Apunte de Mantencion y Lubricacion Engranajes
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Curso Transmisión de Potencia Parte Engranajes Tratamiento térmico de los engranajes En un engrane podemos distinguir dos tipos de cualidades que inciden directamente en el funcionamiento del engranaje : las geométricas y las mecánicas. a) Geométricas : el proceso de tallaje es el que define la dentadura y existe un grado de perfección. b) Mecánicas : Son función del metal que hemos elegido para hacer el engrane (limite elástico, resistencia, ...) y también función del tratamiento térmico o superficial que ha recibido. Hay que tener mucho cuidado porque los tratamientos térmicos pueden influir sobre la geometría de la pieza por las deformaciones que producen. Las diferentes formas de tratamiento de endurecimiento en el engrane son: a) T.T. completo: sobre engranes tallados o no tallados. b) Endurecimiento superficial: Cementación (T.T. posterior), nitruración, temple por llama, temple por inducción,... - Cementación (T.T. posterior) - Nitruración - Temple por inducción - Temple a la llama - Sur – Sulf En este trabajo vamos a tratar de conocer mejor, como influyen los diferentes tratamientos superficiales sobre las características mecánicas del engrane. 1.- CARACTERISTICAS NECESARIAS Un engrane tiene que tener las siguientes características para el buen funcionamiento: Preparado Por F. Asken - 2009 1
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Tratamiento térmico de los engranajes
En un engrane podemos distinguir dos tipos de cualidades que inciden directamente en el funcionamiento del engranaje: las geométricas y las mecánicas.
a) Geométricas : el proceso de tallaje es el que define la dentadura y existe un grado de perfección.
b) Mecánicas : Son función del metal que hemos elegido para hacer el engrane (limite elástico, resistencia, ...) y también función del tratamiento térmico o superficial que ha recibido. Hay que tener mucho cuidado porque los tratamientos térmicos pueden influir sobre la geometría de la pieza por las deformaciones que producen.
Las diferentes formas de tratamiento de endurecimiento en el engrane son:
a) T.T. completo: sobre engranes tallados o no tallados.
b) Endurecimiento superficial: Cementación (T.T. posterior), nitruración, temple por llama, temple por inducción,...
- Cementación (T.T. posterior)- Nitruración- Temple por inducción- Temple a la llama- Sur – Sulf
En este trabajo vamos a tratar de conocer mejor, como influyen los diferentes tratamientos superficiales sobre las características mecánicas del engrane.
1.- CARACTERISTICAS NECESARIAS
Un engrane tiene que tener las siguientes características para el buen funcionamiento:
a) Una capa superficial muy dura para hacer frente a toda la problemática de desgaste, deformación, grietas,... descritas posteriormente.
b) Un núcleo tenaz, capaz de absorber los grandes esfuerzos que se generan en los engranajes, enganches,... sin romperse
Los engranajes están sometidos a grandes presiones tanto en la superficie de contacto y por eso el tratamiento que la mayoría de ellos recibe consiste en un tratamiento térmico de :
cementación o nitruración con lo cual se obtiene una gran dureza en la zona de contacto de los dientes y una tenacidad en el núcleo que evite su rotura por un sobreesfuerzo.
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La cementación
consiste en efectuar un calentamiento prolongado en un horno de atmósfera controlada y suministrarle carbono hasta que se introduzca en la superficie de las piezas a la profundidad que se desee. Una vez cementada la pieza se la somete a temple, con lo cual se obtiene gran dureza en la capa exterior, ideal para soportar los esfuerzos de fricción a que se someten los engranajes.
Los engranajes que se someten a cementación están fabricados de aceros especiales adecuados para la cementación.
Otra veces el tratamiento térmico que se aplica a los engranajes es el de
Nitruración
Que está basado en la acción que ejercen sobre la superficie exterior de las piezas la acción del carbono y del nitrógeno. La nitruración reduce la velocidad crítica de enfriamiento del acero, alcanzando un mayor grado de dureza una pieza nitrurada y templada que cementada y templada, aun para un mismo tipo de material.
En la actualidad, y particularmente en la industria de la automoción, se están supliendo aceros aleados por aceros más sencillos dadas las grandes ventajas técnicas que ofrece la nitruración (elevadas durezas, regularidades de temple, menos deformaciones...). En los procesos de nitruración se puede obtener capas entre 0.1-0.6mm., siendo las durezas en la periferia del orden de los 60-66 HRC.
La nitruración es un proceso para endurecimiento superficial que consiste en penetrar el nitrógeno en la capa superficial. La dureza y la gran resistencia al desgaste proceden de la formación de los nitruros que forman el nitrógeno y los elementos presentes en los aceros sometido a tratamiento.
A veces hay engranajes que se les aplica un
TEMPLE SUPERFICIAL POR SOPLETE O POR INDUCCION:
En estos dos métodos de temple superficial el acero debe de contener un porcentaje de carbono que permita alcanzar después del temple la dureza superficial que se desea. El porcentaje de carbono oscila entre el 0.4 y el 0.5.
3.3.1.- TEMPLE POR SOPLETE:
La llama la podemos obtener por la combustión de tres elementos diferentes:
I) Oxigeno – acetileno.II) Oxigeno propano.
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III) Oxigeno - gas de ciudad.
Entre las diferencias entre estos tres métodos de calentamiento podemos citar que la llama de un soplete a oxiacetileno calienta mas rápidamente que una llama de oxipropano o de gas ciudad. El oxigeno gas ciudad se emplea a la hora de calentar mas profundamente para conseguir una mayor penetración del temple, ya que al ser su temperatura mas baja el riesgo de un sobrecalentamiento superficial del material es reducido.
La penetración del calor en la profundidad deseada se produce por simple conducción térmica. Se exige que la llama propague la menor cantidad posible de calorías hacia el centro de la pieza a tratar; es decir, localizar al máximo el calentamiento en la superficie.
La zona calentada es enfriada rápidamente a medida que avanza la llama del soplete, mediante un chorro de agua que se encuentra en la proximidad de los dardos, permitiendo que el enfriamiento sea casi instantáneo.
Con el temple superficial se logran mejores durezas y profundidades de temple en piezas de grandes espesores que si éstas son sometidas a temple corriente, motivado por el calentamiento localizado y por su enérgico enfriamiento.
Donde el calentamiento es limitado a la zona a tratar y es producido por corrientes alternativas inducidas. Cuando se coloca un cuerpo conductor dentro del campo de una bobina o de un solenoide con corrientes de media o alta frecuencia, el cuerpo es envuelto por una corriente inducida, la cual produce el calentamiento. Para ello se emplea inductores que tienen la forma apropiada de la dentadura que queremos tratar.
La ausencia de todo contacto entre el inductor y la pieza sometida a calentamiento permite la obtención de concentraciones del orden de los 25.000 W cm-2. La velocidad de calentamiento es casi unas 15 veces más rápida que por soplete. Para templar una pieza por inducción será necesario que tenga un espesor por lo menos unas diez veces superior al espesor que se desea templar. El éxito de un buen temple reside en acertar con la frecuencia de corriente de calentamiento, para que ésta produzca una concentración suficiente de corriente inducida en la zona a templar.
El sistema que se emplea en el calentamiento es en dos ciclos. 10.000 ciclos para el calentamiento de la base de los dientes y 375.000 para el calentamiento de la periferia. Después de efectuados los dos calentamientos el engrane es sumergido en agua o aceite en función del tipo de acero que sea.
Una posibilidad que existe para solucionar los problemas que aparecen en los engranajes ha sido el níquel químico. Los depósitos de níquel le confieren a la pieza tratada una buena resistencia a la corrosión, una gran resistencia a la fricción y una gran dureza con ayuda de unos precipitados concretos. El niquelado químico se consigue que las capas sean uniformes, siempre y cuando todas las partes de la pieza estén en contacto con la solución y la composición de esta se mantenga constante, y el espesor de esta capa varía según el tiempo de tratamiento y la composición. Las piezas antes de ser tratadas deben de pasar por otras fases como pueden ser el decapado, ataque, para garantizar su adhesión, y otra cosa a tener en cuenta es que el niquelado químico reproduce en la superficie la rugosidad de la pieza tratada
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Lubricación de engranajes
Las transmisiones por engranajes principalmente las que están sometidas a un gran esfuerzo y funcionamiento de gran velocidad tienen que tener el lubricante adecuado para poder contribuir a conservar sus propiedades mecánicas durante el uso:
La clasificación de los lubricantes de transmisión de uso industrial se realiza según diferentes criterios:
Especificaciones técnicas de los lubricantes
Elección del lubricante y su viscosidad más adecuada
El primer indicador del lubricante a utilizar en un determinado equipo debe ser siempre la recomendación del fabricante que lo ha diseñado y conoce sus necesidades. La elección de la adecuada viscosidad para un sistema de engranajes de dientes rectos o helicoidales es dependiente de
potencia expresada en kW o HP reducciones múltiples o simples velocidad expresada en rpm
tipo de lubricación (circulación o salpicado)
Requisitos del aceite de engranajes
La fricción es cosa inherente a la interacción física
entre objetos y la fricción siempre produce desgaste. Las
superficies de los dientes de los engranajes están sujetas a
la fricción debida al deslizamiento y rodaduras. Mayores
cargas en las superficies de los dientes de los engranajes, y
mayores velocidades de deslizamiento, producirán mas
fricción y mas calor.
Por estas razones, los aceites de engranajes necesitan satisfacer las siguientes
condiciones:
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Viscosidad apropiada
Habilidad para soportar la carga
Resistencia al calor y a la oxidación
Tipos de Aceite de Engranajes
La clasificación del aceite de engranajes esta centrada principalmente en la
viscosidad y resistencia a la carga.
Así como con el aceite de motor, el aceite de engranajes también es clasificado
de acuerdo a la aplicación de la viscosidad SAE y calidad API.
Clasificación de acuerdo a su Viscosidad
En cuanto al aceite para engranajes o aceite para transmisiones, la clasificación S.A.E. se basa en la viscosidad, estableciendo cinco números S.A.E.
Grado SAE Viscosidad Cinemática cSt @
100°C
70W 4,1
75W 4,1
80W 7,0
85W 11,0
90 13,5
140 24,0
250 41,0
Clasificación de acuerdo a su calidad y aplicación
La API (Instituto Americano del Petróleo) ha establecido clasificaciones de aceite de
engranajes que los dividen según su aplicación. Sin embargo, el criterio principal para la
clasificación del aceite de engranaje es por el tipo de engranajes en el que se usara. Por
ejemplo, engranaje hipoide, engranaje cónico, etc. También, es de especial importancia las
características de presión extrema que se requieren del aceite de engranajes.
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CLASIFICACIÓN API
Clasificación API Descripción del Servicio y del Aceite
GL-1 Aceite mineral puro para engranajes. Raramente utilizado en automóviles
GL-2 Usado para la lubricación de engranajes sin fin. Contiene aceite animal o vegetal.
GL-3Usado en las transmisiones manuales y engranajes de dirección. Contiene aditivos resistentes a presiones extremas.
GL-4De uso para los engranajes hipoidales bajo condiciones mas severa que en las de clase GL-3. Contiene una mayor cantidad de aditivos resistentes a las presiones extremas que los aceites de la clasificación GL-3.
GL-5
Usado en engranajes hipoidales bajo las mas severas condiciones Contiene una mayor cantidad de aditivos resistentes a las presiones extremas que los aceites de la clasificación GL-4. Se ha añadido mas aditivo para permitir que los engranajes toleren mas choque de carga y velocidades de deslizamiento mas rápidas.
GL-6
Servicio característico de engranajes, específicamente los hipoides con deslizamiento limitado en condiciones de alta velocidad con altas cargas y rendimientos. Su utilización es típica en diferenciales en los que es frecuente el uso del sistema de bloqueo de ambos palieres. Protegen de manera optima contra el rayado de
GL: Lubricante para engranaje
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Principales deterioros
CLASES Y MODOS DE FALLO
Fractura del diente.
La rotura de los dientes generalmente tiene un carácter de fatiga, como consecuencia de la acción periódica de la carga variable. A cada entrada sucesiva del diente en el engrane, surgen en su base (pie) tensiones variables de flexión. Debido al cambio brusco en la forma del diente, en la zona de transición tienen lugar una gran concentración de tensiones, donde a un determinado número de ciclos de carga, es posible el surgimiento de una grieta, que al propagarse provoca la fracturadel diente.Una sobrecarga considerable también puede romper de súbito los dientes, generalmente cuando las ruedas son de materiales frágiles. Otra causa de esta rotura es el incompleto contacto de los dientes por su longitud lo que aumenta la magnitud de losesfuerzos.La resistencia a la fractura se puede elevar, aumentando las dimensiones de la base del diente y disminuyendo la concentración de tensiones en la sección peligrosa, mediante el aumento de la curva de transición y un acabado minucioso de la superficie del fondo del diente.
Picadura de los dientes.
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La picadura es la causa principal que inutiliza las transmisiones por engranajes que trabajan en abundancia de lubricante. En las superficies de contacto las grietas por fatiga toman diferentes orientaciones de acuerdo a la influencia de las fuerzas de rozamiento. El desarrollo ulterior de estas grietas está condicionado por la presencia de lubricante en la zona de contacto, debido a que el lubricante penetra en las grietas. En el proceso de trabajo el número de hoyuelos crece y el tamaño de ellos aumenta, el perfil del diente se altera y la superficie queda irregular, aumentan las cargas dinámicas y, debido a esto, elsuperficie de trabajo del diente se deteriora. Para aumentar la capacidad de los dientes a la picadura se puede aumentar la resistencia mecánica de la superficie de los dientes, aumentando los radios de curvatura de los perfiles, dando mayor dureza a los flancos activos de los dientes, mejorado el acabado superficial y eligiendo correctamente el lubricante, entre otras medidas.
Desgaste de los flancos.
El desgaste de las superficies de trabajo de los dientes es más frecuente en las transmisiones abiertas que en las cerradas, este desgaste será tanto mayor, cuanto mayor es el deslizamiento específico entre los dientes y mayor la tensión por contacto a la compresión en estas superficies.Debido a que el deslizamiento específico tiene lugar en los puntos iniciales y finales de contacto de los dientes, el máximo desgaste se produce en los pies y en las cabezas de los mismos, provocando la desfiguración del perfil de evolvente, aumentado la carga dinámica y debilitándose el pie del diente, todo esto incrementa las tensiones en lazona de la superficie de transición del diente. El desgaste se puede reducir disminuyendo la magnitud del deslizamiento específico y de las tensiones de contacto,aumentando la resistencia al desgaste de las superficies y eligiendo correctamente el lubricante.
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Agarramiento (desgaste adhesivo) de los flancos.
El agarramiento consiste en que bajo la acción de altas presiones en la zona de la película de lubricante aplastada, las superficies conjugadas de los dientes engranan entre sí tan fuertemente, al romperse la película de aceite, que se arrancan partículas de la superficie del diente más blando y se sueldan en la superficie de los dientes más durosconjugados. Durante el movimiento relativo ulterior de los dientes estas partículas dejan surcos sobre la superficie de la que se desprendieron. En las transmisiones de baja velocidad el agarramiento se evita empleando lubricantes muy viscosos, y en lastransmisiones rápidas aplicando lubricantes de antiescoriación y de extrema presión, es decir, que contienen aditivos que obstaculizan la soldadura de las partículas del metal en los dientes que están en contacto.
Arrastre plástico de material.Este deterioro tiene lugar en ruedas de acero fuertemente cargadas. Bajo la acción de las fuerzas de rozamiento, las partículas de metal de la capa superficial de los dientes dela rueda conductora se alejan del polo y en los dientes de la conducida se acercan al polo. Como resultado de lo anterior, sobre los dientes impulsores se forman surcos a lo largo de la línea polar y en los impulsados se producen crestas.Estas deformaciones aparecen con más frecuencia en dientes de acero de baja dureza y muy cargados, particularmente con lubricación deficiente y en transmisiones de baja velocidad.
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