Una revisión exhaustiva de los modos de fallo de engranajes (28 tipos en 6 categorías)
Los engranajes son componentes de transmisión centrales en los sistemas mecánicos, ampliamente aplicados en las industrias aeroespacial, automotriz, de energía eólica y de maquinaria pesada. Su fallo provocará tiempos de inactividad del equipo, reducción de la eficiencia e incluso accidentes catastróficos. Este artículo resume sistemáticamente 28 modos de fallo de engranajes divididos en 6 categorías principales, incluyendo sus mecanismos de formación, características típicas y medidas preventivas, lo cual es un conocimiento esencial de la industria para el personal de diseño mecánico, análisis de fallos y mantenimiento.
I. Fatiga por flexión
La fatiga por flexión ocurre cuando el esfuerzo de flexión repetido en los dientes del engranaje excede la resistencia a la fatiga del material, con el esfuerzo máximo concentrado en el filete de la raíz del diente, iniciando y propagando grietas. Se observan marcas de trinquete en el sitio de inicio de la grieta y patrones de playa en el área de propagación. Los factores clave que influyen son el número de ciclos y el nivel de carga, y el control de carga razonable y la optimización estructural son el núcleo de la prevención.
1.1 Fatiga por flexión de bajo ciclo
Ocurre cuando la carga cíclica es inferior a 10.000 ciclos. Los materiales dúctiles con baja dureza muestran superficies de fractura rugosas y fibrosas con marcas de desgarro, mientras que los materiales duros y frágiles presentan características de fractura lisas y pulidas.
1.2 Fatiga por flexión de alto ciclo
Ocurre cuando la carga cíclica excede los 10.000 ciclos, con el material en un estado de baja deformación y generalmente dentro del rango de deformación elástica.
Usar materiales de alta resistencia con defectos mínimos para la fractura dúctil.
Seleccionar materiales con mayor resistencia a la fatiga y optimizar el diseño del engranaje para que coincida con la carga y el límite de fatiga.
Adoptar procesos de granallado (introducir tensión de compresión en el filete de la raíz del diente) o pulido (reducir la rugosidad de la superficie).
Implementar un tratamiento térmico racional para minimizar la tensión residual en los dientes del engranaje.
II. Fatiga Hertziana
El fallo por fatiga Hertziana es causado por grietas iniciadas por fuerzas Hertzianas repetidas en la superficie o subsuperficie, lo que lleva a la pérdida de material con propagación de grietas. La selección razonable de materiales y la lubricación son las principales formas de mitigar dicho fallo, que es una forma común de fatiga superficial de los engranajes bajo carga de contacto.
2.1 Macropitting
2.2 Micropitting Aparece en áreas con manchas opacas, de color gris y signos de desgaste en la superficie, lo cual es común en engranajes endurecidos superficialmente y también puede ocurrir en engranajes completamente endurecidos con un diseño inadecuado.
2.3 Fatiga subsuperficial
Las grietas se inician en la zona de transición entre el núcleo del diente y la capa endurecida debajo de la superficie del diente, causadas principalmente por procesos de endurecimiento superficial (cementación, nitruración, endurecimiento por inducción, endurecimiento por llama).
2.4 Descamación
Una forma severa de fatiga superficial, caracterizada por picaduras poco profundas de gran área en la superficie del diente formadas por la expansión y fusión de múltiples picaduras pequeñas. Aumenta significativamente el ruido y la vibración del engranaje, inducido por alta tensión de contacto y defectos del material.
Medidas preventivas
Reducir la tensión de contacto, usar acero limpio y agregar procesos de rectificado o bruñido en la fabricación de la superficie del diente.
Usar materiales de alta resistencia con defectos mínimos para la fractura dúctil.
Seleccionar acero endurecible, prevenir el sobrecalentamiento y controlar la tensión por debajo de la resistencia subsuperficial para la fatiga subsuperficial.
Asegurar la alineación correcta del engranaje y usar materiales de alta calidad para prevenir la descamación.
III. Desgaste
El desgaste se refiere a la degradación superficial de los dientes del engranaje causada por la eliminación o desplazamiento de material bajo esfuerzos eléctricos, mecánicos y químicos a lo largo del tiempo, lo que lleva a ruido anormal, bajo rendimiento NVH e incluso posibles fallos. Se divide en grados leve, moderado y severo, entre los cuales el desgaste leve es normal en muchas aplicaciones.
3.1 Desgaste adhesivo
El material se transfiere de una superficie del diente a otra debido a micro-soldadura y desgarro, limitado a la capa de óxido y la película superficial de la superficie del diente. La adhesión leve puede desaparecer por sí sola a medida que la superficie se alisa, mientras que la adhesión moderada borra parte o todas las marcas de mecanizado originales.
3.2 Desgaste abrasivo
Causado por partículas duras (contaminantes externos como polvo en el lubricante, o desechos metálicos duros autogenerados de otros fallos), que ocurren principalmente en la punta o raíz del diente debido a alta velocidad de deslizamiento local. El desgaste severo conduce a la desaparición completa de las marcas de mecanizado y una reducción drástica del espesor del diente.
3.3 Desgaste por pulido
Un ligero desgaste abrasivo que hace que la superficie del diente se alise gradualmente debido a la contaminación por lubricantes químicamente activos con aditivos antidesgaste de alta eficiencia, que es más probable que ocurra cuando entran en contacto superficies duras y blandas.
3.4 Desgaste corrosivo
Una severa degradación superficial causada por la acción combinada de desgaste mecánico y erosión química, con la superficie del diente mostrando manchas, óxido y apariencia marrón rojiza, y toda la superficie del diente puede verse afectada.
3.5 Corrosión por fricción
Ocurre cuando las superficies de contacto soportan un movimiento relativo recíproco de pequeña amplitud bajo presión, con el lubricante expulsado, lo que lleva a contacto metal-metal y adhesión. Los picos rugosos fracturados generan polvo de óxido de hierro similar a polvo de cacao, lo que dificulta el reabastecimiento de lubricante y agrava el desgaste.
3.6 Desgaste por rayado
Una forma severa de desgaste adhesivo donde los desechos metálicos de una superficie del diente se transfieren a otra y se sueldan/desgarran en la superficie. El área dañada es rugosa y opaca, distribuida en bandas delgadas/anchas a lo largo de la dirección de deslizamiento, y puede ocurrir instantáneamente en lugar de por fatiga. El desgaste por rayado severo conduce a la distorsión plástica del material superficial.
3.7 Desgaste por electroerosión (EDM)
La alta temperatura causada por la ruptura de la chispa eléctrica de la película de aceite entre los dientes del engranaje conduce a la fusión local de la superficie del diente, formando picaduras hemisféricas lisas y redondas rodeadas de acero erosionado/fundido, inducidas por electricidad estática, corriente de eje o mala conexión a tierra.
Medidas preventivas
Aumentar el espesor de la película de lubricante (superficie lisa, alta velocidad, lubricante a baja temperatura) para el desgaste adhesivo; instalar filtros de aceite de alta eficiencia para eliminar partículas duras para el desgaste abrasivo.
Usar materiales de alta resistencia con defectos mínimos para la fractura dúctil.
Seleccionar materiales resistentes a la corrosión (por ejemplo, acero inoxidable), reducir la humedad ambiental y usar lubricantes de alta calidad para el desgaste corrosivo.
Adoptar materiales con propiedades electroquímicas similares, aplicar recubrimientos y agregar inhibidores de corrosión para la corrosión por fricción.
Optimizar los parámetros geométricos del engranaje, usar acero nitrurado y lubricantes antidesgaste de alta viscosidad para el desgaste por rayado.
Diseñar sistemas de puesta a tierra racionales, usar cojinetes aislados y realizar mantenimiento regular para el desgaste por EDM.
IV. Agrietamiento
El agrietamiento se refiere a la formación de diversas grietas en los engranajes durante la fabricación, el tratamiento térmico o la operación, lo cual es una forma de fallo peligrosa que puede provocar la fractura repentina de los engranajes, relacionada principalmente con defectos de proceso, concentración de tensiones y defectos del material.
4.1 Grietas de temple
Causadas por procesos de tratamiento térmico (cementación, nitruración, endurecimiento por inducción) debido a tensiones térmicas, defectos del material o enfriamiento inadecuado, caracterizadas por grietas lineales intergranulares que se expanden desde la superficie hacia el centro del diente.
4.2 Grietas de rectificado
Grietas superficiales o subsuperficiales generadas durante el rectificado de dientes, inducidas por la generación excesiva de calor y enfriamiento insuficiente, lo que provoca tensiones de tracción residuales e incluso quemaduras de rectificado (reblandecimiento o reendurecimiento de áreas locales). Las áreas sobrecalentadas se pueden identificar mediante ataque ácido, con zonas de revenido marrones/negras y puntos de martensita blanca sin revenir.
4.3 Grietas en el aro y la tela
Las grietas del aro generalmente se fracturan entre dientes adyacentes, expandiéndose radialmente a través del aro y la tela; las grietas de la tela son causadas por alta tensión cíclica o concentración de tensiones (por ejemplo, agujeros), y la resonancia de los núcleos de engranaje agravará dichas grietas. La alta fuerza centrífuga puede provocar un fallo catastrófico a alta velocidad.
4.4 Separación de la superficie/núcleo del diente
La superficie endurecida del diente se separa del núcleo blando del diente debido a grietas internas en la interfaz, lo que lleva a la fractura de las esquinas, los bordes o toda la punta del diente. Las grietas pueden aparecer inmediatamente después del tratamiento térmico, durante el transporte/almacenamiento o en servicio.
Medidas preventivas
Asegurar una estructura simétrica del núcleo del engranaje, un espesor de pared uniforme, optimizar el proceso de tratamiento térmico y templar inmediatamente después del temple para las grietas de temple.
Usar materiales de alta resistencia con defectos mínimos para la fractura dúctil.
Diseñar el espesor del aro el doble de la profundidad del diente, reducir la concentración de tensiones y evitar la resonancia para las grietas del aro y la tela; realizar inspección por partículas magnéticas regularmente.
Controlar la profundidad de cementación en la punta del diente, seleccionar acero limpio con alta tenacidad a la fractura, evitar el granallado en la superficie del diente y templar inmediatamente después del temple para la separación de la superficie/núcleo del diente; usar pruebas ultrasónicas para la identificación de defectos.
V. Deformación plástica
La deformación plástica se refiere al cambio permanente del perfil del diente del engranaje, lo que lleva a alta vibración, ruido anormal y bajo rendimiento de engrane, causado principalmente por una tensión de contacto excesiva, alta temperatura y lubricación deficiente, con el material experimentando un cambio de forma irreversible.
5.1 Flujo en frío
Ocurre por debajo de la temperatura de recristalización, con material empujado/arrastrado a lo largo de la dirección de deslizamiento bajo alta presión de contacto, lo que lleva a indentaciones superficiales y redondeo severo de las puntas de los dientes; ocurre endurecimiento por trabajo en frío de los materiales superficiales y subsuperficiales bajo alta carga.
5.2 Flujo en caliente
Ocurre por encima de la temperatura de recristalización, con flujo plástico del material del engranaje bajo la acción combinada de alta temperatura y tensión, lo que lleva a la distorsión del tamaño y la forma del engranaje, causado principalmente por sobrecarga o lubricación insuficiente (acumulación de calor por fricción).
5.3 Indentación
Cuerpos extraños duros (metal o desechos) en las superficies de los dientes engranados forman depresiones o picaduras en la superficie del diente conductor, lo que lleva a un aumento de la tensión, una reducción de la eficiencia y vibraciones anormales.
5.4 Deformación por laminación
La alta tensión de contacto causada por el movimiento combinado de rodadura y deslizamiento durante el engrane de los dientes conduce a la deformación plástica, que puede inducir grietas superficiales y desplazamiento de material con propagación de grietas.
5.5 Ondulación
Deformación ondulada periódica de la superficie del diente conductor con crestas de onda perpendiculares a la dirección de deslizamiento y apariencia de escamas de pez a lo largo de la longitud del diente, que ocurre principalmente a baja velocidad debido a una película de aceite elastohidrodinámica insuficiente, relacionada con el flujo plástico bajo alta tensión de contacto y lubricación límite.
5.6 Acanalado
Formado por desgaste superficial/subsuperficial y flujo plástico, inducido por lubricación deficiente, contaminación del lubricante, desalineación y sobrecarga, lo que lleva a un aumento del ruido, una reducción de la eficiencia e incluso daños severos.
5.7 Cedencia del filete de la raíz del diente
Flexión permanente de los dientes del engranaje cuando la tensión de flexión en el filete de la raíz del diente excede la resistencia a la cedencia del material, lo que lleva a un error de paso significativo e interferencia destructiva entre los dientes engranados, y un aumento del ruido y la vibración.
5.8 Interferencia punta-raíz
Deformación plástica, adhesión y abrasión ocurren en la punta del diente de un engranaje y la raíz del diente del engranaje acoplado, causadas por una modificación insuficiente de la punta/raíz, error geométrico/de paso o distancia entre centros inadecuada; la sobrecarga agravará el defecto al reducir la holgura de engrane, y el área dañada puede inducir fatiga Hertziana.
Medidas preventivas
Reducir la tensión de contacto, mejorar la dureza superficial/subsuperficial y aumentar la precisión del paso para el flujo en frío; seleccionar materiales resistentes a altas temperaturas y asegurar una lubricación suficiente para el flujo en caliente.
Usar materiales de alta resistencia con defectos mínimos para la fractura dúctil.
Asegurar una lubricación adecuada, alineación correcta y endurecimiento superficial de materiales blandos para la ondulación; garantizar lubricación suficiente, optimizar el diseño del engranaje y alinear correctamente regularmente para el acanalado.
Seleccionar materiales con mayor resistencia a la cedencia, aumentar el radio del filete de la raíz del diente y adoptar endurecimiento superficial (cementación/nitruración) para la cedencia del filete de la raíz del diente; evitar la sobrecarga.
Aumentar el ángulo de presión, realizar corte de raíz, aumentar el número de dientes o agrandar la distancia entre centros para la interferencia punta-raíz; optimizar los parámetros geométricos del engranaje y controlar la precisión del mecanizado.
VI. Fractura
La fractura es la forma de fallo definitiva de los engranajes, con la estructura del diente completamente dañada y perdiendo la función de transmisión, dividida principalmente en fractura frágil, fractura dúctil y fractura por impacto, diferentes en características de fractura y factores inductores.
6.1 Fractura frágil
Caracterizada por una propagación rápida de grietas sin deformación plástica obvia, con una superficie de fractura macroscópica brillante y granular, plana y perpendicular al eje de tensión. Generalmente es causada por una carga de impacto alta o concentración de tensiones, y ocurre a un nivel de tensión más bajo que la fractura dúctil.
6.2 Fractura dúctil
Ocurre una deformación plástica significativa antes de la fractura del material, con un cuello o alargamiento obvio, y la superficie de fractura muestra forma de copa-cono, apariencia fibrosa y gris. Puede formarse un labio de cizallamiento en el lado no de trabajo de los dientes del engranaje, y el material absorbe una gran cantidad de energía durante la fractura.
6.3 Fractura por impacto
Causada por una carga de alta tensión repentina o impacto (sobrecarga o accidentes), lo que lleva a la fractura repentina de los dientes del engranaje sin precursores obvios. La superficie de fractura es plana y perpendicular a la dirección de la tensión de tracción principal, similar a la fractura frágil, inducida por carga excesiva, impacto accidental y defectos internos del material.
Medidas preventivas
Implementar un tratamiento térmico adecuado para mejorar la tenacidad del material y seleccionar materiales con alta tenacidad a la fractura y ductilidad para la fractura frágil.
Usar materiales de alta resistencia con defectos mínimos para la fractura dúctil.
Seleccionar materiales de alta calidad, realizar pruebas no destructivas regulares y evitar sobrecargas/impactos accidentales para la fractura por impacto.
Resumen clave
El fallo de los engranajes es el resultado integral del material, el diseño, el proceso y las condiciones de operación. Dominar los 28 modos de fallo en 6 categorías es la base para una prevención y análisis de fallos efectivos. Los principios preventivos centrales incluyen: selección racional de materiales y tratamiento superficial, diseño estructural optimizado para reducir la concentración de tensiones, control estricto de los procesos de fabricación/tratamiento térmico, lubricación y mantenimiento adecuados, y cumplimiento de las condiciones de operación nominales. Para diferentes formas de fallo, se deben adoptar medidas de detección y prevención específicas para mejorar la fiabilidad y la vida útil de los sistemas de engranajes.