Gainazal nekearen ondorioak karbono altzairuzko engranaje zilindrikoetan

Abstract

Uno de los modos de fallo más comunes en los engranajes es la fatiga superficial, llamada pitting o spalling en inglés. Se origina en las grietas subsuperficiales que se producen cuando la presión de contacto del diente supera la tensión de contacto admisible. Debido a las cargas repetitivas, estas grietas se propagan hasta la superficie, liberando fragmentos de material y provocando agujeros conocidos como spalls. Estos, alteran el comportamiento mecánico de los engranajes y reducen la vida de los mismos, además, se cree que pueden producir la paralización del sistema de engranajes por diversas causas: niveles excesivos de vibración y/o ruido, rotura del pie del diente etc. Para evitar estas consecuencias inaceptables, una vez definidas las condiciones de trabajo a las que se verá sometido el engranaje, estos se dimensionan basándose en la norma de dimensionamiento ISO 6336-2, la cual determina las dimensiones mínimas de los engranajes para evitar la aparición de grietas durante su vida útil. Sin embargo, sea cual sea la aplicación de los engranajes, siempre se utilizan los mismos criterios relacionados con la superficie dañada para definir el fallo por spalling. Además, no se explica la causa de los criterios empleados para ser críticos. A pesar de ello, la experiencia ha demostrado que estos criterios son demasiado estrictos para determinadas aplicaciones en las que las condiciones de trabajo no son exigentes (condición por la cual se utilizan, entre otros, engranajes de aceros al carbono), provocando la fabricación de engranajes sobredimensionados, con el consiguiente aumento de costes innecesarios. En el estado del arte hay un gran desconocimiento de lo que ocurre cuando el nivel del spalling supera los criterios de fallo especificados. Por un lado, se desconoce si al sobrepasar este nivel de daño aumenta el riesgo de rotura del pie del diente. Por otro lado, no existe suficiente conocimiento para asegurar que los efectos del aumento del nivel de fatiga superficial sobre el comportamiento de los engranajes son despreciables, ni para saber si las posibles reducciones de vida han de considerarse. En resumen, existe desconocimiento acerca de las razones por las que el spalling es crítico, lo que implica que la relación entre estas y el nivel de spalling sean desconocidas. Ante esta problemática, primero se ha analizado mediante ensayos experimentales lo que sucede cuando se superan los criterios de fallo utilizados para definir el spalling crítico en los engranajes de aceros al carbono bajo diferentes condiciones de trabajo. La evolución de la superficie afectada por la fatiga superficial ha sido relativamente estable en todos los ensayos experimentales realizados, los incrementos de las vibraciones producidos han sido pequeños y a pesar de los elevados niveles de spalling no se han dado roturas del pie del diente. Por tanto, se ha comprobado que niveles de spalling muy superiores a los niveles críticos de las normas de dimensionamiento son admisibles y que el riesgo de rotura del pie del diente de los engranajes debido a la fatiga superficial es bajo. Por ello, después se propone una metodología híbrida para definir el nivel crítico del spalling para cualquier tipo de aplicación. Esta se basa en los incrementos de vibraciones y ruido que produce el spalling, los cuales se calculan con un modelo dinámico de un grado de libertad en el que se importa la rigidez de engrane de una pareja de engranajes dañado por spalling computada numéricamente. En el caso de estudio analizado, se ha observado que los incrementos de vibraciones y ruido producidos por el spalling son más evidentes en los engranajes helicoidales que en los engranajes rectos. Además, si antes ha asegurado que no va a producirse la rotura del pie del diente del engranaje, se ha concluido que para determinar la criticidad del spalling es más adecuado basarse en la suma del área total afectada en todos los dientes en lugar de únicamente del más dañado.