Zamora Antuñano, Marco Antonio y Cano López, José Antonio. "Análisis de fallas en engranes helicoidales utilizados en transmisiones automotrices” Episteme No. 7 Año 2, Enero-Marzo 2006http://www.uvmnet.edu/investigacion/episteme/numero6-06/ Fecha de consulta:

Análisis de fallas en engranes helicoidalesutilizados en transmisiones automotrices

Marco Antonio Zamora AntuñanoJosé Antonio Cano López

UVM - Querétaro

ResumenEste trabajo presenta el estudio del análisis de falla en un engrane helicoidal utilizado en una transmisión automotriz, el cual presenta fractura en los dientes. La técnica de líquidos penetrantes y metalografía fueron usadas para evaluar la dirección y origen de las fracturas, presentándose éstas en el centro del diente. Como primer objetivo del articulo es presentar una metodología para el análisis de falla y en una segunda publicación evaluar los esfuerzos de Hertz teniendo como conclusión que el engrane falla por sobrepasar estos tipos de esfuerzos.

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Introducción

Los engranes son ampliamente usados en elementos de maquinas que transmiten movimientos y potencia, así como también diseñados en varios tipos y formas ya que son sujetos a diferentes tipos de carga, por ello es común que sufran diferentes formas de fallas.

Las fallas más comunes son las fracturas en los dientes y ocasionalmente por corrosión, pero existen investigaciones realizadas en las cuales muestran que el 38% de las fallas son por superficie deteriorada del diente (pitting, spalling), el 32% por flexión y fatiga, el 24% por impactos y el 6% por causas diversas. Por esta razón el análisis de falla de engranes es uno de los temas más variados en lo que respecta a la evaluación.

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Antecedentes

El análisis de falla se realiza sobre un engrane helicoidal utilizando en transmisiones automotrices de cinco velocidades para servicio mediano (16 TONELADAS).

El tiempo de operación del engrane es variable ya que en ocasiones sólo dura un periodo de 20 horas trabajando continuamente en pruebas de laboratorio y en campo, se rompe cuando se hacen cambios bruscos de velocidad o no se hace el cambio de velocidad a las revoluciones adecuadas. La tabla 1 describe las características generales de la transmisión.

Tabla 1. Datos generales de la transmisión

ENGRANERELACIÓN

DE CAMBIO

TORQUELb - Ft

No DIENTESENGRANE

No DIENTESPIÑÓN

RPM DEL MOTOR1000

ÁNGULO DE

PRESIÓN

ÁNGULO DE

HÉLICEPRIMERA 7.52:1 3910.4 11 7520

SEGUNDA 4.35:1 2262.0 18 4350

TERCERA 2.54:1 1320.8 24 2540

CUARTA 1.52:1 790.4 33 22 1520 25 30.8QUINTA 1:1 520 1000

REVERSA 6.27:1 3260.4

Datos del engrane

No parte: 23 53 90 Nombre de la parte. Engrane de 4 ta de la contraflecha

Material: SAE-8620H

Ensamble: 5951104

No de transmisión: F 5005 A

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Metodología utilizada

Para poder determinar la causa de falla en el engrane se siguieron básicamente los siguientes pasos:

Evaluación visual Evaluación física

Evaluación metalúrgica

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Evaluación visual

En la evaluación visual primero se realizó una identificación de marcas y posteriormente se analizó la apariencia física.

El engrane presenta marcas de agrietamiento en la raíz del diente sobre la cara que esta en el lado del mamelón.

El engrane presenta marcas de erosión en el centro de los dientes con dirección hacia el lado del mamelón.

Una zona del diente es más oscura que otra, esto indica que sólo la parte más clara esta trabajando.

En las fotografías 1 y 2 pueden apreciarse la fractura del diente vista frontal y superior respectivamente.

Lo más común es que se fracturen uno o dos dientes del engrane, pero en ocasiones llegan a fracturarse hasta cuatro. Todas las fallas indican iniciarse por una grieta pequeña y se propagan sólo en una dirección hasta suceder la fractura. La fractura presenta las marcas características de cómo se va extendiendo la grieta.

Se analizaron 5 engranes, teniendo como resultado que la fractura se caracteriza por estar localizada en su mayoría a un ángulo de aproximadamente 30 grados con respecto al cuñero.

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Evaluación física

En la evaluación física se realizo inspección por líquidos penetrantes macro ataque y pruebas de dureza.

El revelado en aplicación de los líquidos penetrantes indican el inicio de la factura a la mitad de una de las caras del diente del engrane, extendiéndose hacia la raíz y finalmente terminado en la cara del lado mamelón del engrane.

El hecho de que todas las grietas inicien en el centro del diente da un indicio que la carga transmitida no es uniforme en la cara del diente.

El macro ataque fue utilizado para revelar las líneas de flujo del material durante el proceso de forjado.

En la fotografía 3 pueden apreciarse las líneas de flujo ocasionadas por el proceso de forja de este engrane, donde no se muestra discontinuidad en las líneas, por lo que se hizo un buen proceso de forjado.

Se realizaron pruebas de dureza en diferentes zonas del diente.

Se tomo un perfil de dureza en los puntos A, B en forma transversal para determinar la profundidad de capa efectiva, los ensayos fueron de microdureza con el método Vickers usando un patrón Vickers Marca Wilson para 200 grs.

De acuerdo a los resultados obtenidos la profundidad de capa es de 1.5 mm cuando en lo requerido es de 1.3 mm y la dureza es de 59 – 63 HRC, mientras que en lo requerido es de 58 - 62 HRC tanto en diámetro raíz como en el diámetro de paso.

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Evaluación metalúrgica

Para la evaluación metalúrgica se realizó el análisis químico y la inspección microscópica.

ANALISIS QUÍMICO. El material en estudio resultó ser un SAE-4320 y no un SAE-8620 como se había indicado en un principio, la razón por la cual ese está trabajando con dos diferentes materiales fue porque se fabricó un lote demasiado grande con el material SAE-4320, ya que tiene mejores propiedades mecánicas (resistencia a la tensión y limite de cadencia) y por consiguiente aumentar la vida del engrane, pero resulta ser más caro este material y no resuelve el problema, pero ya se tiene una cantidad bastante grande de engranes fabricados con este material, sobre los cuales se esta haciendo el estudio.

INSPECCIÓN MICROSCOPICA. Se realizó una serie de análisis melográficos para identificar el tipo de grieta y su dirección de propagación, la fotografía 4 a 50X muestra la sección de raíz del diente sin ataque químico, sólo pulido en acabado espejo.

La fotografía 5 a 100X con ataque químico (Nital al 4%, Vander Voort) presentando fisura en la misma dirección empezando de forma trasgranural y terminando en forma intergranural.

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Conclusiones

La evidencia más presente es que la carga no esta distribuida uniformemente en los dientes del engrane, por lo que sólo una parte de los dientes transmite la potencia. La falla ocurre cuando en determinados ciclos de trabajo el diente se fatiga y sufre la fractura.

Por otro lado, también en los dientes se presentan marcas de pitting, atribuible a esfuerzos por contacto demasiado altos, que fueron evaluados y se presentarán en un segundo tiempo, por lo que la metodología utilizada nos dio una forma teórica metodológica para abordar este tipo de fallas que es común en la industria.

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Bibliografía

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Acerca de los autores

Marco Zamora Antuñano

Doctor en Educación por el Instituto Pedagógico de Estudios de Posgrado en Celaya, Gto. Cuenta con Maestría en Ciencias en Ingeniería Industrial por parte del el Instituto Tecnológico de Querétaro. Es además Ingeniero Industrial en dicho Instituto y Profesor de asignatura en la UVM de esta misma entidad. También es socio del despacho de asesoría y consultoría en Ingeniería de Calidad Beat Sigma S.A. de C.V.

José Antonio Cano López

Doctor en Educación por el Instituto Pedagógico de Estudios de Posgrado en Celaya, Gto. Tiene Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica por parte del Instituto Tecnológico de Celaya. Es además Ingeniero Mecánico en el Instituto Tecnológico de Querétaro y Profesor de asignatura en la UVM-Querétaro. Socio del despacho de asesoría y consultoría en Ingeniería de Calidad Beat Sigma S.A. de C.V.