Uma revisão abrangente dos modos de falha das engrenagens (28 tipos em 6 categorias)
As engrenagens são componentes fundamentais de transmissão em sistemas mecânicos, amplamente aplicados nas indústrias aeroespacial, automotiva, eólica e de máquinas pesadas.redução da eficiênciaEste trabalho resume sistematicamente 28 modos de falha das engrenagens, divididos em 6 grandes categorias, incluindo os seus mecanismos de formação, características típicas,e medidas preventivas, que é um conhecimento essencial da indústria para o design mecânico, análise de falhas e pessoal de manutenção.
I. Cansaço por dobra
A fadiga de dobra ocorre quando a tensão de dobra repetida sobre os dentes dos engrenagens excede a resistência à fadiga do material, com a tensão máxima concentrada no filete de raízes dos dentes,Iniciar e propagar rachadurasOs principais factores de influência são o número de ciclos e o nível de carga.O controlo razoável da carga e a otimização estrutural são o núcleo da prevenção.
1.1 Fadiga de curvatura de ciclo baixo
Ocorre quando a carga cíclica é inferior a 10.000 ciclos.enquanto os materiais duros e frágeis apresentam características de fratura suaves e elegantes.
1.2 Fadiga por dobra de ciclo elevado
Acontece quando a carga cíclica excede 10.000 ciclos, com o material em um estado de baixa tensão e geralmente dentro da faixa de deformação elástica.
Medidas de prevenção
Selecionar materiais com maior resistência à fadiga e otimizar o projeto de engrenagens para corresponder ao limite de carga e fadiga.
Adotar processos de esfregação (introduzir tensão de compressão no filete da raiz do dente) ou de polimento (reduzir a rugosidade da superfície).
Implementar um tratamento térmico racional para minimizar a tensão residual nos dentes das engrenagens.
II. fadiga hertziana
A falha de fadiga Hertziana é causada por rachaduras iniciadas por forças Hertzianas repetidas na superfície ou no subsuperfício, levando a perda de material com a propagação de rachaduras.A escolha razoável do material e a lubrificação são os principais meios de mitigar tal falha, que é uma forma comum de fadiga de superfície de engrenagens sob carga de contacto.
2.1 Macropitting
As rachaduras se formam na superfície ou em uma certa profundidade subterrânea e se propagam a uma curta distância quase paralela à superfície, formando crateras com características afiadas e angulares.É classificado como não-progressivo (diâmetro < 1 mm), progressiva (diâmetro > 1 mm) e escamosa.e as rachaduras de fadiga expandem-se a partir da área de iniciação em forma de ventoinha da superfície do dente para formar buracos triangulares.
2.2 Micro-ajuste
Aparece em áreas com manchas opacas, semelhantes a manchas cinzentas e sinais de desgaste na superfície, o que é comum em engrenagens endurecidas de superfície e também pode ocorrer em engrenagens totalmente endurecidas com design inadequado.
2.3 Fadiga do subsolo
As rachaduras começam na zona de transição entre o núcleo do dente e a camada endurecida sob a superfície do dente, causadas principalmente por processos de endurecimento da superfície (carburizante, nitruração, endurecimento por indução),resistência à chama).
2.4 Espalhamento
Uma forma grave de fadiga superficial, caracterizada por buracos superficiais de grande área na superfície do dente formados pela expansão e fusão de vários buracos pequenos.Aumenta significativamente o ruído e a vibração das engrenagens, induzido por uma elevada tensão de contacto e por defeitos de material.
Medidas de prevenção
Reduzir o estresse de contato, usar aço limpo e adicionar processos de moagem ou afinação na fabricação da superfície do dente.
Adotar lubrificantes de alta viscosidade; evitar o espetáculo nos flancos dos dentes para prevenir o micropitting.
Escolha aço endurecedor, evite superaquecimento e controle de tensão abaixo da resistência subterrânea para a fadiga subterrânea.
Assegure o alinhamento correto das engrenagens e utilize materiais de alta qualidade para evitar a ruptura.
III. Desgaste
O desgaste refere-se à degradação da superfície dos dentes das engrenagens causada pela remoção ou deslocamento do material sob tensões eléctricas, mecânicas e químicas ao longo do tempo, levando a ruídos anormais,mau desempenho da NVH e até mesmo falha potencialÉ dividido em graus leves, moderados e graves, entre os quais o desgaste leve é normal em muitas aplicações.
3.1 Desgaste de adesivos
Transferências de material de uma superfície dentária para outra devido a micro-solduras e rasgões, limitadas à camada de óxido e ao filme da superfície dentária.Adesão leve pode desaparecer por si só à medida que a superfície se suaviza, enquanto a adesão moderada apaga parte ou a totalidade das marcas de usinagem originais.
3.2 Desgaste abrasivo
Causadas por partículas duras (contaminantes externos, como poeira no lubrificante ou detritos metálicos duros auto-gerados de outras falhas),ocorrendo principalmente na ponta ou raiz do dente devido à alta velocidade de deslizamento localO desgaste grave leva ao desaparecimento completo das marcas de usinagem e à redução acentuada da espessura dos dentes.
3.3 Desgaste de polimento
Um leve desgaste abrasivo que torna a superfície do dente gradualmente lisa devido à contaminação por lubrificantes quimicamente ativos com aditivos anti-esfregamento de alta eficiência,É mais provável que ocorra quando superfícies duras e moles entram em contacto.
3.4 Desgaste corrosivo
Uma degradação grave da superfície causada pela ação combinada do desgaste mecânico e da erosão química, com a superfície do dente apresentando manchas, ferrugem e aparência castanha-avermelhada,e toda a superfície do dente pode ser afectada.
3.5 Corrosão por tensão
Ocorre quando as superfícies de contato suportam um movimento relativo recíproco de pequena amplitude sob pressão, com o lubrificante espremido, levando ao contato e adesão de metal a metal.Os picos ásperos fracturados geram pó de óxido de ferro semelhante ao pó de cacau, o que dificulta a reposição do lubrificante e agrava o desgaste.
3.6 Esfregão
Desgaste grave do adesivo, em que os detritos metálicos de uma superfície dentária se transferem para outra e se soldam/rasgam na superfície.distribuídas em faixas finas/amplas ao longo da direcção do deslizamentoO desgaste grave leva à distorção plástica do material da superfície.
3.7 Desgaste em máquinas de descarga elétrica (EDM)
A elevada temperatura causada pela quebra da película de óleo entre os dentes das engrenagens por centelhas eléctricas leva a uma fusão local da superfície dos dentes,formando poços hemisféricos lisos e redondos rodeados por aço ablado/derretido, induzido por eletricidade estática, corrente do eixo ou péssima ligação à terra.
Medidas de prevenção
Aumentar a espessura da película de lubrificante (superfície lisa, alta velocidade, lubrificante de baixa temperatura) para o desgaste adesivo; instalar filtros de óleo de alta eficiência para remover partículas duras para o desgaste abrasivo.
Usar aditivos anti-esfregamento à base de borato e remover partículas abrasivas do lubrificante para polir o desgaste.
Selecionar materiais resistentes à corrosão (por exemplo, aço inoxidável), reduzir a umidade ambiental e utilizar lubrificantes de alta qualidade para o desgaste corrosivo.
Adotar materiais com propriedades eletroquímicas semelhantes, aplicar revestimentos e adicionar inibidores de corrosão para corrosão de fretamento.
Otimizar os parâmetros geométricos da engrenagem, usar aço nitrado e lubrificantes anti-esfregamento de alta viscosidade para esfregamento.
Projetar sistemas de aterragem racionais, utilizar rolamentos isolados e realizar manutenção regular para o desgaste do EDM.
IV. Cracking
O craqueamento refere-se à formação de várias rachaduras nas engrenagens durante o fabrico, tratamento térmico ou operação, que é uma forma perigosa de falha que pode levar a uma ruptura súbita das engrenagens,ligados principalmente a defeitos de processo, concentração de tensão e defeitos dos materiais.
4.1 Fissuras de apagamento
Causados por processos de tratamento térmico (carburantes, nitridantes, endurecimentos por indução) devido a tensões térmicas, defeitos de materiais ou arrefecimento inadequado,caracterizado por rachaduras lineares intergranulares que se expandem da superfície até ao centro do dente.
4.2 Fissuras de moagem
As rachaduras na superfície ou no subsolo geradas durante o afiar dos dentes, induzidas pela produção excessiva de calor e por um arrefecimento insuficiente,levando a tensões de tração residuais e até mesmo queimaduras de moagem (enfraquecimento ou endurecimento das áreas locais)As zonas sobreaquecidas podem ser identificadas por gravação ácida, com zonas de temperamento castanho/preto e manchas brancas de martensita não temperada.
4.3 Fissuras na borda e na teia
As rachaduras da borda geralmente são fracturas entre dentes adjacentes, expandindo-se radialmente através da borda e da teia; as rachaduras da teia são causadas por alto estresse cíclico ou concentração de estresse (por exemplo, furos),e ressonância de espaços em branco de engrenagem vai agravar tais rachadurasA força centrífuga elevada pode levar a uma falha catastrófica a alta velocidade.
4.4 Separação da superfície/núcleo dos dentes
A superfície do dente endurecido separa-se do núcleo do dente macio devido a rachaduras internas na interface, levando à fratura dos cantos do dente, bordas ou toda a ponta do dente.Podem aparecer rachaduras imediatamente após o tratamento térmico, durante o transporte/armazenamento ou em serviço.
Medidas de prevenção
Garantir uma estrutura em branco de engrenagem simétrica, espessura de parede uniforme, otimizar o processo de tratamento térmico e temperar imediatamente após o apagamento para apagar rachaduras.
Escolher as molas adequadas, controlar a velocidade de alimentação e o fornecimento de líquido de arrefecimento, limitar a dureza da superfície a menos de 60 HRC e o teor de austenita retido a menos de 20% para as rachaduras de moagem;utilizar a inspecção de partículas magnéticas para detecção de rachaduras.
Projetar uma espessura de borda duas vezes superior à profundidade do dente, reduzir a concentração de tensão e evitar ressonância para borda e rachaduras da teia; realizar inspeções de partículas magnéticas regularmente.
Controle a profundidade da carburadora na ponta do dente, selecione aço limpo com alta resistência à fratura,evitar o esfregão da superfície do dente e o temperamento imediatamente após a amortecimento para a separação da superfície/núcleo do dente; utilizar ensaios ultrasónicos para a identificação de defeitos.
V. Deformação plástica
A deformação plástica refere-se à alteração permanente do perfil dos dentes das engrenagens, levando a vibrações elevadas, ruído anormal e mau desempenho da malha, causada principalmente por um esforço de contacto excessivo,temperatura elevada e má lubrificação, com o material sofrendo uma mudança de forma irreversível.
5.1 Fluxo de frio
Ocorre abaixo da temperatura de recristalização, com o material empurrado/arrastado na direção de deslizamento sob alta pressão de contato, levando a um afundamento da superfície e a um grande arredondamento das pontas dos dentes;trabalho a frio endurecimento de materiais de superfície e subterrâneos ocorre sob alta carga.
5.2 Fluxo de calor
Ocorre acima da temperatura de recristalização, com fluxo plástico do material da engrenagem sob a ação combinada de alta temperatura e tensão, levando à distorção do tamanho e da forma da engrenagem,causada principalmente por sobrecarga ou lubrificação insuficiente (acumulação de calor por fricção).
5.3 Indentados
Os corpos estranhos duros (metal ou detritos) nas superfícies de malhagem dos dentes formam depressões ou aberturas na superfície do dente condutor, levando a um aumento do esforço, redução da eficiência e vibração anormal.
5.4 Deformação do rolamento
A elevada tensão de contacto causada pelo movimento combinado de rolagem e deslizamento durante a malhagem das engrenagens conduz a deformações plásticas,que podem induzir rachaduras na superfície e deslocamento do material com propagação de rachaduras.
5.5 Ondulação
Deformação de onda periódica da superfície do dente condutor com crestas de onda perpendiculares à direção de deslizamento e aparência de escamas de peixe ao longo do comprimento do dente,ocorrendo principalmente a baixas velocidades devido a uma película oleosa elastohidrodinâmica insuficiente, relacionado com o fluxo de plástico sob alta tensão de contacto e lubrificação de limite.
5.6 Reboque
Formado por desgaste da superfície/subsuperfície e fluxo de plástico, induzido por má lubrificação, contaminação por lubrificantes, desalinhamento e sobrecarga, levando a um aumento do ruído,redução da eficiência e até mesmo danos graves.
5.7 Rendimento do filete de raiz dentária
Dobragem permanente dos dentes dos engrenagens quando a tensão de dobragem no filete da raiz do dente excede a resistência ao rendimento do material,levando a um erro de inclinação significativo e a interferências destrutivas entre os dentes de malha, e aumento do ruído e vibração.
5.8 Interferências de ponta da raiz
A deformação, a adesão e a abrasão plásticas ocorrem na ponta dentária de uma engrenagem e na raiz dentária da engrenagem de acoplamento, causadas por uma modificação insuficiente da ponta/raiz,Erro geométrico/erro de inclinação ou distância do centro inadequadaA sobrecarga agravará o defeito, reduzindo o espaço livre da malha, e a área danificada pode induzir fadiga hertziana.
Medidas de prevenção
Reduzir a tensão de contato, melhorar a dureza da superfície/subsuperfície e aumentar a precisão do passo para o fluxo frio; selecionar materiais resistentes a altas temperaturas e garantir lubrificação suficiente para o fluxo quente.
Usar lubrificante limpo de alta qualidade, instalar filtros eficientes e caixas de engrenagem de vedação razoavelmente para indentamento; adotar lubrificação racional,Seleção de materiais e tratamento de superfícies para deformação da laminação.
Assegurar a lubrificação adequada, o alinhamento correto e o endurecimento da superfície dos materiais macios para a ondulação; garantir lubrificação suficiente, otimizar o projeto do engrenagem e o alinhamento correto regularmente para o afundamento.
Escolher materiais com maior resistência ao rendimento, aumentar o raio do filete de raiz dos dentes e adoptar o endurecimento da superfície (carburar/nitridar) para o rendimento do filete de raiz dos dentes; evitar a sobrecarga.
Aumentar o ângulo de pressão, realizar corte de raiz, adicionar o número de dentes ou aumentar a distância do centro para interferência ponta-raiz; otimizar parâmetros geométricos da engrenagem e controlar a precisão de usinagem.
VI. Fractura
A fratura é a forma de falha final das engrenagens, com a estrutura dentária completamente danificada e a perda da função de transmissão, dividida principalmente em fraturas frágeis,fractura dúctil e fractura por impacto, diferentes nas características das fraturas e nos factores de indução.
6.1 Fracturas frágeis
Caracterizada por uma rápida propagação de rachaduras sem deformações plásticas óbvias, com uma superfície de fratura macroscópica brilhante e granular, plana e perpendicular ao eixo de tensão.É geralmente causada por alta carga de impacto ou concentração de tensão, e ocorre a um nível de esforço inferior à fratura dúctil.
6.2 Fratura do dúctil
A deformação plástica significativa ocorre antes da fratura do material, com um obvio enrolamento ou alongamento, e a superfície da fratura apresenta forma de cone de taça, aparência fibrosa e cinzenta.Um lábio de cisalhamento pode formar-se no lado não funcional dos dentes das engrenagens, e o material absorve uma grande quantidade de energia durante a fratura.
6.3 Fractura por impacto
Causado por carga ou impacto repentinos de alto esforço (supercarga ou acidentes), levando a uma fractura súbita dos dentes das engrenagens sem precursor óbvio.A superfície da fratura é plana e perpendicular à direção principal da tensão de tração, semelhante a uma fratura frágil, induzida por carga excessiva, impacto acidental e defeitos internos do material.
Medidas de prevenção
Implementar um tratamento térmico adequado para melhorar a resistência do material e selecionar materiais com alta resistência à fratura e ductilidade para fraturas frágeis.
Utilize materiais de alta resistência com defeitos mínimos para fratura dúctil.
Escolher materiais de alta qualidade, realizar ensaios regulares não destrutivos e evitar sobrecargas/impactos acidentais para fracturas de impacto.
Resumo essencial
A falha de engrenagem é um resultado abrangente das condições de material, projeto, processo e funcionamento..Os princípios essenciais de prevenção incluem: selecção racional de materiais e tratamento de superfície, conceção estrutural otimizada para reduzir a concentração de tensão,Controlo rigoroso dos processos de fabrico/tratamento térmico, lubrificação e manutenção adequadas e conformidade com as condições de funcionamento nominal.Devem ser adotadas medidas de detecção e prevenção específicas para melhorar a fiabilidade e a vida útil dos sistemas de engrenagens..