L I B R O ENGRANAJES, Diseño, Lubricación, Análisis de Fallas y Mantenimiento
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L I B R O: ENGRANAJES, Diseño, Lubricación, Análisis de Fallas y Mantenimiento (850 páginas) AUTOR (Colombia) Dr. Luis E. Benitez Hernandez Ingeniero Mecánico, Magister en Administración de Empresas, Especialista en Tribología y Lub ricación. Profesor de la asignatura Tribología en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia. Conferencista y asesor en lub ricación de prestigiosas empresas colombianas. Autor de varios libros en el campo de la Ingeniería Mecánica publicados por la Universidad Nacional y autor de numerosos artículos publicados en revistas nacionales e internacionales (Carta Metalúrgica, Clase Empresarial, Universidad y Sociedad, Ingeniería e Investigación, Ingeniería de Mantenimiento y otras). Conferencista internacional en eventos relacionados con la Ingeniería Mecánica, el Mantenimiento y la Administración y Mejoramiento de los Procesos Productivos. Actualmente es profesor Titular del Departamento de Ingeniería Mecánica y Meca trónica de la Universidad Nacional de Colomb ia. Por su destacada carrera docente fue distinguido con el título de Maestro Universitario por el Consejo Superior de la misma Universidad Ha sido Director del Departamento de Ingeniería Mecánica y Meca trónica en varias oportunidades y Director del Instituto de Extensión e Investigación de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colomb ia. Es el autor del Lib ro: ENGRANAJES. Diseño, lub ricación análisis de fallas y mantenimiento, publicado en julio de 2012 en la universidad Nacional de Colombia TABLA DE CONTENIDO Agradecimientos Dedicatoria Introducción 1. NOCIONES GENERALES SOBRE LOS ENGRANAJES 26 1.1. Generalidades 28 1.2. Condiciones cinemáticas para el engrane 29 Ejemplo 1.1 Aplicación de la ley del engrane 31 1.3. Curvas conjugadas 32 1.4. Perfiles de evolvente 32 1.4.1. Ecuación de la evolvente 34 Ejemplo 1.2 Aplicación de la ecuación de la envolvente 36 1.4.2. Línea de engrane 37 1.5. Funcionamiento de los engranajes de evolvente 39 1.6. Razón de contacto 41 1.6.1. Razón de contacto en los engranajes rectos Ejemplo 1.3 Razón de contacto (relación longitud de acción y paso base) 41 47 1.6.2. Razón de contacto en otros tipos de engranajes 48 1.7. Deslizamiento 49 1.8. Interferencia. 59 1.9. Análisis de fuerzas 61 Ejemplo 1.4 Análisis de fuerzas 76 1.10. Preguntas y problemas 78 2. CÁLCULO DE ENGRANAJES RECTOS 80 2.1. Consideraciones preliminares para el diseño 82 2.1.1. Cargas 83 2.1.2. Velocidad 84 2.1.3. Requerimientos de precisión 84 2.1.4. Selección del tipo de engranaje correcto 85 2.1.4.1. Engranajes rectos 85 2.1.4.2. Engranajes helicoidales 86 2.1.4.3. Engranajes cónicos e hipoidales 86 2.1.4.4. Engranajes sinfín corona 87 2.1.5. Relación de velocidad 88 2.1.6. Espacio y limitación de la relación de velocidad. 89 2.1.7. Condiciones especiales de operación 91 2.2. Resistencia a la flexión de los dientes 2.2.1. Formula de Lewis Ejemplo 2.1 Aplicación de la ecuación de Lewis 2.2.2. Concentración de esfuerzos Ejemplo 2.2 Factor de forma 2.2.3. Factor geométrico Ejemplo 2.3 Factor geométrico 2.2.4. Carga dinámica sobre los dientes 2.2.4.1. 2.3. Cargas dinámicas en función de la velocidad 93 96 108 112 115 116 117 118 119 Ejemplo 2.4 Carga dinámica en función de la velocidad 120 2.2.4.2. 122 Ecuación de Buckingham Ejemplo 2.5 Ecuación de Buckingham 128 Cálculo de los dientes por durabilidad superficial 129 2.3.1. Esfuerzos presentes en la zona de contacto 130 2.3.2. Ecuación de Hertz para el esfuerzo de contacto 132 Ejemplo 2.6 Aplicación de la ecuación de Hertz 139 2.3.3. Ecuación de Buckingham para el contacto superficial 140 2.4. Ejemplo 2.7 Ecuación de Buckingham contacto superficial 141 Metodo AGMA para el cálculo de los engranajes 142 2.4.1. Criterios para la capacidad de carga 144 2.4.2. Formulas para la durabilidad superficial 146 2.4.3. Formulas para la resistencia a la flexión 150 2.5. Proceso general de cálculo de los engranajes 153 Ejemplo 2.8 Proceso de diseño Deutschman 157 Preguntas y problemas 159 2.6. 3. CÁLCULO DE ENGRANAJES HELICOIDALES 162 3.1. Generalidades 166 3.2. Geometría y dimensionamiento 169 Ejemplo 3.1 Geometría y dimensionamiento 171 Relaciones entre los dientes 172 Ejemplo 3.2 Relaciones entre los dientes 176 Ángulos de presión 177 Ejemplo 3.3 Ángulos de presión 179 Número de dientes equivalente 180 Ejemplo 3.4 Engranaje recto equivalente 184 3.6. Funcionamiento del engranaje helicoidal 184 3.7. Engranajes helicoidales cruzados 189 3.8. Fuerzas en los engranajes helicoidales 195 3.9. Método AGMA para el cálculo por durabilidad y resistencia 195 3.3. 3.4. 3.5. 3.9.1. Carga tangencial, Wt 197 3.9.3. Factores dinámicos Cv Y Kv. 202 3.9.4. Factores de tamaño Cs Y Ks 213 3.9.5. Factores de distribución de carga, Cm y Km 215 3.9.6. Factor de condición superficial, Cf 227 3.9.7. Factores geométricos, I Y J 227 3.9.7.1. Factor geométrico para durabilidad superficial, I. 228 3.9.7.2. Factor geométrico para resistencia a la flexión, J 238 3.9.8. Coeficiente elástico Cp. 257 3.9.9. Números de esfuerzo admisibles, Sac y Sat 259 3.9.10. Factor de relación de durezas, CH 276 3.9.11. Factores de vida CL y KL 281 3.9.12. Factores de confiabilidad, CR y KR 284 3.9.13. Factores de temperatura, CT y KT 285 Ejemplo 3.5 Espesor mínimo de película de aceite 3.10. Cálculo de engranajes helicoidales cruzados 298 300 3.11. Preguntas y problemas 305 4. CÁLCULO DE ENGRANAJES SINFIN CORONA 308 4.1. Generalidades 309 4.2. Características de la transmisión 310 4.3. Clasificación 312 4.3.1. Según el tipo de tornillo 312 4.3.2. Según el engrane sinfín corona 312 4.4. Elementos de la transmisión del sinfín corona 314 4.5. Dimensionamiento 315 4.5.1. Diámetros primitivos Ejemplo 4.1 Velocidad axial 316 319 4.5.2. Número de entradas del tornillo 321 4.5.3. Ángulos del tornillo 322 4.5.4. Ejes perpendiculares 323 4.5.5. Relación de transmisión 325 4.5.6. Dimensiones del tornillo 326 Ejemplo 4.2 Dimensiones del tornillo 328 4.6. Contacto de los dientes 331 4.7. Deslizamiento en el sinfín corona 334 4.8. Fuerzas en el engranaje sinfín corona 336 4.9. Ejemplo 4.3 Determinación de cargas 338 Eficiencia 340 Ejemplo 4.4 Eficiencia 345 4.10. Auto frenado en el sinfín corona 347 4.11. Durabilidad de la transmisión sinfín corona 353 Ejemplo 4.4 Valor límite de carga 363 4.12. Durabilidad de la transmisión con tornillo globoidal 365 4.13. Capacidad térmica de la transmisión sinfín corona 371 4.14. Preguntas y problemas 376 5. CÁLCULO DE LOS ENGRANAJES CÓNICOS 378 5.1. Generalidades 380 5.2. Perfiles de dientes de los engranajes cónicos 385 5.3. Aproximación de Tredgold 390 5.4. Tipos de engranajes cónicos 393 5.4.1. Engranajes cónicos rectos 393 5.4.2. Engranajes cónicos en espiral 394 5.4.3. Engranajes cónicos zerol 395 5.4.4. Engranajes hipoidales 398 Ejemplo 5.1 Interferencia 401 5.6. Razón de contacto 405 5.7. Análisis de fuerzas 405 5.8. Cálculo de los dientes. Método aproximado 406 5.8.1. Ecuación de Lewis Ejemplo 5.2 Calculo de los dientes 5.8.2. Carga dinámica 407 409 413 5.8.3. Carga de desgaste admisible 5.9. 413 Ejemplo 5.3 Carga dinámica y carga de desgaste admisible 414 Métodos Gleason y AGMA para el cálculo de engranajes cónicos 417 5.9.1. Ecuaciones fundamentales para el picado y los esfuerzos de flexión 418 5.9.2. Ecuaciones fundamentales de potencia 422 5.9.3. Esfuerzos calculados de contacto y de tensión SC, St 424 5.9.4. Carga tangencial transmitida, Wt 425 5.9.5. Torque máximo del piñón, Tp 426 5.9.6. Torque de operación del piñón, Tpc 427 5.9.7. Factores de sobrecarga, C0, K0 427 5.9.8. Factor de servicio 427 5.9.9. Factores dinámicos, Cv, Kv 428 5.9.10. Ancho de cara, F 432 5.9.11. Paso diametral (o modulo), Pd (m) 432 5.9.12. Diámetro primitivo del piñón, d 432 5.9.13. Factores de tamaño, Cs, Ks 432 5.9.14. Factores de distribución de carga Cm, Km 433 5.9.15. Factor de condición superficial, Cf 437 5.9.16. Factor de radio del cortador, Kx. 438 5.9.17. Factores geométricos, I, J 439 5.9.17.1. Factor geométrico para durabilidad superficial, I 439 5.9.17.2. Factor geométrico para resistencia a la flexión, J 450 5.9.18. Esfuerzo de trabajo, Sw. 464 5.9.19. Esfuerzos admisibles, Sac, Sat 464 5.9.20. Coeficiente elástico, Cp 468 5.9.21. Factores de vida, CL, KL 469 5.9.21.1. Factor de vida para durabilidad superficial, CL 469 5.9.21.2. Factor de vida para resistencia a la flexión, KL 472 5.9.22. Factores de temperatura, CT, KT 475 5.9.23. Factores de seguridad CR, KR 475 5.9.24. Factor de relación de durezas, CH 476 Ejemplo 5.4 Ecuaciones fundamentales para el picado y los esfuerzos de flexión 477 5.10. Cálculo de los engranajes hipoidales 484 5.10.1. Ecuaciones fundamentales para flexión y esfuerzos de contacto 484 5.10.2. Esfuerzos de tensión por flexión calculados, StP,StG 489 5.10.3. Esfuerzo de contacto calculado, Sc 489 5.10.4. Coeficiente elástico, Cp 489 5.10.5. Torques transmitidos, TP,TG 489 5.10.6. Máximo torque del piñón, TPmx 490 5.10.7. Factores de sobrecarga, Ko, Co 490 5.10.8. Factores de servicio 490 5.10.9. Factores dinámicos, Kv, Cv 490 5.10.10. Paso diametral transversal (o módulo), Pd (m) 491 5.10.11. Ancho de cara, FP,FG 491 5.10.12. Diámetro primitivo de la rueda, D 491 5.10.13. Factores de tamaño, Ks, Cs 491 5.10.14. Factores de distribución de carga, Km, Cm 492 5.10.15. Factor de condición superficial, Cf 492 5.10.16. Factores geométricos para resistencia, JP,J'P,JG 492 5.10.17. Factor geométrico para durabilidad, I 501 5.10.18. Esfuerzo de trabajo por flexión, Swt 508 5.10.19. Esfuerzo de trabajo por contacto, Swc 508 5.10.20. Esfuerzo admisible de flexión, Sat 508 5.10.21. Esfuerzo admisible de contacto, Sac 510 5.10.22. Factores de vida, KL,CL 510 5.10.23. Factor de relación de dureza, CH 510 5.10.24. Factores de temperatura, KT,CT 510 5.10.25. Factores de seguridad, KR,CR 510 5.11. Preguntas y problemas 511 6. LUBRICACIÓN DE ENGRANAJES 513 6.1. Generalidades 516 6.2. Tribología 518 6.3. Fricción 519 6.3.1. Fricción de deslizamiento 523 6.3.2. Fricción sólida 523 6.3.3. Fricción fluida 524 6.3.4. Fricción mixta 526 6.4. 526 Desgaste 6.4.1. Desgaste pulimentado 527 6.4.2. Desgaste abrasivo 527 6.4.3. Desgaste erosivo 528 6.4.4. Desgaste por cavitación 530 6.4.5. Desgaste adhesivo 530 6.4.6. Desgaste corrosivo 532 6.4.7. Desgaste por fatiga 533 6.4.8. Desgaste por interferencia 534 6.5. Lubricación 535 6.6. Regímenes de lubricación 536 6.6.1. Lubricación limite 536 6.6.2. Lubricación hidrostática 537 6.6.3. Lubricación fluida o hidrodinámica 538 6.6.4. Lubricación elastohidrodinámica 539 6.7. 542 Tipos de lubricantes 6.7.1. Grasas lubricantes 543 6.7.2. Aceites lubricantes 543 6.8. 6.7.2.1. Aceites orgánicos 544 6.7.2.2. Aceites sintéticos 544 6.7.2.3. Aceites minerales 545 Clasificación de los lubricantes 546 6.8.1. Según su estado 546 6.8.2. Según su naturaleza 546 6.9. 547 Clasificación de los aceites 6.9.1. Aceites automotrices 547 6.9.1.1. Clasificación SAE 547 6.9.1.1.1. Aceites Unígrados 547 6.9.1.1.2. Aceites Multigrado 549 6.9.1.2. Clasificación API 550 6.9.1.2.1. Aceites para Motores de encendido por Chispa (S) 550 6.9.1.2.2. Aceites para motores de encendido por compresión (C) 552 6.9.1.2.3. Aceites para engranajes automotrices 556 6.9.2. Aceites industriales 558 6.9.2.1. Clasificación ISO 558 6.9.2.2. Clasificación AGMA 559 6.9.2.3. Clasificación ASTM 561 Ejemplo 6.1 Homologación de un aceite 564 6.10. Clasificación de las grasas 565 6.11. Tipos de engranajes 566 6.11.1. Cilíndricos de dientes rectos 567 6.11.2. Cilíndricos de dientes helicoidales 571 6.11.3. De tornillo Sinfín-Corona 572 6.11.4. Cónicos, de dientes rectos o helicoidales 573 6.11.5. Hipoidales 574 6.12. Formación de la película Lubricante 575 6.13. Factores que repercuten en la formación de la película lubricante y la selección del lubricante 576 6.13.2. Velocidad de funcionamiento 582 6.13.3. Potencia transmitida 583 6.13.4. Naturaleza de la carga 584 6.13.5. Relación de reducción 586 6.13.6. Temperatura de operación 587 6.13.7. Método de lubricación 589 6.14. Características del lubricante 590 6.15. Selección de la viscosidad en engranajes descubiertos 591 Ejemplo 6.2 Selección de la viscosidad en engranajes descubiertos 6.16. Calculo de la viscosidad del aceite en reductores 595 595 6.16.1. Engranajes rectos y helicoidales Ejemplo 6.3 596 Cálculo del parámetro L en engranajes rectos 605 Ejemplo 6.4 Cálculo de la viscosidad para engranajes cilíndricos helicoidales 613 6.16.2. Engranajes de tornillo sinfín-corona Ejemplo 6.5 Cálculo de la viscosidad del aceite en engranajes sinfín-corona 6.16.3. Calculo de la temperatura de operación del reductor 615 622 622 Ejemplo 6.6 Cálculo de la viscosidad del aceite en engranajes sinfín-corona con corrección de temperatura 623 Ejemplo 6.7 Cálculo de la viscosidad del aceite en engranajes de dientes rectos 628 6.17. Preguntas y problemas 629 7. FALLAS EN LOS ENGRANAJES 632 7.1. Introducción 632 7.2. Fallas por desgaste 633 7.2.1. Generalidades 633 7.2.2. Pulimentado 638 7.2.3. Desgaste moderado 640 7.2.4. Desgaste excesivo 641 7.2.5. Desgaste abrasivo 643 7.2.6. Desgaste corrosivo 647 7.2.7. Picaduras por desgaste 650 7.2.8. Picaduras destructivas 651 7.2.9. Escarchado 653 7.2.10. Escoriado 655 7.2.11. Rayado y escoriado 655 7.2.12. Escoriado moderado 658 7.2.13. Escoriado destructivo 660 7.2.14. Escoriado localizado 661 7.2.15. Interferencia de punta y de raíz 663 Ejemplo 7.1 7.3. Falla por Desgaste Fallas por fatiga superficial 664 667 7.3.1. Generalidades 667 7.3.2. Picado inicial 673 7.3.3. Picado destructivo 674 7.3.4. Desprendimiento o desconchado 675 7.3.5. Rotura de la superficie templada 678 Ejemplo 7.2 7.4. Falla por Fatiga Superficial Fallas por flujo plástico 681 681 7.4.1. Generalidades 681 7.4.2. Flujo en frío 683 7.4.3. Arrugamiento 685 7.4.4. Acanalado o surcado 686 7.4.5. Rugosidades superficiales 687 Ejemplo 7.3 7.5. Falla por Deformación Plástica Fallas por la rotura de los dientes 688 689 7.5.1. Generalidades 689 7.5.2. Fractura estática 692 7.5.3. Fractura por fatiga 693 7.5.4. Fractura por fatiga de flexión 695 7.5.5. Rotura por sobrecarga 698 7.5.6. Fracturas casuales 701 Ejemplo 7.4 7.6. Falla por Fractura Fallas combinadas 705 706 7.6.1. Generalidades 706 7.6.2. Grietas de temple 707 7.6.3. Grietas de rectificado 708 7.6.4. Fallas en la llanta y el alma 708 7.6.5. Daños por corriente eléctrica 711 7.6.6. Quemaduras 713 7.6.7. Materiales extraños en el lubricante 713 7.6.8. Defectos sin importancia 714 7.6.9. Casos especiales 716 7.6.9.1. Coronas de engranajes sin fin 716 7.6.9.2. Engranajes hipoidales 717 7.7. Conclusiones y recomendaciones del capítulo 719 7.8. Preguntas 722 8. MONTAJE DE ENGRANAJES 725 8.1. Introducción 725 8.1.1. Partes de un Reductor 725 8.1.2. Motorreductores de Velocidad 732 8.2. 734 Instalación del Reductor 8.2.1. Instrucciones del Fabricante 734 8.2.2. Alineación 735 8.2.3. Revisión Final 736 8.2.4. Marcha de Asentamiento 739 8.2.5. Primer Cambio de Aceite 739 Ejemplo 8.1. Instrucciones para la puesta en marcha de un reductor 740 Selección del Lubricante 741 8.3.1. Velocidad de Funcionamiento 741 8.3.2. Carga Transmitida 741 8.3.3. Temperatura de Operación 742 8.3.4. Tipo de Engrane a Lubricar 742 8.4. Mantenimiento 743 8.4.1. Preventivo (MP) 743 8.4.2. Predictivo 745 8.3. 8.5. 8.4.2.1. Análisis de vibraciones 745 8.4.2.2. Análisis de aceites usados 747 Ejemplo 8.2 Contaminación en una Transmisión y Análisis de Aceite 748 8.4.2.3. Análisis de termografías 749 8.4.2.4. Análisis por ultrasonido 751 8.4.2.5. Análisis FMECA (Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis) 752 Lubricación 753 8.5.1. Nivel de Aceite en Una Transmisión 753 8.5.2. Indicadores de Nivel 765 8.5.2.1. Tipos de Indicadores de Nivel 766 8.5.2.2. Influencia del Indicador de Aceite 768 8.5.2.3. Aspectos a Tener en Cuenta en la Lubricación de Reductores 770 8.5.2.4. Requisitos Para Lograr una Correcta Lubricación 771 Ejemplo 8.3. Visores de Nivel Intercambiables en cajas de Engranajes 8.6. Metrología de los Engranajes 773 772 8.6.1. Holguras de Montaje 774 8.6.2. Metrología Para el Montaje de Engranajes 778 8.7. 780 Montaje de Engranajes 8.7.1. Elementos de Montaje de los Engranajes 781 8.7.2. Elementos de Engrane 784 8.7.3. Estructura de Soporte (Carcasa) 786 8.7.4. Elementos de unión 787 8.7.4.1. Ejes de transmisión 787 8.7.4.2. Chumaceras y Cojinetes 788 8.7.4.3. Estructuras de Montaje 790 8.7.4.3.1. Montaje de Doble Soporte 790 8.7.4.3.2. Montaje en Voladizo o Cantílever 791 8.7.4.3.3. Montaje sobre flechas 791 8.7.4.4. Influencia de las cargas en el montaje 792 8.7.5. Montaje de Engranajes Rectos 794 8.7.6. Montaje de Engranajes Helicoidales 797 8.7.7. Montaje de Engranajes sin fin-corona 801 8.7.8. Montaje de Engranajes Cónicos 805 8.7.8.1. Patrones de contacto correctos 808 8.7.8.2. Patrones de contacto altos o bajos 810 8.7.8.3. Patrones de contacto cruzado 816 8.7.8.4. Patrones de contacto de punta o de talón 821 8.7.9. Fallas 825 8.7.10. Conclusiones y Recomendaciones 826 8.8. 827 Preguntas BIBLIOGRAFÍA 829 RESPUESTAS A PROBLEMAS 836 ANEXO 1. FUNCION INV α' 838 ANEXO 2. PROPORCIONES DEL SINFÍN CORONA 843 ANEXO 3. PROPORCIONES ENGRANAJES CONICOS 848
