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MÓDULO 12

ENGRANAJES

MÓDULO 12

ENGRANAJES INTRODUCCION 1 -- ¡Bienvenidos a la continuación del seminario sobre análisis de fallas! En esta sesión se estudian fallas de engranajes. Los engranajes fallan cuando no pueden llevar a cabo la función para la cual han sido diseñados.

2 -- En esta sesión estudiaremos la función, estructura, fabricación, funcionamiento (incluyendo cargas, desgaste normal, desgaste anormal y fracturas) y los problemas eventuales de los engranajes.

3 -- Nos valdremos de los ocho pasos aplicables al análisis de fallas; sería conveniente aplicar los principios de administración, desgaste, fracturas e inspección ocular que vimos en secciones anteriores. Si nos familiarizamos con todo lo anterior, estaremos preparados para hacer un trabajo de calidad al analizar un engranaje que ha fallado. Recordemos especialmente que debemos obtener la recompensa completando los pasos 6, 7 Y 8.

-1AFA Mod. 12 Engranajes - Fundamentos E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO

4 – A medida que comprendemos los hechos, necesitamos identificar y seguir cuidadosamente las indicaciones de desgaste y fracturas, para llegar a la causa principal de una falla.

5 -- Por lo general, la causa principal de una falla de engranajes está en las áreas de aplicación y mantenimiento. La siguiente causa más probable puede estar en la instalación, seguida de problemas de fabricación y de diseño. Noten que el diseño y la fabricación representan un porcentaje muy pequeño en las fallas de engranajes. Nuestra tarea está en identificar la causa original y tomar las medidas necesarias para corregirla.

6 -- El libro actualizado del análisis de fallas de engranajes "Analyzing Gear Failures" contiene información útil que se debe consultar.

FUNCION 7 -- Los engranajes realizan cinco funciones básicas: 1. Transmiten fuerza 2. Cambian la dirección y/o el ángulo de movimiento. 3. Cambian la velocidad rotacional 4. Cambian el nivel de torsión 5. Transfieren fuerza a una línea de centro de eje diferente.

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8 -- Los engranajes que aplican fuerza se denominan engranajes motores, los que reciben la fuerza, engranajes impulsados. La relación entre engranajes se establece siempre como una comparación entre el número de revoluciones del engranaje motor y el número de revoluciones del engranaje impulsado. En esta ilustración la relación es de 1:2 (cada revolución del engranaje motor de 24 dientes hace girar dos veces el engranaje impulsado de 12 dientes). En una transmisión directa, el engranaje impulsado invierte la dirección de rotación. Las velocidades de rotación se pueden cambiar, modificando el número de dientes y el diámetro de los engranajes.

9 -- Cuando el engranaje motor es más grande que el engranaje impulsado, este último tendrá mayor velocidad de rotación, pero menor capacidad de torsión que el primero. Cuando el engranaje motor es más pequeño que el impulsado, este último tendrá menor velocidad de rotación, pero mayor capacidad de torsión que el primero. Solamente invirtiendo la rotación de los engranajes se aplican cargas de flexión inversa en los dientes de engranajes de una transmisión directa. Como los engranajes pequeños giran más veces que los más grandes con los cuales engranan y generalmente transmiten esfuerzos mayores, con frecuencia los engranajes pequeños se diseñan y fabrican con materiales más resistentes.

10 -- Cuando se necesita mantener la dirección de rotación o cuando los engranajes impulsados están apartados del engranaje motor, se utilizan engranajes locos. Por lo general, el tamaño del engranaje loco no afecta a la relación entre engranajes, capacidad de torsión o velocidad y dirección de rotación de los engranajes motores e impulsados. Los dientes de un engranaje loco hacen un ciclo completo de carga de flexión inversa en cada revolución.

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11 -- Aunque la mayoría de los engranajes Caterpillar se han sacado de piezas brutas de acero forjado, también pueden ser fundidos, prensados de metal en polvo o tallados de una barra de acero o forja acabada (llamada también forja con perfilado).

12 -- Los engranajes de acero forjado acabado tienen flujo granular paralelo a la superficie. Como las grietas no atraviesan fácilmente el flujo granular, este tipo de estructura aumenta la resistencia a las grietas por fatiga en los concentradores de esfuerzo como giros, muescas, filetes, etc. Los engranajes tallados de piezas brutas forjadas tienen flujo granular lateral, pero también son muy fuertes y durables. Los engranajes de acero fundido, los troquelados de aleación o los prensados de metal en polvo se usan generalmente en accesorios, en sistemas hidráulicos o en otras aplicaciones de carga baja. A veces se usa tratamiento térmico para reforzar el engranaje y aumentar su resistencia al desgaste.

13 - - Los diseños de engranajes comprenden: rectos, coronas, helicoidales y sinfín.

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14 -- Los engranajes rectos tienen dientes rectos, uniformemente espaciados entre sí, paralelos a los agujeros o ejes. Los dientes hacen contacto lineal paralelo a los ejes. Los dientes pueden estar por dentro o por fuera del engranaje. Teóricamente, no hay empuje axial si los engranajes que hacen juego están correctamente alineados.

15 -- Los engranajes rectos se usan comúnmente para transmitir fuerza entre ejes paralelos. En muchos de los engranajes rectos actuales, un diente a la vez lleva la mayor parte de la carga. Esto produce con frecuencia un pequeño "salto” cuando la carga se transfiere de un diente al siguiente, haciendo un poco de ruido durante esta operación. El departamento de diseño de Caterpillar está desarrollando un nuevo tipo de engranaje recto con alta relación de contacto que permitirá distribuir la carga en varios dientes a la vez y producir una operación más silenciosa.

16 -- Las coronas rectas tienen dientes ahusados, espaciados uniformemente entre sí. El extremo más grueso y más amplio del diente se llama talón, el extremo pequeño es llamado punta. Estos engranajes son similares a los engranajes rectos y son económicos de fabricar.

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17 -- Las coronas rectas se usan comúnmente entre ejes que están colocados en ángulo. Generalmente, un diente soporta la mayor parte de la carga en cualquier momento.

18 -- Otros diseños de coronas son: de dentado hipoide, espiral y helicoidal. Estos engranajes están diseñados de forma que dos o más dientes comparten la carga. Pero los dientes ya no son rectos y su ángulo hace que aumente el contacto de deslizamiento entre dientes. También se produce empuje axial a causa del ángulo del diente, lo que requiere el uso de cojinetes de tope. Estas coronas son de operación más silenciosa que las coronas rectas y que los engranajes rectos.

19 -- Los engranajes helicoidales tienen dientes que se extienden a lo largo de una curva en espiral (hélice) y se utilizan entre ejes cruzados o paralelos. Como los dientes se encuentran en ángulo, hay empuje axial y, por lo tanto, se requiere el uso de cojinetes de tope. Cuando el ángulo del diente es grande, varios dientes soportan la carga al mismo tiempo. Con ejes paralelos se da una vertical de contacto entre dientes, mientras que con ejes cruzados el contacto entre dientes se da en un punto, reduciendo la capacidad de los dientes de soportar la carga. Por lo tanto, a pesar de que la carga gravita en mayor número de dientes, la capacidad total de carga no aumenta. El salto de dientes es mínimo y la operación es silenciosa.

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20 -- Los engranajes helicoidales dobles (o de chevrones) se utilizan entre ejes paralelos. Como el ángulo del diente se invierte, el empuje axial se equilibra y no se requieren cojinetes de tope. Dos o más dientes soportan la carga en todo momento y la operación es silenciosa. Buques de gran tamaño tienen a menudo transmisiones marinas con engranajes helicoidales dobles.

21 -- Los engranajes sinfín se usan comúnmente entre ejes cruzados. Son engranajes con baja capacidad para soportar carga y producen empuje axial, pero son útiles en aplicaciones de reducción de velocidad y aumento de par.

22 --,, Los dientes de un engranaje también pueden ir dentro del engranaje, permitiendo la reducción de velocidad, el aumento de par y separación más compacta entre dientes. El engranaje central que aparece en esta diapositiva se denomina también engranaje solar, los pequeños que giran alrededor del central se denominan planetario. El engranaje exterior con los dientes adentro se llama engranaje anular.

-7AFA Mod. 12 Engranajes - Fundamentos E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO

23 -- Cuando los dientes de engranaje están en una carrilera recta, se habla de engranajes de cremallera. Estos engranajes convierten directamente el movimiento giratorio en movimiento lineal. Con frecuencia los sistemas de dirección utilizan engranajes de cremallera.

24 -- Cualquiera que sea el tipo del diente, la nomenclatura de sus partes es similar. La parte superior del diente se llama punta. La parte inferior es la raíz. La parte del diente donde se produce el contacto de rodamiento se denomina línea de paso; y el círculo que une las líneas de paso se llama círculo de paso. La sección del diente sobre la línea de paso se llama cabeza; la sección del diente bajo la línea de paso es el pie. Tanto el deslizamiento como el rodamiento se producen en la cabeza y el pie. El radio del filete entre dientes se denomina por lo general filete de raíz y debe estar suavemente integrado en el perfil del diente.

25 -- Los dientes de engranajes por lo general son más gruesos en el centro que en los extremos para reducir la carga en los bordes del diente. La saliente del diente es una medida de la uniformidad de un diente alrededor de su eje. Por lo general, la saliente se verifica midiendo la distancia del eje central del diente a su línea de paso de un extremo de un diente al otro. La forma de la cara del diente es la evolvente. Una saliente incorrecta puede cambiar la ubicación de la corona y de la evolvente que, a su vez, puede producir concentración de esfuerzos, desgaste anormal y fractura de dientes.

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26 -- También es importante que los dientes que engranan tengan la correcta posición longitudinal para que la corona y la evolvente coincidan correctamente. En el engranaje anular y el piñón este ajuste se hace generalmente moviendo el piñón.

27 -- Contrajuego es el juego entre dientes después de instalar los engranajes. El contrajuego compensa las variaciones de lubricación, las desviaciones del perfil de los dientes, la deflexión de los dientes bajo carga, el desgaste, la deformación térmica, etc. Por lo general, el ajuste del contrajuego en un engranaje anular y en el piñón se hace acercando o alejando entre sí el engranaje anular y el piñón. La vida útil de un engranaje disminuye cuando el contrajuego es de cero (muy poco juego) o sobre el valor nominal (demasiado juego).

FABRICACION 28 -- Los pasos de fabricación de un engranaje son los siguientes: 1. Producción de una pieza bruta 2. Fresado basto 3. Fresado del diente 4. Tratamiento térmico 5. Acabado

-9AFA Mod. 12 Engranajes - Fundamentos E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO

29 -- Aquí vemos las distintas etapas de la fabricación de un engranaje. A continuación repasa- remos brevemente estas etapas para comprender mejor la estructura y propiedades de los engranajes.

30 -- Los engranajes de Caterpillar se hacen, por lo general, de acero forjado, pero se pueden tallar de una barra de acero o fabricar de una pieza de fundición o por comprensión de metal en polvo. La mayoría de los engranajes en bruto proceden de abastecedores.

31 -- El agujero central y la circunferencia exterior del engranaje son los primeros que se fresan. Primero se fresa un lado del engranaje y luego se fresa el otro, obteniendo así una rueda base maquinada en bruto.

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32 -- Después de este fresado basto, esta es la apariencia típica de un engranaje.

33 -- El engranaje se monta en una fresadora donde se cortan los dientes. Durante este procedimiento, la fresadora y el engranaje en bruto giran para producir el perfil deseado del diente.

34 -- Una vez fresados, los dientes tienen marcas de fresado basto en la cara y rebabas en los bordes que requieren más acabado.

35 -- Una inspección más detallada del engranaje fresado revela claramente las superficies ásperas. Noten especialmente las marcas de fresado en las áreas del filete de la raíz. Con frecuencia dichas marcas son todavía visibles en el engranaje acabado.

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36 -- El acabado se hace con un proceso de desbaste. La desbastadora y el engranaje giran durante el acabado para producir la superficie deseada de los dientes.

37, -- Después del desbaste, los engranajes de mayor tamaño pasan por una máquina que redondea los dientes, quita las rebabas y bisela las aristas de los dientes.

38 -- Esta es la apariencia típica de un engranaje después del proceso de desbaste y remoción de rebabas. Noten que el filete de la raíz todavía tiene el acabado de la fresadora y que el desbaste solamente labró la superficie de los dientes.

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39 -- Noten también el ángulo de las marcas del desbaste de acabado y las marcas del fresado basto en la punta de los dientes. Estas marcas se pueden ver todavía después de miles de horas de uso. Después del acabado de los dientes, el engranaje está listo para el tratamiento térmico.

40 -- El tratamiento térmico se usa para producir una capa exterior endurecida que cubre el núcleo más blando y aumenta la resistencia del engranaje contra el desgaste. La mayor parte de los engranajes Caterpillar se cementan con carbono (carburización) o con nitrógeno (nitruración). El proceso de carburización comienza calentando los engranajes a una temperatura superior a los 1500°F en hornos de tratamiento térmico. Los hornos se calientan con gas o con electricidad. La atmósfera dentro del horno es independiente de la atmósfera exterior y contiene los elementos necesarios para el tratamiento térmico. Cuando se utiliza gas natural o metano para producir calor, la combustión remueve el oxígeno produciendo una atmósfera rica en carbono que es buena para carburizar.

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41 -- Después de estar el tiempo requerido en los hornos, los engranajes están listos para el enfriamiento con líquidos (generalmente aceites) para "congelar" la estructura granular o de cristales y "endurecer" la superficie. Como el enfriamiento rápido es necesario para producir la estructura granular y dureza deseadas, no se debe posponer el enfriamiento.

42 -- A medida que los engranajes candentes se sumergen en el aceite, emiten una llama refulgente.

43 -- Pero, con la misma rapidez que se producen, las llamas se extinguen al hundirse el engranaje en el aceite dejando solamente un humo azul. Los engranajes de mayor tamaño se deforman poco en el proceso de enfriamiento.

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44 -- Por lo general, los engranajes más pequeños y compactos se calientan y enfrían en rejillas o pilas. Después del enfriamiento, muchos de ellos se templan (recalientan brevemente) para reducir los esfuerzos residuales y aumentar la resistencia.

45 -- Algunos engranajes, como el engranaje anular que se ve aquí, se deforman durante el enfriamiento y deben reposar firmemente en posición horizontal mientras se efectúa el enfriamiento rápido. Este procedimiento se llama enfriamiento en molde.

46 -- Se usa un dispositivo llamado "molde" para mantener firme el engranaje. A menudo, este molde tiene una serie de anillos ajustables que se pueden mover a la altura deseada para sostener la base del engranaje. Noten que los anillos tienen espacios con igual separación entre sí, por donde los fluidos de enfriamiento pasan hacia el engranaje caliente. Después del enfriamiento en molde, hay algunas veces "manchas negras" en las puntas o en las caras de asiento-de los engranajes; estas manchas representan el lugar donde el molde de enfriamiento tocó el engranaje e impidió su contacto con el líquido de enfriamiento.

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47 -- Los engranajes calientes que se deben enfriar en molde se colocan rápidamente en el molde inferior.

48 -- En el molde de enfriamiento, la parte superior del molde baja y hace presión firmemente en el engranaje caliente contra el molde inferior. Luego se sumerge el conjunto en el fluido de enfriamiento.

49 -- Después de enfriarlo, el engranaje tiene una apariencia oscura y está listo para hacer la verificación de sus dimensiones.

50 -- A cada uno de los engranajes enfriados de este modo, se le verifican las dimensiones antes de enviarlo al área de temple y acabado.

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51 -- Después del temple, los engranajes que han recibido trata- miento térmico se deben desbarbar o deshollinar antes del acabado final. Para esto se puede utilizar el procedimiento de granallado.

52 --. Después del trata- miento térmico, algunos engranajes tienen superficies limpias y pulidas y están listos para la operación de acabado.

53 -- El interior de la perforación se puede esmerilar en forma definitiva

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54 -- para producir la superficie limpia y pulida que se requiere para la instalación y ajuste de precisión de cojinetes y ejes.

55 -- Si bien a los engranajes grandes se les quitan las rebabas de los dientes con el esmeril antes del tratamiento térmico, los engranajes más pequeños no se desbarban algunas veces sino hasta después del tratamiento térmico. Estos engranajes son fresados para sacarles las muescas o rebabas y la superficie de los dientes queda como si estuviera rayada.

56 -- Una inspección detenida indica que el rayado se curva hacia abajo bajo la línea de paso, es recto y paralelo en la línea de paso. Este rayado está producido por la acción de deslizamiento y rodamiento del engranaje y por el fresado durante la fabricación y no debe confundirse con el rayado vertical producido por desgaste abrasivo anormal durante el servicio. Noten los bordes agudos sin conicidad de estos dientes. Este es el acabado típico de muchos engranajes pequeños.

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57 -- Los engranajes que han sido cementados con nitrógeno (nitruración) reciben todo el maquinado, desbarbado y limpieza antes del tratamiento térmico. Después de este tratamiento, son de color claro y están listos para ser instalados.

58 -- La inspección visual puede, algunas veces, revelar si la cementación de un engranaje ha sido con carbono o con nitrógeno a causa del color de la superficie. Por ejemplo, el engranaje de la izquierda es oscuro y tiene manchas negras en la cara del asiento, - - es decir, es un engranaje cementado con carbono (carburizado) enfriado en molde. El engranaje de la derecha es más claro y no tiene manchas negras -posiblemente ha sido nitrurizado o cementado con nitrógeno. Aunque no es de vital importancia saber qué clase de tratamiento térmico recibió un engranaje, es buena práctica observar indicios y anotar hechos.

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59 -- Se debe observar que en todo el proceso de fabricación de un engranaje Caterpillar, cada engranaje se trata, fresa e inspecciona individualmente. El interés y la dedicación del personal encargado de la fabricación de los engranajes Caterpillar han dado como resultado innovaciones en el tratamiento térmico y mejoras en los procesos exclusivos de Caterpillar ofreciendo engranajes de mayor resistencia, duración y precisión que los engranajes de la competencia.

OPERACION 60 -- Cuando los engranajes comienzan a funcionar, las cargas producen esfuerzos internos, deflexión de los dientes y movimiento de la superficie. La vida de un engranaje se prolonga al máximo cuando las cargas, el contrajuego y la lubricación son adecuados. Un repaso de las cargas típicas que afectan a los dientes y de los esfuerzos internos puede ayudar a comprender este tema.

61 -- Cuando los dientes de un engranaje comienzan a entrar en contacto, la punta del diente impulsado hace presión contra el diente impulsor bajo su línea de paso. Si esa punta hace demasiada presión, se produce un contacto que puede llevar a la deflexión de la superficie, a grietas y picaduras bajo la línea de paso. Los dos dientes se deslizan y ruedan uno contra el otro a medida que el punto de contacto se mueve hacia arriba hacia la línea de paso. Noten que en el engranaje motor las fuerzas de deslizamiento se alejan en la línea de paso, mientras que en el engranaje mandado estas fuerzas se dirigen a la línea de paso.

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62 -- Cuando el diámetro primitivo de los dientes entra en contacto, hay solamente acción de rodamiento -- no hay deslizamiento. Esto se llama contacto completo entre dientes.

63 -- A medida que hay con- tacto entre dientes sobre el círculo de paso, se producen nuevamente rodamiento y deslizamiento. Noten que las fuerzas de deslizamiento se alejan todavía de la línea de paso en el engranaje motor y van todavía hacia la línea de paso en el engranaje mandado.

64 -- Al aplicar una carga a la cara del engranaje motor, aumentan los esfuerzos de compresión en la parte posterior del radio del filete de la raíz mientras aumentan las fuerzas de tracción en la parte anterior del radio del filete. Esfuerzos similares se producen en el engranaje mandado. Por lo general, la línea de paso está baja en los dientes de engranajes para reducir las cargas de flexión. Esto da a los dientes pie más corto y cabeza más larga. Estos engranajes tendrán mayor es- fuerzo de contacto por deslizamiento sobre la línea de paso que por debajo. Esto es importante al hablar de desgaste por adherencia y por abrasión.

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65 -- El contacto entre superficies no se da en un solo punto, sino en líneas angostas a lo largo de la cara de los dientes. A medida que la carga aumenta, las líneas de contacto se ensanchan y se convierten en banda debido a la deformación elástica de las caras de los dientes de engranajes. El patrón de las líneas de contacto varía según el diseño de los dientes de un engranaje. Por lo general, cuanto mayor sea el ángulo de los dientes (engranajes de dientes en espiral y helicoidales), tanto más verticales serán las líneas de contacto. Cuanto menor sea el ángulo de los dientes (engranajes rectos), tanto más longitudinales serán las líneas de contacto.

66 -- Cuando los dientes de un engranaje son en ángulo (helicoidales, en espiral, etc.), se produce empuje axial en el engranaje motor y en el impulsado y es necesario usar cojinetes de tope adecuados.

67 -- Si bien los dientes de un engranaje son fuertes, se deforman bajo carga. Pero están diseñados para que esa deflexión esté dentro de un límite de deformación elástica. Si un diente está impulsado cíclicamente en una sola dirección, las posibles grietas por fatiga progresan en una sola dirección y comienzan en una área de gran concentración de fuerzas de tracción, como el radio de un filete. Si el diente está cíclicamente impulsado en ambos lados, es posible que las grietas por fatiga de flexión se inicien en ambos filetes y produzcan fracturas por fatiga de flexión inversa.

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68 -- Además de la flexión elástica del diente, la cara también se deforma elásticamente bajo carga. Durante el contacto de rodamiento o deslizamiento sobre o debajo de las líneas de paso, la cara curva del diente es elásticamente aplastada y movida en dirección opuesta a la fuerza de deslizamiento. Durante el contacto de rodamiento en la línea de paso, la cara curva se alisa y hay movimiento elástico en ambas direcciones. El tratamiento térmico produce una superficie más dura y más fuerte para resistir este movimiento.

69 -- El juego radial entre dientes es el contrajuego. Todo engranaje tiene contrajuego para compensar desalineaciones menores entre dientes, errores de espaciamiento, perfil irregular, deflexiones de carga, expansión térmica, lubricación difícil, etc. Si se pudieran hacer los engranajes perfectamente con materiales perfectos y menos contrajuego, aumentaría la vida útil de los engranajes. Pero como hay problemas de fabricación, de materiales y de ambiente, se debe establecer el contrajuego correcto. Por esto, muy poco o demasiado contrajuego afecta a la vida útil de los engranajes.

70 -- La lubricación es muy importante en la vida útil de los engranajes, porque no sólo lubrica (separa las superficies de los dientes), sino que ayuda a disipar el calor y a mantener los engranajes limpios. Como los diferentes engranajes tienen diferente factor de deslizamiento y rodamiento, los lubricantes deben cumplir especificaciones diferentes. Y, los cojinetes asociados con engranajes pueden requerir diferentes calidades de lubricante. Por esto se deben usar los lubricantes que el fabricante especifica y cambiar los filtros y los lubricantes a los intervalos recomendados.

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71 -- Aún con la calidad y cantidad correctas de lubricante, un ambiente hostil puede hacer que los dientes de engranajes penetren la película de aceite y rocen. El exceso de carga, las temperaturas elevadas y el alto régimen de RPM son las condiciones hostiles más comunes.

72 -- Para que la lubricación sea adecuada, se requieren varios factores. Dos películas de aceite, una capa que sirve de límite y una capa hidrodinámica separan y lubrican los dientes de engranajes bajo carga. Además de estas capas, la temperatura de equilibrio de las superficies, la temperatura ambiente, la viscosidad del aceite, las cargas y los lubricantes para presiones extremas juegan, todos, un papel determinado en la lubricación adecuada. Si el lubricante se sobrecalienta, se puede oxidar, evaporar o solidificar. Los aceites más ligeros para motores pueden desintegrarse a "/ 0 temperaturas tan bajas como 250OF, mientras que los aceites más pesados para engranajes toleran temperaturas de hasta 500°F.

73 -- La película límite suministra lubricación a medida que los dientes comienzan a entrar en contacto y cuando ya no están en contacto (en especial durante el deslizamiento). . Esta película se forma cuando el lubricante, el calor, las condiciones

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atmosféricas y las superficies de los engranajes hacen contacto entre sí, reaccionan y producen una película semisólida y suave que se aglutina químicamente en las superficies de los engranajes. Esta capa delgada es difícil de penetrar o quitar y es eficaz para impedir el contacto áspero y la adherencia a bajo régimen de RPM y condiciones moderadas de carga. Los engranajes y cojinetes de los mandos finales funcionan, la mayor parte del tiempo, con este tipo de lubricación.

74 -- A medida que aumenta el régimen de RPM del engranaje, su superficie tiende a arrastrar lubricante formando una capa hidrodinámica (hidro = fluido, dinámica = movimiento). La capa hidrodinámica es la película efectiva de lubricación cuando las RPM del engranaje son moderadas o elevadas.

75 – En condiciones de carga pesada y RPM moderadas o elevadas, la película de aceite hidrodinámica se convierte en elastohidrodinámica, reflejando el aplastamiento elástico de las superficies del engranaje (elasto) y la acción hidrodinámica del aceite. Las capas de lubricación elasto hidrodinámicas son muy finas (una fracción de una milésima de pulgada), tienen viscosidades aparentes muy altas y pueden soportar cargas extremas.

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76 – A medida que la carga gravita en los dientes del engranaje durante la acción de rozamiento / deslizamiento, el lubricante disipa el calor generado por fricción. Si la carga, las RPM, la temperatura ambiente y la viscosidad del aceite son fijas, se alcanzará la temperatura de equilibrio de la superficie del diente cuando el calor generado sea igual al calor disipado. Al incrementar la carga, las RPM, la temperatura ambiente o la viscosidad del aceite aumentará la temperatura de equilibrio. Si la temperatura se eleva demasiado, la película de aceite se desintegrará y no habrá mas separación entre los dientes del engranaje.

77 – Numerosos factores ambientales pueden influir en la temperatura de equilibrio del aceite y la vida útil del engranaje. Dichos factores son: la temperatura de aire alrededor del componente, el color del componente (los colores claros reflejan la luz y los colores oscuros la absorben), la luz solar directa o la sombra, el viento o el aire, etc. Si pudiéramos imaginar como nos sentiriamos si estuviéramos en lugar de un engranaje, podríamos comprender mas fácilmente el efecto de un ambiente hostil.

78 -- La viscosidad es una medida de la resistencia de los fluidos a fluir o perder la estabilidad laminar. Al moverse el aceite y resbalar las capas una a lo largo de otra durante el rodamiento y deslizamiento de los dientes de engranajes, se genera calor y la temperatura del aceite aumenta. Esta temperatura puede subir de 20°F a 30°F cuando los dientes de engranajes están muy cargados. Un aumento de RPM, de carga o de temperatura ambiente también aumenta la temperatura del aceite. A medida que sube la temperatura del aceite, baja su viscosidad, reduciendo la capacidad de carga del lubricante.

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79 -- Cuando la temperatura del lubricante se eleva demasiado, los aceites también se pueden oxidar, evaporar o solidificar. Si la operación continúa en condiciones de elevada temperatura, el resultado es desintegración de las películas de lubricante y desgaste por adherencia.

80 -- Se utilizan lubricantes para presiones extremas cuando los engranajes soportan elevadas cargas a bajas RPM, lo que minimiza la lubricación hidrodinámica. Los lubricantes para presiones extremas tienen aditivos que reaccionan químicamente con la superficie del cojinete o del engranaje y forman una capa de corrosión que actúa como lubricante, impidiendo que la aspereza de las superficies de engrane haga contacto directo y raye los engranajes. Esta capa se forma más rápidamente cuando se eleva la temperatura de las superficies.

CONDICIONES NORMALES 81 -- Es normal encontrar superficies pulidas, picaduras menores, marcas de fresado, escamado blanco de las capas o metal con apariencia escarchada. Si estamos familiarizados con cada una de estas condiciones normales, podremos determinar mejor las condiciones anormales de desgaste en un examen ocular de engranajes usados.

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82 -- A medida que los engranajes se van cargando, las marcas de fresado o elevaciones irregulares en la superficie de los engranajes comienzan a desaparecer. Se produce una superficie pulida que debe centrarse en el diente.

83 -- Si hay marcas de fresado o puntos que sobresalen en áreas de carga elevada, empiezan a desarrollarse grietas y picaduras en la superficie. Estas picaduras, por lo general, tienen un diámetro de menos de 1/32 pulgadas y tienden a distribuir la carga eliminando progresivamente las áreas de elevado contacto. Cuando la carga se distribuye más uniformemente; las picaduras disminuyen y la superficie comienza a pulirse. Esto se llama "picadura inicial" o "picadura correctiva".

84 -- Sin embargo, es más común que las marcas de desbarbado o bruñido se pulan lentamente sin crear picaduras de la superficie. Las superficies que acarrean carga pueden quedar tan pulidas como un espejo.

- 28 AFA Mod. 12 Engranajes - Fundamentos E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO

85 -- Por lo general, las marcas horizontales que se ven en la superficie de los dientes son marcas de fresado basto y no tienen suficiente profundidad para convertirse en concentradores de esfuerzos que conduzcan a fracturas por fatiga. Las marcas de fresado que se ven aquí son severas, pero no han causado problemas de operación ni fallas de engranajes.

86 -- Durante la nitruración, no sólo se forma un revestimiento endurecido en los dientes de engranajes sino también una capa muy fina y quebradiza. Cuando esta capa fina y quebradiza se raja y rompe en pequeñas áreas bajo carga, aparece un color blanco que se denomina "escamado blanco”.

87 -- Con una lupa podemos ver que esta capa es uniforme, con grosor de una fracción milésima de pulgada solamente y con propiedades metalúrgicas claramente diferentes de la estructura de acero debajo de ella. Pero como no hay falla en la estructura de acero que soporta la carga, el escamado blanco no produce concentradores de esfuerzos y se debe considerar como una condición normal de desgaste.

- 29 AFA Mod. 12 Engranajes - Fundamentos E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO

88 -- si en áreas más grandes faltan capas muy finas de superficie, podría tratarse de "escarchado". Esto ocurre cuando las asperezas de la superficie entran en contacto y se microsueldan. El metal de la superficie se desprende o fractura en escama muy pequeña. Esto produce un color gris mate que no es perjudicial en esta etapa. Pero si no se eliminan las condiciones que producen "escarchado", pueden formarse picaduras destructivas.

CONDICIONES ANORMALES 89 -- Por lo general, cuando los trenes de engranajes empiezan a hacer ruido, hay un daño o un ajuste incorrecto. La mayor parte de los daños de engranajes provienen de condiciones anormales como montaje/ajustes incorrectos, cargas incorrectas, desgaste abrasivo o mellas (imperfecciones causadas por basura), desgaste por adherencia, desgaste por corrosión, deformación plástica, fatiga por esfuerzo, fracturas. El mantenimiento adecuado del sistema de lubricación reduce al mínimo las condiciones anormales que producen desgaste innecesario o fracturas.

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90 -- Al estudiar el desgaste anormal, no olvidemos obtener hechos del lugar de obras, tipo de desgaste y condiciones de carga. El desgaste en un sitio que no corresponde puede indicar desalineación o mal ensamble. El tipo de desgaste puede llevarnos a obtener hechos específicos. La carga excesiva puede conducir a deflexión de los dientes de engranajes y a desgaste por desalineación.

91 -- Con la instalación adecuada y las cargas normales, el desgaste se debe centrar con uniformidad en las caras del diente, como se ve en la ilustración.

92 – La mala alineación del diente puede producir desgaste de la punta,

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93 -- desgaste del talón (causado algunas veces por sobrecarga).

94 -- desgaste de la parte inferior,

95 -- o desgaste de la parte superior, etc.

96 – Cuando hay desgaste anormal en los dientes de engranajes, el desgaste más visible está generalmente sobre o bajo las líneas de paso porque el deslizamiento se da en estas áreas. Si sólo hay rodamiento en las líneas de paso, por lo general el desgaste es menor.

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97 -- Este cuadro muestra condiciones de carga y de velocidad en puntos de contacto entre dientes de engranajes donde producen desgaste, rayado, picaduras o fracturas. En (1), la carga es alta y la velocidad es baja permitiendo mayor contacto y desgaste. Noten que en (2) la carga, la velocidad y lubricación son correctas (lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica) y que no hay desgaste. En (3), la velocidad de contacto y la carga bastan para desintegrar la película de lubricante, permitir el roce entre metales y rayar las caras. En (4), la carga y la velocidad de contacto bastan para deformar las caras de contacto y producir grietas y picaduras. En (S), la carga y la velocidad de contacto bastan para producir la fractura de dientes. Lo que se debe recordar es que si la carga y la velocidad no son adecuadas, llevan al desgaste anormal y a la fractura de los dientes.

DESGASTE POR ABRASION 98 -- Los abrasivos en el b lubricante son la causa más común del 1 desgaste anormal de engranajes. Si las partículas contaminantes son pequeñas, se produce rayado fino y pulido de los dientes de engranajes. Si las partículas contaminantes son grandes, el rayado será profundo y habrá también cortes y mellas.

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99 -- Cuando ha habido contaminantes muy finos durante la operación, puede que se pulan prematuramente los dientes de engranajes hasta adquirir la apariencia de un espejo.

100 -- Una inspección detallada indica que se habían producido picaduras serias, porque los bordes de las picaduras se habían alisado y redondeado por la acción de abrasivos finos. Tendríamos que obtener más información sobre condiciones anteriores para comprender la formación de picaduras. (Los engranajes dañados pueden hacer que los sellos fallen y permitir la entrada de tierra. Es posible que esto sea lo que ocurrió aquí).

101 -- Las partículas abrasivas más grandes pueden producir rayado visible en la cara endurecida del engranaje.

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102 -- Noten que los cortes por abrasión son, por lo general, más fuertes sobre y bajo la línea de paso, porque gran parte de la acción de deslizamiento con basura atrapada se da en esa área, mientras que en la línea de paso hay solamente rodamiento. Y cuando la cabeza del diente es más grande que el pie, la mayor parte del rayado/cortes por abrasión aparece en la cabeza.

103 -- A medida que los engranajes se deterioran, pedazos grandes de la capa endurecida se pueden desprender y volver a circular entre los dientes de engranajes mellando la superficie endurecida. La operación continuada con contaminantes duros puede hacer que la superficie endurecida se agriete y desconche, dejando el núcleo más blando al descubierto. Noten que este diente está todavía menos dañado en la línea de paso.

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104 -- Una vez que el desgaste se ha prolongado al núcleo más blando, los dientes de engranaje se desgastan más rápidamente y están muy propensos a cortes y escopladuras. En este estado de debilidad, los dientes de engranajes se rompen aun con la carga normal.

105 -- Algunas veces las piezas más blandas próximas a los engranajes pueden registrar mejores hechos de los abrasivos que los engranajes mismos. Deberíamos inspeccionar cuidadosamente estas piezas para ver si tienen partículas incrustadas u otros indicios que nos ayuden a identificar las partículas abrasivas reales. Una vez identificadas las partículas abrasivas, sabremos qué dirección debemos tomar para encontrar la causa original.

DESGASTE POR ADHERENCIA 106 -- El desgaste por adherencia, llamado también rayado, se produce cuando hay roce del metal de los dientes bajo carga. Puede empezar en los dientes de los engranajes cuando la película de lubricante o la resistencia de la misma es insuficiente; , cuando hay exceso de carga o de revoluciones por minuto; cuando hay desalineación entre dientes, etc. El roce de metales indica que hay asperezas que frotan y se microsueldan. Si este roce continúa, se puede producir macrosoldadura y mayor desgarramiento de metal. A menudo, el rayado comienza sobre o bajo la línea de paso, en la parte donde

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hay acción de deslizamiento produciendo una superficie irregular y surcada. Generalmente, hay menos daños en la línea de paso porque allí hay sólo acción de rodamiento. Los puntos que se deben recordar son: velocidad + carga + deslizamiento = CALOR Calor = oxidación, evaporación, interrupción o desaparición de la película de aceite. Problemas de la película de aceite = roce de metales y alta temperatura. Altas temperaturas = macrosoldadura y rayado

107 -- Aquí vemos las etapas iniciales del rayado, producidas por la penetración de la punta del diente en la película de lubricante haciendo contacto con las asperezas. Se produjo microsoldadura y parte del material de la superficie del diente se excorió.

108 -- A medida que el rayado avanza, se produce daño, por lo general, sobre y bajo la línea de paso, como se ve aquí. Noten que hay poco daño en la línea de paso donde sólo se produce acción de rodamiento, y que el rayado ha avanzado más en la amplia área de la cabeza que en la pequeña área del pie de este diente.

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109 -- La operación continuada con insuficiente película de lubricante conduce rápidamente a mayor volumen de adhesión y a excoración de la superficie del diente. El daño resultante puede avanzar a la línea de paso.

110 -- A medida que el desgaste por adherencia avanza, el juego entre dientes puede aumentar rápidamente, produciendo ruido durante el funcionamiento. Los engranajes desarrollan una apariencia negra y chamuscada. Los dientes pueden macrosoldarse y desgastarse hasta tener un borde fino. En nuestra búsqueda de hechos que expliquen el desgaste por adherencia, debemos sondear primero el sistema de lubricación.

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111 -- La última etapa del desgaste por adherencia es la fusión, macrosoldadura y deformación plástica del metal como se ve aquí, efecto de temperatura elevada.

112 -- Si hay problemas de desalineación o de ajuste, solamente una parte del diente de engranaje soporta toda la carga, produciendo en esas áreas sobrecarga de la película lubricante y desgaste por adherencia. Debemos esperar también que la desalineación sobrecargue la superficie del diente y que lo agriete, pique o fracture. Los engranajes que endientan entre sí pueden tener problemas de perfil, o los engranajes pueden estar flojos en los ejes donde van montados, etc. Otras piezas deben ser examinadas también para tener hechos que nos guíen a la causa correcta.

DESGASTE POR CORROSION 113 -- El desgaste por corrosión rara vez produce fallas en los engranajes, porque la mayoría de los compartimientos de engranajes están protegidos contra los elementos corrosivos del ambiente y llenos de lubricantes que impiden la corrosión. Sin embargo, si se producen situaciones donde hay elementos corrosivos anormales, necesitamos buscar indicios de corrosión tales como manchas térmicas o herrumbre, picaduras de la superficie y contaminación de los lubricantes.

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114 -- La corrosión puede crear depósitos poco profundos en la superficie que parecen manchas térmicas sin picaduras visibles.

115 -- O, los corrosivos pueden producir picaduras uniformes en la superficie de los dientes del engranaje, pero las picaduras pueden ser tan pequeñas que no afectan a la función del engranaje. En estas condiciones corrosivas, los cojinetes fallan con más frecuencia que los dientes de engranajes.

116 -- Una exposición prolongada a condiciones corrosivas producirá daño más serio en la superficie, como el que vemos aquí. Si las piezas relacionadas con la falla se protegieron cuidadosamente después de haber fallado, sabemos que la corrosión se produjo durante el servicio (una clave importante para determinar la causa original de una falla).

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117 -- La corrosión afectaría a cualquier metal no protegido, no sólo la cara del diente. Aquí vemos el extremo de un engranaje que tiene daño corrosivo. Los dientes internos también deben tener efectos de la corrosión.

118 -- Una inspección más atenta y con lupa indica que las estrías internas tienen manchas térmicas y superficies ásperas.

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119 -, Con mejor luz y una lupa de mayor aumento, podemos ver que las manchas térmicas y las asperezas se produjeron por corrosión y picadura.

120 -- En resumen, la corrosión puede llevar a picaduras y a fallas de dientes de engranajes. El daño empieza con manchas térmicas en la superficie y picaduras menores.

121 -- Las imperfecciones de la superficie pueden producir concentración de esfuerzos e interrupción de la película de lubricante, generando grietas y picaduras en áreas mayores de la superficie endurecida.

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122 -- Con el tiempo es posible que la superficie endurecida se rompa en áreas grandes. Sin embargo, debemos recordar que si la corrosión es la causa de la falla de un engranaje, los efectos de la corrosión se deben manifestar en muchas otras áreas, además de la superficie deteriorada del diente.

123 -- Si el nivel de contaminación de los lubricantes es muy elevado, es posible que los lubricantes se emulsifiquen y espesen o que ocurra lubricación con agua, lo que conduce a falta de lubricación y a desgaste por adherencia lo mismo que a desgaste por corrosión. Noten que hay rayado en la perforación y en la parte posterior de este engranaje. Deberíamos examinar todas las superficies de desgaste del engranaje y buscar hechos como los que vemos aquí.

DEFORMACION PLASTICA 124 -- La deformación plástica es otro tipo de falla (desplazamiento permanente del metal de la superficie). Se da cuando los engranajes son muy blandos, soportan carga excesiva o cuando la película de lubricante es insuficiente y permite el roce entre metales. Esto hace que las superficies se deformen proyectándose en los bordes, que se ondulen, piquen o astillen.

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125 -- Debemos cuidarnos de no confundir las rebabas del fresado que quedan en los bordes del diente con la deformación plástica. Durante la fabricación del diente, el corte romo o los restos del desbarbado pueden producir un leve flujo metálico y rebabas como las que se ven aquí. Pequeñas rebabas como éstas por lo general no son problema durante la vida útil y pueden ser aceptables.

126 -- Otra deformación plástica es el ondulado, un movimiento plástico y limitado del metal de la superficie, que parece marcas de playa pero que no perjudica la estructura cristalina de la superficie o su resistencia. El ondulado ocurre cuando la carga es muy elevada y la película de lubricante es muy fina. Si bien puede ser alarmante, generalmente no causa grietas ni picaduras de la superficie. Noten que bajo la línea de paso, se ve una picadura que no se relaciona con lo anterior y que, sobre la línea de paso, hay ondulado (sin picaduras). El ondulado y las picaduras son indicios de fuerzas elevadas en la superficie.

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127 -- Rebordes y resaltos son otras formas de deformación plástica. Se producen cuando la superficie del engranaje se deforma permanentemente porque carece de la fuerza necesaria para soportar las cargas que se le aplican. Noten que otros dientes se han fracturado ya y que el diente remanente tiene un resalto creado por cargas de impacto y sobrecargas, debido a que faltan dientes. Si un engranaje está cargado en la dirección de avance y en la dirección de retroceso, se producen resaltos a ambos lados del diente de engranaje, como se ve aquí. Recordemos que existe la posibilidad de que la carga sea excesiva, la lubricación o la temperatura de la superficie sea inadecuada o que el engranaje sea blando.

FATIGA POR ESFUERZO DE CONTACTO 128 -- La fatiga por esfuerzo de contacto puede producir grietas en la superficie del diente, picaduras o astillado. Cuando el diente está cargado, la deflexión elástica de la superficie crea fuerzas cíclicas de tracción y de corte. Cuando las fuerzas y movimiento de la superficie aumentan demasiado se pueden producir grietas por fatiga. Las causas originales comprenden carga excesiva o exceso de revoluciones por minuto, desalineación, contrajuego inadecuado, servicio tardío, lubricación insuficiente, temperaturas elevadas, incorrecta geometría del engranaje, etc.

129 -- Desde cierta distancia, parece que sólo hay desgaste normal y pulido en los dientes de este engranaje. ¿Pueden ver ustedes evidencia de grietas o picaduras?

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130 -- Limpiando el diente y usando buena luz y una lupa, podemos ver serias grietas y picaduras sobre la línea de paso. Noten que las picaduras son más amplias a medida que progresan hacia arriba, formando una área en "V”, típica de las picaduras de la superficie de un buen diente de engranaje.

131 -- Si un engranaje picado continúa en servicio, grandes pedazos de la superficie del diente se pueden desprender causando ruido en la operación y entrada de basura dura en el sistema de lubricación. Esta es picadura moderada, pero el engranaje está a punto de fallar.

132 -- Como vemos en estos ejemplos, las grietas por fatiga de esfuerzo por contacto de deslizamiento generalmente progresan hacia arriba, se ensanchan y producen una área picada en forma de "V". Noten que la

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superficie del diente tiene más grietas hacia arriba y hacia afuera desde las esquinas superiores de la picadura.

133 -- Algunas veces no se nota bien la forma en "V”, pero la tendencia de la picadura a ensancharse a medida que avanza en la cabeza del diente es todavía muy obvia. Usualmente es la carga por deslizamiento y no la carga por rodamiento la que produce estas picaduras y las hace crecer.

134 -- Una vez que la picadura empieza, la superficie del diente que la rodea soporta cada vez mayor carga que conduce a desarrollo de picaduras y grietas secundarias. Con el tiempo, el diente debilitado comienza a romperse. A medida que aumentan la aspereza de la superficie y el contrajuego, el nivel de ruido durante la operación también aumenta y el operador nota que el engranaje está fallando.

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135 -- Cuando los pedazos de un diente dañado comienzan a desprenderse, sólo queda una serie de picaduras y caras de fracturas ásperas e irregulares. Las claves que explican el origen del daño han desaparecido del diente dañado. Debemos observar otros dientes del engranaje o los dientes que engranan con el diente dañado para obtener más evidencia de la causa original de la falla. Noten que el próximo diente de este engranaje muestra contacto muy fuerte en talón, lo que sugiere que hubo contacto de desalineación.

136 -- La corona correspondiente también tiene picadura (astillado). El lado derecho de los dientes del engranaje está muy agrietado y pulido y el astillado está bastante avanzado. Necesitamos estudiar los dientes dañados más detalladamente para comprender lo que ha ocurrido.

137 -- Después de la limpieza, la inspección minuciosa de los dientes menos dañados con buena luz revela que hay grietas profundas paralelas a la línea de paso. Este tipo de grietas de la superficie se llama aplastamiento y se debe a la aplicación de cargas comprensivas de rodamiento superiores a la resistencia de la superficie del diente, lo que resulta en un movimiento excesivo de la superficie dura del diente contra el núcleo más blando. Las causas comprenden: (1) carga excesiva, (2) núcleo del diente demasiado blando, (3) superficie endurecida del diente demasiado delgada, (4) carga desalineada, etc.

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138 -- Si continúa la operación después de agrietarse la superficie, se puede producir astillamiento y se desprenden grandes pedazos de la superficie del diente. A medida que el daño avanza, los indicios de la causa original desaparecen y quedan solamente caras ásperas de fractura. Finalmente, la Única clave remanente puede ser un lado de un diente mucho más dañado que el otro, lo que indica que la carga está desalineada. Por lo general, la carga de rodamiento es la que origina el aplastamiento que se ve aquí.

139 -- Una inspección más detenida de los dientes de un engranaje de piñón, indica que la carga aumentó mucho en el diente siguiente al fallado. Noten el pulido del talón y la picadura que se está desarrollando encima del radio del filete del diente.

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140 -- Con buena luz y una lupa podemos ver ahora que una grieta de fatiga ha avanzado hasta la mitad del diente, sobre el área picada. Esta grieta es el resultado de una carga cíclica pesada anormal causada por desalineación y porque el diente que le precedía estaba dañado.

FRACTURAS POR FATIGA 141 -- Por lo general, las fracturas por fatiga empiezan en el filete o cerca del filete, porque allí se producen los máximos esfuerzos de tracción (causados por flexión del diente). La cara de la fractura se proyecta ligeramente hacia abajo en el cuerpo del engranaje, luego sube hasta que se produce la fractura final.

142 -- Este engranaje tiene varios dientes quebrados y algunas son fracturas por fatiga como lo indica las marcas de playa. La factura por fatiga ocurrió primero en el diente central como lo muestra la gran porción lisa de la fractura y la pequeña porción áspera, al final. Cuando este diente se rompió, la carga aumentó en los dientes superiores e inferiores. Noten que la fractura del diente superior es funda- mentalmente cristalina, áspera y leñosa, con solamente una pequeña cavidad de fractura por fatiga en la parte superior, lo que indica que la carga que rompió este diente fue fundamentalmente de impacto y sobrecarga. La fractura del diente inferior es, en cierta forma, una fractura final áspera y leñosa en la parte inferior de los lados derecho e izquierdo.

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143 -- La inspección más detallada y con más luz de la cara central de la fractura revela con más claridad las marcas de playa y las mellas que empiezan en el diente. Estas mellas indican que ha habido esfuerzos de flexión bastante grandes y que varias grietas empezaron a aliviar esos esfuerzos. Como los puntos de iniciación están en la superficie, sabemos que no se trata de inclusiones o pregrietas. Debemos anotar hechos sobre carga y aplicaciones, antes de sospechar que el engranaje es débil.

144 -- Esta fractura por fatiga comenzó en el filete de la raíz en la parte inferior del lado derecho, donde empiezan las marcas de playa y las mellas. El diente está cargado en una sola dirección, como lo muestra la ausencia de marcas de playa de flexión inversa y la presencia de fractura dúctil final en la parte superior. A continuación debemos estudiar el punto de iniciación para determinar si hay concentradores de esfuerzos, tales como ranuras, muescas, fallas de fundición, picaduras, etc. Si no hay concentrado- res de esfuerzos, debemos obtener hechos sobre aplicación y operación. Este procedimiento generalmente nos lleva a la causa original de la fractura por fatiga.

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145 -- Estos engranajes de transmisión fallaron sólo después de pocos cientos de horas de servicio. No había sincronización de engranajes para facilitar los cambios de la transmisión. Los engranajes engranaban por un método en que el operador los mantenía en contacto y aumentaba o disminuía las RPM del motor hasta que casaban completamente.

146 -- El cliente pensó que los dientes del piñón eran débiles o que había defectos de fabricación y por eso se habían roto.

147 -- Una inspección más detallada con buena luz nos permite ver una pequeña fractura por fatiga cerca del extremo de un diente, iniciada en el radio del filete de la raíz. Las mellas y marcas de playa bien marcados avanzan hacia el exterior donde se produjo una fractura dúctil y quebradiza. Debemos sospechar que hubo severa carga de flexión cíclica desalineada hasta que se produjo la fractura.

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148 -- Los dientes de este engranaje tienen daño por impacto y viruta en los bordes de ataque, lo que indica que el engrane fue difícil. Estos indicios nos obligan a obtener hechos correspondientes a la operación. Es posible que el operador no esté haciendo los cambios como corresponde o que trate de hacerlos bien pero el aparato de cambios no le da suficiente control.

149 -- Si los engranajes están sujetos a condiciones de sobrecarga, los dientes que se doblan bajo carga pueden causar contacto desalineado. Estos engranajes estuvieron sujetos a un aumento de carga del 40% sobre el especificado en las pautas de diseño y, en unos cientos de horas, un diente del piñón falló.

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150 – Una inspección minuciosa del piñón muestra que se produjo fractura por fatiga del diente. La fractura había comenzado en el talón (parte superior del diente en esta diapositiva). Parece que hay asperezas en esquina superior derecha de la fractura, indicio de cargas desalineadas, picaduras y astillado antes de la fractura por fatiga. El desgaste parece normal en la parte posterior de los dientes remanentes (la carga en dirección inversa era normal) y no se ven picaduras ni grietas.

151 – Al cambiar el ángulo de incidencia de la luz y mirando en la parte frontal del diente siguiente, podemos ver que el patrón de desgaste es mucho mas fuerte en la raíz y que hay líneas de contacto duro (grietas, virutas y astillado).

152 – La inspección del engranaje anular o corona correspondiente indica que las puntas de los dientes hacían contacto muy fuerte con el pie de los dientes del piñón.

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153 -- Buena luz y el uso de la lupa nos ayudan a ver con claridad que se produjo aplastamiento. Noten la grieta en la cara de extremo que ha avanzado hasta la mitad del diente. La sobrecarga del 40% puede explicar la desalineación, el contacto fuerte, el aplastamiento y astillado.

154 -- Si los engranajes operan con carga normal, pero desalineados, se producirán esfuerzos de flexión anormalmente elevados sólo en una parte del diente. Esto puede causar sobrecarga cíclica y fractura por fatiga en un lado del diente, como vemos aquí.

155 -- Con buena luz y una lupa podemos identificar las marcas de playa y las mellas que irradian desde su origen en la parte inferior izquierda del filete de la raíz de cada diente. Estos indicios nos dicen claramente que ha habido desalineación de la carga y que por eso se ha producido una fractura por fatiga. Necesitamos identificar la causa de la desalineación de los engranajes.

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FRACTURAS DÚCTILES / QUEBARDIZAS 156 -- Muchas fracturas de engranajes son el resultado de carga por impacto. Del módulo "Fracturas" de este seminario debemos recordar que las fracturas quebradizas son brillantes y cristalinas y ásperas al tacto. Las fracturas dúctiles son oscuras, ásperas y leñosas y, por lo general, la fractura final tiene labios cortantes.

157 -- Las fracturas dúctiles se producen cuando la sobrecarga basta para fracturar un diente de engranaje en un ciclo de carga. Las caras de la fractura serán leñosas en apariencia y, por lo general, oscuras y ásperas.

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158 – Note que de la superficie tiene una textura similar a la de un pedazo de madera rajado. La apariencia leñosa aquí se debe al deslizamiento y separación a lo largo de las líneas de flujo del acero. Este engranaje se hizo de barra de acero en bruto de estructura granular lateral. Las fracturas dúctiles son, por lo general, resultados que nos indican, por lo tanto, que se debe buscar el origen de la sobrecarga.

159 -- Cuando los dientes de un engranaje saltan como resultado de un fuerte impacto, se producen fracturas quebradizas con características propias. El lado donde comienza la grieta tiene generalmente apariencia cristalina, mientras que la última parte del diente en romperse (fractura final) está casi siempre cortada, formando una joroba de comprensión. La joroba está aquí a través de la parte superior de la fractura.

160 -- Es más fácil ver la forma de la fractura quebradiza típica (causada por carga de impacto), vista desde un extremo del diente roto. Aquí la fractura inicial cristalina se halla a la izquierda y, luego, la fractura final a la derecha (joroba de compresión cortada por impacto).

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161 -- Una inspección más minuciosa del lado del cuerpo del engranaje de una fractura de esta clase nos ayuda a ver mejor estas características. Noten que la "joroba de compresión" del corte por impacto en la parte superior se levanta en el diente y tiene una textura mucho más suave que la fractura adyacente dúctil y quebradiza de la parte inferior. Si la carga de impacto es menos fuerte, la mayor parte de la cara de la fractura será dúctil y la joroba de compresión puede ser más pequeña.

162 - Por lo tanto, cuando el impacto es menor o cuando es menos abrupto, los metales tienen la oportunidad de ajustarse a la carga durante la fractura. Esto puede producir una mezcla de características de fracturas dúctiles y quebradizas con poca o ninguna joroba de compresión. Aquí vemos algunas espiguillas (características de una fractura quebradiza), áreas ásperas y leñosas (típicas de las fracturas dúctiles), una joroba de compresión muy pequeña en la parte superior del engranaje (corte por impacto) y superficie endurecida alrededor de la fractura.

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163 -- Otro indicio es que las espiguillas apuntan hacia una área central más amplia de la cara del engranaje, indicando que la fractura comenzó allí y que la carga gravitó en un diente.

ANALISIS DE FRACTURAS 164 -- Echemos un vistazo a unas fracturas dúctiles y a unas fracturas quebradizas y tratemos de analizar los indicios.

165 -- ¿Qué tipo de fractura es ésta? (Quebradiza porque tiene una superficie cristalina y una gran joroba de compresión). ¿Qué carga produjo esta fractura? (Carga por impacto o sobrecarga repentina) ¿Dónde empezó esta grieta? (En la amplia sección central inferior) ¿Hubo desalineación? (Probablemente no, porque la fractura comenzó en la parte central del diente y no en un extremo).

166 -- ¿Qué tipo de fractura es ésta? (Quebradiza, porque tiene una superficie cristalina y espiguillas) ¿Dónde comenzó la grieta? (En la parte superior izquierda de la fractura donde empiezan las espiguillas) ¿Qué tipo de carga produjo la fractura? (Carga por impacto) ¿Qué pudo haber causado la carga por impacto? (Materias extrañas duras que pasan a través de los dientes engranados, como lo indica la carga concentrada en la punta del diente). La superficie adyacente al punto de iniciación se debería estudiar cuidadosamente para ver si hay mellas y daños físicos que ayuden a identificar la posible causa original.

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167 -- Este diente se encontró en el carter. La carga parece ser normal, pero parece que hay cierta picadura por corrosión.

168 -- El otro lado también parece que tiene desgaste normal, excepto que hay varias grietas debajo de la línea de paso y un pedazo grande se desprendió. Deberíamos inspeccionar enseguida las caras de la fractura.

169 -- ¿Qué tipo de fractura es ésta? (La fractura es fundamentalmente dúctil con algunas áreas cristalinas, resultado de una sobrecarga fuerte y rápida) ¿Dónde comenzó la fractura? (Probablemente en el radio del filete, donde se concentran los esfuerzos). Deberíamos ahora investigar las posibles causas del origen de la sobrecarga, tales como ambiente hostil de la operación, aplicación, desalineación, etc.

- 60 AFA Mod. 12 Engranajes - Fundamentos E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO

170 -- Durante la instalación de un componente, los dientes de un engranaje pueden chocar contra los dientes del engranaje con el cual hacen juego y, a medida que se van apretando los pernos, los dientes más débiles se pueden trozar. Las fracturas resultantes indican un corte causado por sobrecarga directa.

171 -- Otras veces podemos descubrir daño parcial de dientes, causado durante la operación por el contacto de interferencia entre engranajes hermanados.

- 61 AFA Mod. 12 Engranajes - Fundamentos E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO

172 -- Una inspección detallada muestra que los dientes sufrieron corte y aplastamiento por impacto cuando los dientes del engranaje se salieron de su posición y funcionaron punta con punta, torcidos, etc. Necesitamos seguir estos indicios y tratar de averiguar lo que hizo que los dientes se salieran de su posición

173 -- La mayoría de los dientes partidos de engranajes que encontremos tendrán fracturas dúctiles o quebradizas que provienen de un daño anterior en el compartimiento de engranajes. Algunas veces todos los dientes estarán rotos o averiados por basuras grandes, producidas por los mismos engranajes, las cuales han pasado a través de los dientes engranados.

174 -- Una inspección detallada de dichos dientes indica, a menudo, que hay fracturas quebradizas, cristalinas y brillantes y jorobas de compresión con corte por impacto, resultados claros de cargas de choque aplicadas en los dientes. En este punto de la falla es más difícil encontrar indicios que nos lleven al origen de la falla.

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175 -- Si uno es capaz de identificar las características de una fractura, es más fácil clasificar las fracturas y determinar las cargas que las han producido. Las fracturas por fatiga son lisas al tacto y, por lo general, tienen marcas de playa o mellas. Las fracturas quebradizas son brillantes y cristalinas, mientras que las fracturas dúctiles son oscuras y leñosas. Hemos visto que al encontrar el lugar de iniciación (donde empieza la grieta) podemos llegar a los concentradores de esfuerzos, a las inclusiones, sobrecargas, desalineación, etc.

PROBLEMAS DE LOS ENGRANAJES 176 -- Los engranajes de Caterpillar rara vez tienen problemas que produzcan fallas, porque el diseño, la manufactura y el control de calidad son muy eficaces. Sin embargo, debemos hacer una lista de posibles problemas como inclusiones, solapas de forja, problemas de tratamiento térmico, daños físicos durante la fabricación o armado y errores de diseño.

177 -- Este diente tiene lo que al principio parecía ser un agujero, o vacío, en la superficie. No hay evidencia de mucho pulido o grietas alrededor del agujero para sugerir que la carga fue anormal.

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178 -- Cuando volteamos el diente y miramos la cara de la fractura, vemos que el hueco (agujero negro en la parte central inferior) era tan grande que atravesaba el diente y producía una concentración de esfuerzos. Una fractura por fatiga fue creciendo hacia afuera a partir de este agujero negro, con fractura final quebradiza alrededor de la superficie del diente. Esta oquedad fue probablemente el resultado de una imperfección del plomo que se fundió durante el tratamiento térmico de nitruración. (Se usa a veces acero con plomo para aumentar la capacidad de fresado de los engranajes que se nitrurizan)

179 -- Este diente parece que tiene dos grietas importantes. Hay rayado bajo la línea de paso lo que puede esperarse ante una fractura tan seria. Necesitamos estudiar cuidadosamente todas las superficies del diente para tratar de comprender el origen de estas grietas.

180 -- Del otro lado se ha perdido gran parte del diente y, aún a distancia, se puede ver las marcas de playa y saber que se ha producido una fractura por fatiga.

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181 -- Una inspección más detallada y con buena luz muestra que las marcas de playa proviene de dentro del diente y que necesitamos estudiar detenida- mente el punto de iniciación para tratar de determinar la causa de la grieta por fatiga.

182 -- Las marcas de playa de la parte superior irradia hacia afuera a partir de una inclusión no metálica que concentró esfuerzos y dio lugar a la fractura por fatiga. Al sacar los residuos aceitosos y oscuros y al utilizar suficiente luz y aumento, podemos ver con claridad estos indicios y saber que hubo un problema en la estructura del metal.

183 -- Por lo general, las inclusiones no son tan grandes como la que hemos visto. Y las fracturas por fatiga avanzan algunas veces con más lentitud y tienen marcas de playa menos marcado que el que vemos aquí. Por ejemplo: ¿Pueden ver marcas de playa en la cara de esta fractura? Casi lo único que podemos ver es la cara completamente lisa, excepto por una fractura final áspera alrededor de los bordes superiores. Cambiando la luz y utilizando aumento, es posible que podamos ver mejor los detalles de la fractura.

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184 -- Si utilizamos luz directa en la fractura, comenzamos a ver una pequeña fractura circular producida por fatiga, en el centro inferior. La fractura que la rodea es más áspera, indicando que avanzó más rápidamente.

185 -- Si usamos la luz común de una habitación, podemos ver con más claridad la fractura circular producida por fatiga.

186 -- Si usamos luz proyectada en un lado, vemos fácilmente en el centro inferior la fractura circular pequeña producida por ciclos de carga elevada. En el puro centro de la fractura circular hay una inclusión que concentró esfuerzos suficientes para empezar una grieta interna por fatiga debida a ciclos de carga pesada. Cuando la grieta circular llegó a la superficie del diente en la parte inferior de esta foto, "se abrió" y el esfuerzo aumentó grandemente. Luego, la fractura por fatiga de bajo ciclo (avanzando rápidamente) continúa a través del diente. El "ojo de buey" bien marcado que vemos es típico de una fractura por fatiga bajo la superficie. Ahora, antes de afirmar que la inclusión fue la causa de la falla, necesitamos asegurarnos que la carga estaba dentro de lo especificado para La aplicación y operación.

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187 -- ¿Qué tipo de fractura tenemos aquí? (Fractura por flexión) ¿Dónde empezó la fractura por fatiga? (En la esquina superior del diente de engranaje).

188 -- ¿Es este lugar normal para una fractura por fatiga? (No. Las fracturas por fatiga son la mayoría de las veces fatiga por flexión y comienzan en el radio de la raíz, no en medio del diente) ¿Qué creen ustedes que ha podido originar esta fractura por fatiga? (Parece que había antes una pequeña grieta en la parte superior izquierda de la cara de esta fractura. Otras veces podemos hallar inclusiones u otros concentradores de esfuerzos). Ahora necesitamos descubrir la causa de la pequeña grieta hallada. Las fracturas por fatiga pueden comenzar en cualquier punto donde un concentrador de esfuerzos permita que las fuerzas aplicadas excedan la resistencia del metal.

189 -- Otra posible causa de problemas de engranajes son las solapas de forja o las grietas de enfriamiento. La mayor parte de la cara de esta fractura es fractura dúctil producida por sobrecarga. Pero noten que en la parte superior derecha la cara de la fractura tiene textura diferente. Hay una fractura semicircular con mellas producida por fatiga y encima de ella vemos una solapa oscura de forja o grieta de enfriamiento que produjo la fractura por fatiga. Noten también que hay una grieta similar en el diente próximo. Las solapas se forman al forjar los engranajes en bruto, en cambio las grietas de enfriamiento se forman durante el tratamiento térmico.

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190 -- Un tratamiento térmico inadecuado puede también producir fractura de la punta del diente. Este engranaje tiene escamado de dientes por exceso de carburización y capa endurecida muy profunda. Si la profundidad de la superficie endurecida es excesiva, se producen altos esfuerzos de tracción bajo la superficie. Al aplicar una carga, se excede el punto cedente del material y se forma una grieta en el área de contacto entre la capa de la superficie y el núcleo. Según la carga, la punta de inmediato "salta" o la-grieta avanza por fatiga y, finalmente, la punta se desmorona.

191 -- Una inspección minuciosa muestra la planicie en el área de contacto entre la superficie endurecida y el núcleo, típica del escamado de la punta. La cara endurecida gruesa es más oscura y el núcleo es más claro. Hay mellas y un ligero marcas de playa en el área de contacto entre la superficie y el núcleo y la fractura por fatiga avanzó hacia afuera hacia la superficie endurecida.

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192 -- La picadura uniforme de todos los dientes puede resultar de falta de dureza de la superficie. El contenido de carbono de la superficie pudo ser muy bajo, la superficie se pudo descarburizar y ablandar durante el tratamiento térmico o, quizás, este fue incompleto. Noten que la picadura de la superficie no tiene la forma en "VI1 de la picadura en las superficies de los engranajes correctamente endurecidos. La picadura se reparte uniformemente en toda la cara del diente sin concentrarse en áreas de altos esfuerzos.

193 -- En muy raras ocasiones encontramos engranajes que tengan todos los dientes completamente desgastados. En estos casos, podemos sospechar que el tratamiento térmico del engranaje fue inadecuado y que los dientes eran demasiado blandos. Una idea general de la dureza del diente se puede determinar fácilmente con una lima para metales. Por ejemplo: si la superficie del diente se puede cortar limando suavemente, lo más posible es que el metal sea muy blando.

194 -- Si, acaso hay grietas y astillado paralelos a la línea de paso, la capa endurecida se pudo aplastar, lo que indica que el diente no es suficientemente resistente para soportar la carga que se le aplica. Aunque podemos pensar que es un problema de engranajes, debemos recordar siempre la doble verificación y ver si es posible que otro sea el responsable de la falla: Por ejemplo: ¿El engranaje es de un competidor? ¿Las cargas aplicadas son muy elevadas? etc.

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195 -- A veces un daño produce concentradores de esfuerzos que conducen a fractura de dientes. Este diente no tiene desgaste anormal sino fractura. Noten que hay una pequeña abolladura circular en el extremo del diente de engranaje. Debemos mirar bien la cara de la fractura para clasificarla según su apariencia.

196 -- Como hay marcas de playa y la superficie es lisa, sabemos que la fractura ha sido por fatiga. La fractura final se encuentra en la parte inferior derecha y el punto de iniciación de la grieta en la parte superior izquierda.

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197 -- Si juntamos las caras de la fractura y estudiamos el punto de iniciación con una lupa, vemos que la pequeña abolladura circular produjo pequeñas grietas en la superficie endurecida y que una de esas grietas actuó como concentrador de esfuerzos, iniciando la fractura por fatiga. Estos indicios nos llevan ahora a investigar cómo y cuando se originó la abolladura. Se descubrió que antes de ponerlo en servicio, este engranaje había sido sometido a una prueba inadecuada de dureza y que-la sonda de la máquina de la prueba de dureza produjo la abolladura y grietas.

198 -- Si dudamos de la correcta fabricación de un engranaje, hay algunas pruebas rápidas para determinar la dureza y profundidad aproximada de la capa endurecida. (1) La dureza se puede probar tratando de rayar la superficie del engranaje con una lima dura. La mayoría de los engranajes carburizados son más duros que una lima dura y no es posible cortarlos aplicando ligera presión en la lima. (2) La profundidad de la capa endurecida se puede ver cortando una pieza de un diente de engranaje, grabando la cara de corte con una solución de ácido nítrico y lavándola con agua.

199 -- La soluciones de nital para grabados se hacen con 10% de ácido nítrico y 90% de alcohol desnaturalizado. El grabado de nital debería aplicarse con un algodón para evitar el contacto directo con la piel y la ropa. Es necesario recordar, además, que los ácidos dañan las caras de la fractura y, por lo tanto, se debe tener cuidado de no destruir una fractura que queramos analizar más tarde.

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200 -- Antes de aplicar la solución de nital en esta sección de dientes con superficie endurecida, no hay indicación alguna de si la profundidad del endurecimiento es la correcta. El ácido se debe aplicar durante uno o dos minutos y lavar luego en agua limpia.

201 -- Ahora podemos ver claramente que el engranaje sí estaba termotratado. La profundidad de la superficie endurecida parece normal y la picadura se produce dentro del recubrimiento duro. A continuación debernos obtener evidencia sobre el mantenimiento, operación y aplicaciones para poder explicar la picadura.

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CONCLUSIONES 202 -- Debemos evitar las Ideas Preconcevidas que conducen a resultados y no al origen de los problemas.

203 -- Muchas, muchas son las razones por las cuales un engranaje puede fallar. Si utilizamos "Los ocho pasos aplicables al análisis de fallas", será más fácil identificar la causa original de una falla y tomar las medidas correctivas del caso. Debemos obtener evidencia (hechos) correspondiente a la aplicación, operación y mantenimiento procedente de los mismos engranajes que han fallado. Luego debemos pensar lógicamente para comprender el mecanismo de la falla y para identificar la causa original más probable. Entonces es más fácil comunicarse con el responsable de la falla, tomar las medidas correctivas del caso e impedir que las fallas se repitan.

204 -- Este proceso aumenta la satisfacción del cliente no sólo con nuestros productos sino con nuestro servicio a la clientela.

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205 -- Un cliente satisfecho nos ayudará a obtener nuestra meta, a aumentar las ventas de productos, piezas y servicio. Si nos limitamos a decir ¡Se rompió!, sin hallar el origen de la falla, estaremos quebrándonos nosotros mismos.

206 -- Si bien todos desempeñamos un papel importante en el análisis de las fallas de engranajes, es el distribuidor el que tiene la primera palabra y el que debe asegurarse de determinar la causa original y de que obtengamos la recompensa con los clientes.

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