Fundamentos de Diseño y Fallos en Elementos de Máquinas Industriales

Mecanismos de Falla y Criterios de Diseño en Componentes Industriales

Falla por Fatiga

La falla por fatiga comienza en una grieta, originada por un defecto del proceso de fabricación o por esfuerzos dinámicos de fatiga. Este proceso se desarrolla en tres etapas:

1. Iniciación de la Grieta

   Ocurre en zonas sometidas a concentradores de tensiones, que bajo cargas alternantes pueden producir fluencia localizada. A medida que las cargas siguen alternándose, aparecen grietas microscópicas, incluso cuando la tensión no está por debajo del límite elástico.

2. Crecimiento de Grietas

   Una vez producida la grieta, se hacen operativos los mecanismos de la mecánica de fracturas. Esta teoría es especialmente adecuada para el cálculo de la vida útil de las piezas, una vez que la grieta ha sido descubierta mediante inspección periódica.

3. Fractura o Falla Final

   Debido a las tensiones alternantes, la grieta sigue creciendo hasta elevar el factor de intensidad de tensiones (K) al nivel de la tenacidad de la fractura ($K_c$). En ese momento, la pieza fallará catastróficamente.

Falla Estática

Los elementos fallan porque las tensiones producidas por las cargas o esfuerzos superan los valores de resistencia de los materiales. La falla estática depende de tres factores principales: las cargas aplicadas, el material y el proceso de fabricación.

Falla en Materiales Dúctiles

Los elementos fabricados con materiales dúctiles se fracturan una vez alcanzada su resistencia última ($S_{ut}$). No obstante, para piezas de maquinaria, se considera que la falla se produce cuando se alcanza su límite elástico ($S_y$). Se utilizan dos teorías principales para predecir la falla:

• Teoría de la Energía de Distorsión (Von Mises): También conocida como teoría de la fluencia de distorsión.
• Teoría de la Tensión Cortante Máxima (Tresca).

Falla en Materiales Frágiles

Muchos materiales utilizados en ingeniería con comportamiento frágil se caracterizan por presentar alargamientos pequeños (ALS%). Su falla se produce por la rotura, ya que apenas tienen periodo plástico. Además, suelen tener una resistencia al cortante mayor que a la tracción. Se distinguen dos tipos:

• Frágiles Uniformes: Resistencia a compresión es igual a la resistencia a tracción.
• Frágiles No Uniformes: Resistencia a tracción es menor que la resistencia a compresión.

Fases del Diseño Mecánico

El proceso de diseño mecánico sigue una secuencia lógica de etapas:

1. Necesidad
2. Antecedentes
3. Objetivo
4. Tarea
5. Síntesis
6. Análisis
7. Solución
8. Diseño Detallado
9. Pruebas y Prototipo
10. Producción

Diseño de Componentes Rotatorios: Árboles y Ejes

Distinción Conceptual

• Árbol (Eje de Transmisión): Es un componente rotatorio que soporta componentes giratorios y transmite momentos torsores (par).
• Eje: No transmite momentos torsores; su función principal es soportar elementos.

Consideraciones Clave del Diseño

1. Deformación (Rigidez)

Para engranajes, es necesario limitar las deflexiones debidas a la carga para evitar posibles vibraciones. La rigidez es crucial.

• Deflexiones: Para árboles, la deflexión debe ser inferior a 1 mm/m. Para engranajes, se busca una separación menor de 0.1 mm y una pendiente menor de 0.03.
• Rigidez Torsional: Es necesaria para transmitir una potencia uniforme. En máquinas-herramienta, se requieren árboles muy rígidos, limitando la torsión a 0.25º/m. En árboles de levas de motores, la torsión debe ser menor de 0.5º en toda su longitud.

2. Resistencia (Falla)

El fallo más común es la fatiga, típicamente originada en un concentrador de tensiones ($K_t$).

• Los elementos deben posicionarse axialmente con precisión.
• Otros daños pueden ser producidos por el mecanizado o el proceso de fabricación.
• El montaje también puede producir fallos.
• La calidad del material es fundamental.
• Temperaturas bajas pueden provocar fractura frágil.
• Sobrecargas o agarrotamientos de otros componentes pueden causar deformación dúctil excesiva o incluso la fractura.
• Temperaturas elevadas afectan las propiedades del material.

Determinación del Momento Flector ($M_f$)

Un árbol con dos rodamientos es isoestático (F=0; M=0). Con más de dos rodamientos, es hiperestático y es necesario utilizar características geométricas y elásticas para el cálculo. Las fuerzas se consideran como concentradas, aunque realmente son distribuidas.

Engranajes: Transmisión de Potencia

Los engranajes son elementos de transmisión con un amplio campo de utilización debido al rango de potencias, velocidades y relaciones de transmisión que admiten. Ofrecen una rigidez elevada, una relación de velocidades constante e independiente de la carga, y un rendimiento y fiabilidad elevados.

Causas de Fallos en Engranajes

Las estadísticas de fallos indican:

• 74.7%: Problemas de servicio y montaje.
• 16.2%: Tratamiento térmico.
• 6.9%: Diseño.
• 1.4%: Mecanizado.
• 0.8%: Material.

Tipos de Deterioro

Los fallos se clasifican en dos categorías principales:

1. Fatiga

   Debida a tensiones fluctuantes, básicamente por flexión, que producen la fractura del diente. El fallo por flexión es catastrófico.

2. Fallos Superficiales

   Incluyen desgastes y agarrotamiento (gripado) por lubricación defectuosa, picado y exfoliación por tensiones de contacto. El fallo por desgaste es progresivo.

Proceso de Diseño de Engranajes

El diseño de engranajes generalmente incluye los siguientes pasos:

1. Selección del módulo.
2. Selección del material.
3. Dimensionado de la anchura necesaria.
4. Selección de un sistema de lubricación adecuado.