propiedad
mecánica que ofrece resistencia a este tipo de falla es la
dureza superficial del material.

2.1 Falla debido a la fatiga por contacto,
picadura.

La falla por picadura es la fatiga en la superficie de
los dientes del engranaje, y consiste en la aparición
sobre la superficie de pequeños hoyos semejantes a
cavidades alveolares que crecen, convirtiéndose luego en
oquedades. La picadura puede ser inicial (limitada) o
progresiva.

2.1.1 Falla por fatiga superficial, picadura
inicial.

La picadura inicial es debida a la concentración
de la carga en la longitud de los dientes. En las ruedas de
materiales de buena adaptación funcional la picadura puede
cesar, y prácticamente no influye sobre el trabajo de la
transmisión por engranajes, ya que las cavidades formadas
desaparecen poco a poco por laminado, tornándose la carga
más uniforme.

La picadura aparece cerca de la línea polar,
sobre los pies de los dientes, donde, debido a las
pequeñas velocidades de desplazamiento, se originan
grandes esfuerzos de fricción. Presenta cavidades
localizadas de menos de un milímetro de diámetro
como muestra la figura 11.Luego se extiende a toda la superficie
de los pies, debido a la alta concentración de la carga en
las asperezas. Para evitar la picadura los dientes se calculan a
la fatiga superficial, mejorar la precisión y reducir las
rugosidades en la superficie.

Figura11. Cavidades que se extienden
a toda la superficie del pie de los dientes.

2.1.2 Falla por fatiga superficial, picadura
progresiva.

La picadura progresiva es peligrosa, ya que se extiende
a toda o una parte de la longitud de los dientes. La picadura
lleva al aumento de la presión sobre las partes aún
no desmenuzadas de la superficie, a la expulsión del
lubricante a las cavidades y, finalmente, al aplastamiento
plástico o bie n al agrietamiento y desprendimiento de las
asperezas superficiales. Se pueden apreciar las cavidades
más grandes que 1 mm que cubre un área
significativa de la superficie del diente activo , como se
muestra en la figura 12. Las causas de esta falla pueden ser la
alta tensión de contacto, la baja resistencia a la fatiga
y el espesor de la película de lubricante
inadecuada.

Figura 12. Cavidades más
grandes que un milímetro.

2.1.3 Falla por fatiga superficial, picadura por
desconchado.

Este tipo de picadura progresiva causa la
separación del flanco del diente de finas capas de
material en forma de abanicos o escamas. A simple vista se puede
apreciar cerca de la línea de contacto grandes hoyos poco
profundos que se extienden en toda la zona de contacto, como se
muestra en la figura 13.Las causas de esta falla son
las mismas que la de la picadura progresiva normal, y se puede
evitar reduciendo la tensión de contacto, aumentando la
resistencia a la fatiga y aumentado el espesor especifico de la
película del lubricante.

Figura 13. Desconchado del flaco del
diente producto a la picadura progresiva.

2.1.4 Falla por fatiga superficial, picadura por
descostrado.

Esta falla se inicia como la picadura progresiva lo que
las cavidades se funden formando cráteres irregulares que
cubren un área significativa de la superficie del diente
activo, como se muestra en la figura 14. Las principales causas
de la aparición de esta falla son las altas tensiones de
contacto, la baja resistencia a la fatiga y el inadecuado espesor
de la película de lubricante.

Figura 14. Cavidades fundidas
formando cráteres irregulares en el flanco del
diente.

2.2 Falla por fatiga superficial,
micropicadura.

La micropicadura es un tipo de fatiga de contacto que
aparece como un esmerilado o mancha gris bajo condiciones de una
capa fina, como se muestra en la figura 15. La superficie
adquiere un acabado como de grabado al aguafuerte, con un
patrón que se asemeja a arrugas o crestas ligeramente
más altas salidas de las huellas del corte u otras
superficies irregulares. Esto generalmente se muestra primero
sobre la sección de dedendum del engranaje motriz, aunque
también puede comenzar sobre la sección de
addendum.

Figura 15. Patrón que refleja
la micropicadura a simple vista.

Cuando es visto bajo aumento, como en la figura 16, la
superficie es vista como un área de muy finos micro
agujeros de alrededor de 0,0001 pulgadas de profundidad. Las
causas pueden estar dadas por cargas superficiales altas y
generación de calor, cuyas finas películas de
lubricación conducen a una lubricación marginal.
Mejorar el acabado superficial resulta un recurso efectivo para
prevenir la micropicadura, mediante el empleo de técnicas
de fabricación tales como el honing y el rectificado,
así como cumplir los ciclos de asentamiento de manera
cuidadosa. Estos procedimientos contribuyen a disminuir la
generación de calor al mejorar la concordancia en el
contacto de los dientes y uniformar la distribución de las
cargas a lo largo de la línea de contacto. Esta falla se
puede evitar aumentando el espesor de la película
específica del lubricante y utilizando lubricantes de alta
resistencia a la micropicadura.

Figura 16. Finos microagujeros en el
flanco del diente en una vista ampliada.

3 Falla
superficial por gripado.

Se define como un daño localizado, causado por la
soldadura de la fase sólida entre superficies que se
deslizan. Es acompañado por la transferencia de metal de
una superficie a otra debido a la soldadura, esto puede ocurrir
en cualquier contacto por deslizamiento o rodadura donde la
película del lubricante no tiene el espesor suficiente
para separar las superficies. Los síntomas son asperezas
microscópicas, superficies con un acabado tipo mate. Los
análisis de la superficie muestran transferencia de metal
de un cuerpo a otro.

El gripado puede ocurrir en los dientes de engranajes
que operan en un régimen de lubricación
límite. Si el espesor de la película no es lo
suficientemente grueso, como para evitar el contacto entre las
superficies de los dientes de los engranajes, ésta puede
romperse y la superficie descubierta, soldarse.

En contraste con la picadura o la fatiga por
flexión, las cuales ocurren después de un
período de operación determinado, el gripado puede
aparecer inmediatamente después de ponerse en marcha el
equipo. De hecho, los engranajes son más vulnerables al
gripado cuando son nuevos y las superficies no se han
asentado.

Los mecanismos básicos del gripado, no
están claramente definidos, por lo general se considera
que es causado por una generación intensa de calor
friccionar, generado por la combinación de altas
velocidades de deslizamiento y una intensa presión de
contacto. La teoría de la Temperatura crítica de
Block es considerada como el mejor criterio para predecir el
gripado. Esta falla se presenta principalmente, cuando existe
deslizamiento bajo condiciones de lubricación
límite (3; 16; 17)

3.1 Escoriación de 1er Grado.

La escoriación de 1er grado, aparece cuando el
esfuerzo es excesivo o la lubricación deficiente. Se
produce incluso en engranajes diseñados correctamente,
cuando no se puede conseguir mantener una película de
lubricante entre flancos conjugados. Se producen pequeñas
zonas ásperas, rugosas, con formación de surcos y
zonas de corrosión en todos los dientes del engranaje,
situadas siempre en la misma posición relativa. Se
presentan por la continuada repetición de roturas de la
película de lubricante, en lo cual también juegan
un papel importante lasaristas de cabeza de los dientes al
principio del movimiento del engrane.(15)

3.2 Escoriación de 2do Grado.

La escoriación de 2do grado, causada por la
violencia del llamado "contacto metálico" entre flancos,
que origina una zona estriada en la región de rodadura,
producida por el desgarro o arranque de pequeñas
partículas metálicas del flanco, y la soldadura o
agarrotamiento de las mismas sobre el mismo flanco. Generalmente
se produce cuando la rueda y el piñón están
fabricados con material de dureza similar, y es demasiado blando
para las características del trabajo.(15)

4. Fallas
superficiales por deformaciones
plásticas.

Las deformaciones plásticas tienen lugar en los
dientes cargados fuertemente de las ruedas dentadas de acero,
bajo la acción de las fuerzas de rozamiento. En estas
fallas la superficie de los flancos puede entrar en fluencia,
arrastrando material por la acción del deslizamiento,
apareciendo estrías o rebabas en la cabeza.
Las partículas de metal de la capa superficial de los
dientes de la rueda conductora, se alejan del polo y los dientes
de la rueda conducida que se acercan al polo; como resultado de
esto, sobre los dientes impulsores se forman surcos a lo largo de
la línea polar, y en los dientes impulsados, crestas.
Estas deformaciones plásticas aparecen con más
intensidad en los dientes de acero con dureza poco elevada,
particularmente con insuficiencia de lubricación y en las
transmisiones de pequeña velocidad.(2; 11; 18;
19)

4.1 Aplastamiento.

El aplastamiento, consiste en la formación de
rebabas en la cabeza del diente, u otras deformaciones
plásticas que indican la insuficiente dureza del material
en relación con la carga. Es el mismo efecto que se
conseguiría por la acción de un aplastamiento del
flanco, por medio de una prensa o martillo. Puede ir
acompañado de escoriación. En esta falla se crean
surcos en las líneas de paso y rebabas en las puntas o
raíces de los piñones, o se forman crestas en las
líneas de paso, como se muestra en la figura 17. Esta
falla se puede evitar reduciendo la tensión de contacto,
aumentando la resistencia a la fluencia o mejorando la
lubricación.

Figura 17. Surcos en las líneas
de paso debido a la deformación
plástica.

4.2 Flujo en frío.

La deformación plástica ocurre a
temperatura más baja que la temperatura de
recristalización. En esta falla, se observan
permanentemente deformados los dientes de los engranajes, como se
muestra en la figura 18. Para evitar esta falla se recomienda
reducir la carga, aumentar la resistencia a la fluencia y mejorar
la lubricación.

Figura 18. Dientes del engranaje
deformados.

4.3 Flujo en caliente.

En esta falla los dientes del engranaje permanecen
permanentemente deformados pero cubiertos con óxido negro
ferroso como se muestra en la figura 19, ocurre a temperatura
superior que la temperatura de recristalización. Esta
falla ocurre producto al sobrecalentamiento y la falta de
lubricación.

Figura 19. Dientes del engranaje
deformados cubiertos con óxido negro
ferroso.

Conclusiones

1. La picadura es la falla más
común en las transmisiones por engranajes cerradas, que
están bien lubricadas y protegidas contra la
contaminación.

2. El desgaste es en las transmisiones
abiertas, mal lubricadas la falla más
común.

3. El desgaste de las ruedas dentadas es
una función de la potencia específica de las
fuerzas de fricción.

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

5. Según las diferentes normas de
cálculo de engranajes existen diferentes procedimientos
normalizados para el diseño de engranajes contra los
diferentes tipos de fallas.

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Autor:

Ing. Osmany Palli
Pérez

Dr.C. Ing. Ángel S. Machado
Rodríguez

Dr.C. Ing. Jorge L. Moya
Rodríguez