Análisis de fallas en engranajes: picadura, rayado, desgaste y rotura de dientes — Datos de tensión y medidas correctivas

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Cuatro mecanismos de daño explican la mayoría de las fallas en cajas de engranajes: picadura, rayado, desgaste abrasivo y rotura de dientes. Cada uno deja una firma en una ubicación específica del diente, y cada uno responde a una medida correctiva diferente. Por lo tanto, el diagnóstico precede al rediseño. Una vez confirmado el modo, la ruta de remedio suele ser una de tres: volver a verificar la capacidad de carga según GB/T 3480, reforzar el control del tratamiento térmico y del rectificado, o mejorar las prácticas de lubricación y filtración. La mayoría de las fallas que aparecen temprano en servicio se remontan a una de estas tres áreas en lugar de a un límite de material inevitable.

1. Mapa de ubicación del daño: Cuatro modos lado a lado

Antes de cualquier medición, la posición del daño en el diente reduce considerablemente la causa.

La picadura se presenta como picaduras agrupadas en el flanco de trabajo. El rayado se muestra como surcos soldados y desgarrados a lo largo de la dirección de deslizamiento. El desgaste abrasivo elimina material de manera uniforme en todo el flanco. La rotura es una fractura total o parcial que se origina en el filete de la raíz.

2. Daño en el flanco: Picadura y rayado

2.1 Picadura: Tensión de contacto por encima del límite

La presión de compresión instantánea donde dos dientes se tocan es la tensión de contacto. Se evalúa con la fórmula de Hertz según lo establecido en GB/T 3480, que es técnicamente equivalente a ISO 6336. La picadura generalmente comienza cerca de la línea primitiva porque la velocidad de deslizamiento allí es la más baja y es más difícil formar una película de aceite separadora.

Para engranajes de acero, la tensión de contacto admisible está regida por el material y su tratamiento térmico. Bajo carga pulsante, los valores tabulados publicados son aproximadamente:

Considere un par que funciona a 750 MPa. Con 20CrMnTi, el margen restante es cercano al doble; con 40Cr, la tensión se sitúa cerca del límite. El mismo par transmitido, una vida útil muy diferente.

El trabajo correctivo se desarrolla en tres líneas:

• Redimensionar o reseleccionar el material para que la tensión calculada caiga por debajo de la cifra admisible.
• Mantener el sistema de lubricación en buen estado, porque cuando la tensión se acerca al límite, la condición de la película decide la vida útil.
• Aumentar la dureza superficial, lo que eleva directamente la tensión admisible.

Factores de seguridad a los que aspirar en tensión de contacto, SH: 1.0–1.3 para maquinaria ordinaria, 1.3–1.6 para accionamientos donde el tiempo de inactividad es costoso.

2.2 Rayado: Soldadura seguida de desgarro

Cuando la presión y la velocidad superan la película, las asperezas se tocan, se sueldan y luego se desgarran, dejando surcos rayados. Esto es el rayado. Amenaza tanto a unidades de baja velocidad muy cargadas como a unidades de alta velocidad. La temperatura instantánea es la variable controlante. Los aceites minerales pierden efectividad una vez que la temperatura instantánea supera aproximadamente 120–180°C; los fluidos sintéticos soportan valores más altos.

Las contramedidas prácticas abarcan la elección del aceite y la geometría: seleccionar lubricantes formulados con aditivos EP a base de azufre y fósforo; mantener la rugosidad del flanco por debajo de Ra 0.4 para que menos microasperezas hagan contacto; aumentar la dureza superficial. Los engranajes nitrurados, que exhiben un bajo coeficiente de fricción en la superficie, también encuentran uso en estas aplicaciones.

3. Rotura en la raíz: Tensión de flexión, choque y quemado por rectificado

La tensión de flexión en la raíz es la tensión de tracción que soporta el diente bajo carga. Si se excede el límite del material, el diente se rompe en la raíz. Existen dos formas distintas: fractura por fatiga, que se acumula durante muchos ciclos, y fractura por sobrecarga, que sigue a un único evento severo. Donde hay choque, el factor de aplicación KA alcanza 1.5–2.0, y tales servicios no deben tratarse como de funcionamiento suave.

Dos factores se esconden dentro del proceso de mecanizado. El primero es el radio del filete de la raíz. Un cortador de cremallera estándar produce un radio cercano a 0.38m; un radio más ajustado concentra la tensión. Pasar a un cortador de radio completo reduce el factor de forma YF en aproximadamente un 5%, y la tensión de flexión cae con él. El segundo es el quemado por rectificado. Un avance excesivo o un enfriamiento insuficiente durante el rectificado de engranajes puede revenir, o en casos severos re-endurecer, la capa superficial, dejando tensión residual de tracción medida en cientos de MPa; la vida a fatiga por flexión entonces cae notablemente. La prueba de ruido de Barkhausen (el método magnetoelástico) y el ataque con nital son las rutas de detección aceptadas. Para el rectificado de acabado, el avance normalmente se limita a 0.005–0.01 mm por pasada.

El granallado es el remedio estándar. Coloca tensión residual de compresión de aproximadamente 300–600 MPa en la capa superficial en la raíz, lo que compensa parte de la tensión de tracción que el diente ve en servicio. Los engranajes cementados se benefician más, ya que sus raíces ya son duras.

4. Desgaste abrasivo: Principalmente un problema de limpieza del aceite

Partículas duras como polvo o virutas de mecanizado entran en el engrane transportadas por el lubricante y cortan el flanco. Los engranajes nuevos pasan por una etapa de rodaje durante la cual se desgastan aproximadamente 0.005–0.02 mm de material antes de alcanzar condiciones estables. Si la limpieza del aceite es deficiente, la tasa de desgaste aumenta abruptamente, el perfil del diente se desplaza y tanto el ruido como el juego se deterioran.

La limpieza se clasifica según ISO 4406. Un código 17/15/12, por ejemplo, corresponde a 1300–2500 partículas mayores de 4 µm en cada mililitro. Las contramedidas son sencillas: igualar la clasificación del filtro al requisito, sellar la carcasa y cambiar el aceite según lo programado. El método de lubricación también importa: la lubricación por salpicadura es adecuada para velocidades medias y bajas, mientras que la alta velocidad y la carga pesada requieren suministro forzado por chorro.

5. Flujo de selección en seis pasos

1. Verificar la resistencia. Calcular los factores de seguridad de contacto y flexión según GB/T 3480, apuntando a SH/SF de 1.0–1.3 para maquinaria general o 1.3–1.6 para accionamientos críticos.
2. Asignar el factor de aplicación. KA 1.0–1.25 para carga uniforme, 1.25–1.5 para choque moderado, 1.5–2.0 para choque severo.
3. Seleccionar el material según el riesgo de falla dominante. Para picadura, una superficie más dura mediante cementación o nitruración; para rotura, verificar la resistencia de la raíz y considerar el granallado; para rayado, especificar aceite EP.
4. Elegir el enfoque de lubricación. Salpicadura para velocidad media y baja, chorro forzado para alta velocidad y carga pesada, con el grado de aceite establecido por la viscosidad ISO VG.
5. Establecer objetivos de limpieza según ISO 4406 y probar el aceite a intervalos definidos.
6. Fijar el grado de precisión. Los dientes rectificados alcanzan DIN 5–6; el fresado y el cepillado alcanzan DIN 7–8. La precisión rige la distribución de carga y, a su vez, la vida útil.

Complete la verificación de resistencia antes de debatir los detalles del proceso, y dirija el gasto hacia el factor limitante. Cuando el margen es ajustado, amplíe primero el módulo o el ancho de cara; cambie el material en segundo lugar.

6. Qué fabrica PinyiGear

PinyiGear produce engranajes rectos y helicoidales según plano; el módulo, el diámetro exterior y la clase de tolerancia se rigen por lo indicado en el plano del cliente. Los grados frecuentemente especificados — 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo y 38CrMoAl — se manejan todos internamente, con el respaldo de cementación, nitruración gaseosa e inspección completa mediante verificadores de perfil, hélice y paso, durómetros y equipos metalográficos, con el quemado por rectificado bajo control de proceso.

• Productos de engranajes rectos
• Productos de engranajes helicoidales
• Capacidades de fabricación

Proporcione sus datos de servicio — potencia, velocidad, nivel de choque y condiciones de lubricación — y el equipo de ingeniería devolverá una verificación de resistencia y una cotización una vez revisados esos datos. Establezca primero qué modo de falla está actuando; la dirección correctiva se deriva de ello.

Envíe sus datos de servicio a través del sitio web de PinyiGear o utilice la página de revisión de ingeniería para solicitar un cálculo de resistencia y una propuesta de proceso gratuitos.