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Mantenimiento

¿Cómo evitar averías del diferencial? Cuadro de fallas.

Introducción
El autor nos hace llegar el presente artículo sobre averías en diferenciales, dada su gran experiencia en equipos de transporte de alto porte, seguro que nos dejará muy buena información para aplicar en nuestras actividades.

Fallas más comunes:
El rodamiento guía de la punta del piñón se desgasta prematuramente, a veces puede ser por la tensión a que es sometido en su trabajo.

Se identifican una primera causa, la carga de los elementos rodantes en la pista de rodadura provoca un descascarillado profundo evidenciando una fatiga en los caminos de rodadura, la pista interior es la más lesionada, esto provoca una perdida de la geometría del eje (grave).

Una segunda causa seria, desgaste por condiciones de servicio, (tracción tenaz en los cambios de fuerza), ósea, alto torque, baja velocidad, escasa ventilación, por lo tanto la temperatura del aceite puede subir a niveles de riesgo (superior a 100 º C), como antecedente le agregamos que en 3º velocidad un motor de 675 NM., de curva plana de torque, entre 1200 a 1600 rpm., esta fuerza original del motor que salió del extremo trasero del cigüeñal, cuando esta pasando por una 3º velocidad de la caja de cambios, puede llegar multiplicarse unas 16,5 veces en la punta del eje palier, por tanto, la tensión que genera al pasar por estos engranajes es enorme, este mecanismo debe su existencia al aceite que lo lubrica y lo enfría.

La limpieza de la carcaza que soporta los engranajes diferenciales, llegado el momento de disipar las altas temperaturas que se generan en una condición severa de operación (montaña o ciudad), es fundamental, ya que si tiene lodos adheridos, estos se transforman en una verdadera chaqueta térmica impidiendo el paso del calor al medio ambiente mas frió (la carcaza del diferencial hace de radiador para enfriar el aceite).

Si el rodamiento se deteriora mucho antes de lo esperado, hay que pensar que pudo haber actuado una carga excesiva provocando una tensión desmedida en el eje pasante.

Caso contrario pudo darse un error en el montaje o de mantenimiento.

Si se comprueba daños por corrosión sería una falla de mantenimiento, una causa podría ser periodo cambio de aceite muy prolongado o fatiga prematura del lubricante por contaminación con agentes externos (agua, polvo, arena), este acumula una alta concentración de partículas duras y ásperas (fierro y cobre), esto hace que la marcha sea irregular y ruidosa, ya que las partículas duras actuando como esmeril provocan desgaste en otros rodamientos y engranajes asociados a la función.

Otra falla de mantenimiento ocurre cuando el sellado es defectuoso frente a la humedad y suciedad del medio ambiente (puede ingresar por el respiradero, por los retenes de los cubos traseros, por las fugas de aceite del diferencial, este puede perder por retenes o empaquetaduras) todas estas fallas en los procedimientos provoca una alta concentración de agua de condensación al interior de la caja.

No olvidemos que a la caja diferencial de modo natural le entra agua y sale como vapor por el respiradero, producto de las altas temperaturas alcanzadas en una condición severa de operación.

El aceite se comporta como una membrana gigantesca, con la alta temperatura se dilata, aumentado su volumen, luego, cuando el aceite se enfría, por las noches, estando detenido el móvil, cuando el conductor esta descansando, este se contrae, ocupa menos espacio dentro de la caja, luego este se va llenando con aire, el aire por supuesto no entra solo, va acompañado de humedad, polvo arena ambiental, partículas duras.

Estos fallos anunciados, ayudan a la perdida de la superficie dura del rodamiento, hace que este tenga una tolerancia que no debiera tener, de no ser corregidos con urgencia, provoca algo mucho mas catastrófico, una desalineación y perdida de paralelismo de los ejes del piñón – corona, por su modo de trabajo se puede llegar a la rotura de dientes o bien en la fractura del ojo guía del porta rodamiento guía del piñón.

También si el eje trasero en su labor no recibe el trato adecuado (sobrecargado por encima de su capacidad o caminos en mal estado), se puede deformar provocando una torcedura y una perdida definitiva de la geometría.

Estos ejes estructurales poseen una cierta elasticidad y se pueden deformar cíclicamente miles y miles de veces con la carga o ante fuertes impactos, pero si son sometidos a sobreesfuerzos mas halla de su resistencia mecánica, esto los puede llevar a un estado de fatiga total, quedando en estado inservible o costos muy elevados de recuperación por la tecnología que implica el centrado y recuperación de túneles donde se alojan los rodamientos (reparaciones que normalmente las fabricas no las recomiendan).

3.- Ante la rotura de dientes arrancados de raíz, se debe evaluar las marcas de trabajo con respecto de su par, si estas huellas están mas acentuadas en la orilla del diente podría haber un desalineación del piñón / corona, grietas o picaduras profundas si están a la vista, podría ser motivo para pensar que una alta presión de aceite de lubricación podría ser la causa de la rotura, ya que esta sobrepasa las 5 mil libras de presión aproximadamente en los momentos de tracción.

Si no se encuentran ninguna de estas evidencias podemos llegar a pensar que reiterados golpes a la tracción provocan torques desmedidos (20 o 30 veces la fuerza del motor) lo cual lo lleva a un estado de fatiga estructural rompiendo la dureza superficial y fracturando el material de resistencia (núcleo).

La estructura de un diente de engranaje es muy duro por el exterior para resistir el esfuerzo de la tracción y el roce que se produce en el deslizamiento al entrar y salir, la superficie exterior es pulida.

Por el interior tiene que ser blando, elástico, para resistir con tenacidad los esfuerzos de la tracción o cuando la maquina esta frenando a través del árbol motor, estos pueden ser aumentados incorporando mecanismos retardadores adicionales al frenado del motor.

Modo de trabajo de los engranajes diferenciales helicoidales (Hipoidales)
Ocurre que un diente esta en contacto total, otro esta entrando, otro esta saliendo, ósea el esfuerzo se distribuye mejor en una mayor superficie de contacto, son prácticamente tres dientes que están empujando y rodando, esta acción genera mucho calor, se acoplan en una combinación de rodamiento y deslizamiento, inicia contacto en el extremo del diente barriendo a todo lo ancho de la cara.

Esto es bastante distinto al contacto entre dientes de engranajes rectos, que ocurre todo de una vez a lo largo de una línea sobre la cara del diente en el instante del contacto.

El resultado de esta diferencia es que los engranajes helicoidales operan con mayor silencio y menor vibración que los rectos, debido al contacto gradual entre dientes, la mayoría de la transmisiones están construidas casi siempre con engranes helicoidales.

Una excepción común es el acoplamiento del engranaje de reversa en las transmisiones estándar, suelen ser de engrane recto para facilitar el acoplamiento y desacoplamiento. En una transmisión de este tipo es notable un quejido de los engranes al moverse marcha atrás con el móvil, el motivo es a causa de una resonancia de los dientes del engrane recto al excitarse por los súbitos impactos por contacto de la línea de diente a diente.

Los acoplamientos de engranes helicoidales de marcha hacia adelante son en esencia silenciosos, también los engranes helicoidales paralelos son capaces de transmitir elevados niveles de potencia y tórque.

Fuerzas actuantes en los engranes helicoidales 
Esquemáticamente existen un conjunto de fuerzas actuando sobre un diente.

Una fuerza radial según el Angulo de flexión, ahora también hay un componente de fuerza que tiende a separar axialmente los engranes, a fin de resistir esta fuerza deberán montarse cojinetes con capacidad de empuje axial (rodillos cónicos).

El hecho que varios dientes compartan al misma carga, sin embargo la distribución efectiva de la carga seguirá quedando limitada por la precisión con que se fabrican los engranajes, en el caso de los conjuntos piñón corona estos se reemplazan como juegos pareados ya que al fabricarlos son sometidos a trabajo y pulido juntos, además de otros procesos de asentamiento para que estos no vibren.

Movimiento relativo de los dientes

El movimiento relativo entre dientes en el punto de paso es rodamiento puro. Habrá deslizamiento combinado con rodamiento en puntos sobre el diente alejados del punto de paso. Los esfuerzos superficiales se ven incrementados por el componente deslizamiento, aumentando la posibilidad de fatiga superficial, en caso de estar debilitada la película de lubricación.

Lubricación de los engranajes

El desempeño del lubricante va a depender de la velocidad, de la carga, de la geometría del engranaje y de la viscosidad. Tres factores se vinculan para que este acometido sea exitoso.
Todos deben lubricarse a fin de evitar fallas prematuras como el desgaste adhesivo o abrasivo.

(A) Es importante controlar la temperatura de la interfaz de acoplamiento para reducir ralladuras y raspaduras en los dientes.

(B) El lubricante también debe eliminar calor, además de separar las superficies de metal, reduciendo fricción y desgaste.

(C) Debe suministrar suficiente lubricante para transferir calor de fricción hacia el entorno y no permitir temperaturas excesivas en el acoplamiento.

Lubricación limite, ocurre cuando el engranaje funciona a baja velocidad, operaciones frecuentes de partidas – paradas, cambios de dirección, se dan condiciones de película de aceite muy delgada, puede ocurrir contacto de metal con metal, si hay presencia de agua en el aceite este degrada el aceite empeorando la situación interior, provocando alto desgaste de metales.

Bajo estas circunstancias la película de aceite puede variar entre 5 a 200 micrones.

Lubricación Hidrodinámica, producto de la velocidad los mecanismos se separan, el aceite fluye veloz, se enfría y la película aumenta, puede llegar a 200 micrones llegando a ser plena.

Lubricación Elasto Hidrodinámica, funciona por contacto al paso, los elementos en contacto se deforman elásticamente para agrandar la superficie de contacto, donde la película de aceite generalmente es menor a un micrón.
Las altas presiones de contacto pueden llegar hasta 500.000 psi. convirtiendo al aceite en un sólido.
Si existe humedad este factor de operación se complica disminuyendo la protección requerida.
Un ejemplo de contacto Elasto Hidrodinámico, lo constituye la forma de trabajo de un neumático radial con respecto de la carga y como se deforma contra la loza.

Figura1: Asiento correcto

Figura1: Asiento incorrecto

Figura1: Asiento incorrecto

Para los engranajes en configuración Hipoidal no es tan claro si ocurre esta forma de contacto en los dientes, pero si se da en los elementos rodantes que sirven de guía a los ejes. La forma de lubricarse de estos engranajes seria Hidrodinámica.
En este proceso de roce se interpone una película limite de aceite, esta recibe toda la energía que se produce por contacto deslizante puro en la raíz y en la punta del diente, la alta presión en la línea de paso debido a contacto puro de rodamiento (contacto combinado de deslizamiento y rodamiento) la alta temperatura alcanzada en este proceso hace que el aceite llegue a niveles extremos de operación, luego debe ser evacuado con rapidez a un ambiente de cárter para transferir su energía calorica al medio ambiente, de paso evacuar vapores por el respiradero de la caja diferencial.

Así este proceso se repite ciento de miles de veces en un periodo de vida útil del aceite, hasta evidenciar signos de fatiga, si no detectamos a tiempo esta falla en progreso, este deterioro gradual de algunos componentes del aceite comienzan a debilitar la lubricación de los rodamiento del diferencial, el mas leve desgaste de la pista de rodadura hace que el eje de ataque comience a perder su geometría, acentuándose cada vez en el resto de las piezas el desgaste prematuro de este costoso componente automotriz.

Factores que apuran el envejecimiento del aceite, ocurre de la siguiente manera:

Fatiga del aceite por la alta temperatura de trabajo.
Fatiga del aceite por aireación.
Fatiga del aceite por ingreso de agua – polvo (sellos, respiradero).
Fatiga del aceite por contacto con excesiva partículas de hierro.
Fatiga por su naturaleza de trabajo mecánico, cambios bruscos de temperatura, batido constante, sometido a esfuerzo de corte.

Finalmente estos mas otros factores que alteran la propiedad original del fluido, lo convierten en algo parecido a “Lodo”, cambia de color, adopta un olor característico que en nada se parece al producto cuando es nuevo.

Este nuevo ambiente de lubricación, marcado por un deterioro progresivo del fluido, desgastan los rodamientos, se desalinean los engranajes, luego pueden llegar incluso a romperse.

“Modo de mantenimiento Preventivo”. 

1.- Mantener limpia la carcaza, especial dedicación a la zona del piñón de ataque
2.- Conducir de modo preventivo, pasar los cambios con suavidad, al reducir con la caja de cambios emparejar las rotaciones con el pedal acelerador de acuerdo a la marcha que se desea acoplar, soltar con mucha suavidad el pedal de embrague para que el acoplamiento se produzca con suavidad y sin tirones (sobre carga dañina para la transmisión), evitar estos bruscos cambios de inercia de la maquina, ya que al estar en movimiento posee una gran energía, varias veces su peso.
3.- Al conducir con caja automática y retardador, evitar usar toda la capacidad de frenado, ya que este convierte la energía cinética en calor, su capacidad de frenado están poderosa que provoca sobrecarga en el eje trasero, podría llegar incluso a dañarlo (les recuerdo que un retardador al freno, puede llegar a triplicar la fuerza del motor).
4.- Cambiar al aceite con la frecuencia establecida, de común acuerdo con el proveedor del lubricante y el respaldo de su laboratorio.
5.- Usar al aceite adecuado según la especificación del fabricante del eje.
6.- Las intervenciones de los cubos de rueda trasero, cuando estos se lubrican con aceite del diferencial, se deben efectuar siguiendo todos los pasos descritos por el manual del fabricante, especial cuidado en el trato de los rodamientos y grasas utilizadas (cuando el rodamiento después de una intervención, se lubrica inicialmente con grasa), lograr lo mas que se pueda, un ambiente de atmósfera controlada, que garantice mínimas condiciones que permitan limitar la contaminación con polvo fino – arena – agua de estos elementos rodantes.

Modo Predictivo de mantenimiento

7.- Muestrear con cierta regularidad el eje trasero, 3 o 4 veces al año como mínimo, observar el grado de limpieza del aceite usado (<600 ppm. fierro, cobre >250, silicio < 65).
8.- Estar atento a los ruidos interiores característicos de estos ejes, comisionar a especialistas para pruebas de todo tipo (ciudad, autopista), auque no exista un síntoma, es conveniente establecer un programa de pruebas cada 2 o 3 meses.
9.- Controlar la temperatura interior del aceite, también la temperatura de la carcaza en la zona del piñón de ataque donde se alojan los rodamientos, con cierta regularidad y dejar anotado estos valores para su posterior comparación.

Les recuerdo que estos complejos mecánicos están diseñados para operaciones prolongadas, si durante su existencia se cumplen rigurosamente estos programas de mantenimiento, tal vez una inspección de rodamientos seria aconsejable cuando los parámetros de desgaste observados en el tiempo así lo aconsejen.

10.- Al conducir en zonas muy húmedas, proteger el respiradero, ojalá con un filtro repelente al agua, la manguera de respiración debe estar lo mas alejada posible del conector que va en la caja diferencial, debe estar enrollada (cola de chancho), así le aumentamos las dificultades al ingreso de agua.
11.- Cambiar el aceite a frecuencias más cortas durante el invierno, ya que este elemento de manera natural condensa agua en su interior.

Resumen de fallas

Hay 2 tipos de fallas en los engranajes, las más comunes:
Ruptura de dientes por esfuerzos de flexión.
Picaduras de dientes debido a esfuerzos superficiales y fatiga del lubricante.

La falla “A” es catastrófica (flexión) ya que por lo general la ruptura de un diente deshabilita la maquina.
La falla “B” por picaduras llega gradualmente y da una advertencia audible (predictiva), de ser posible se pueden revisar los dientes sin desarmar demasiado el equipo. Los engranajes pueden seguir operando durante cierto tiempo después de que se inicie la picadura antes de tener que reemplazarlos totalmente.
Ambos modos de falla son fallas por fatiga debido a esfuerzos repetidos de los dientes individuales conforme entran y salen del acoplamiento.
Una geometría adecuada del diente es vital para la operación y vida de los engranajes dado el perfil de los dientes.
Pruebas extensas de materiales para fabricar engranajes bajo situaciones de carga real, en combinación con años de experiencia acumulada por los fabricantes han resultado en un conjunto de ecuaciones probadas para el calculo tanto de los esfuerzos como de la resistencia a la fatiga por flexión y superficial de los engranajes.
Ósea, no debieran fallar nunca en las manos del primer propietario.

Llegado el momento de una mantención debido a uso prolongado, esta debe ser al menor costo posible, debe involucrar aspectos de los rodamientos, lainas de ajuste, golillas espaciadoras.
Nunca tener que cambiar un engranaje de dimensiones mayores, de lo contrario el negocio puede volverse inviable.

Ejemplo de administración predictiva (va archivo adjunto en Excel), objetivo perseguido, limpiar al aceite en uso a condiciones cada vez más seguras y estables, incrementar la vida útil en kilómetros recorridos.

Ejemplo de contacto correcto entre dientes piñón corona (va como archivo adjunto), objetivo, concentrar el máximo esfuerzo al rodar en el centro del diente, así este no se ve afectado en el fondo y en las puntas al deslizar producto del alto torque del motor multiplicado varías veces al pasar por la caja de cambios. De lo contrario si esta en mala posición el contacto entre dientes, estos finalmente se van a dañar superficialmente en una primera etapa.

Adjunto a modo de ejemplo algunos gráficos de comportamiento histórico de estos mecanismos:

Maquina 32
El 1º grafico deja a la vista un error de mantenimiento al usar un aceite desconocido o bien no se cambio a tiempo, se encontró en estado de fatiga total con su paquete de aditivo muy debilitado, afecto severamente el desgaste de fierro y aumento la ingesta de polvo – arena.
El 2ª grafico de la misma maquina 32, ésta supero el incidente en el tiempo, el periodo cambio de aceite se ha duplicado y este fluido se encuentra en condiciones óptimas de limpieza.

Maquina 23
Si comparamos la tendencia de uso vs. calidad del aceite, los resultados son mucho más categóricos, se duplica el tiempo de uso, el fierro disminuye casi en un 40 %.

Maquina 18
Acá ocurre todo lo contrario, disminuyen las horas de uso del aceite, este se encuentra en periodo de deterioro gradual y aumentando la contaminación del aceite con fierro. Ósea, hay que empezar a programas esta reparación.
Obviamente, esta puede ser una tendencia general dentro de una flota de maquinas operadas en condiciones severas, solo la información predictiva nos puede generar ordenes de trabajo fundadas en evidencia indesmentible.
Si no contamos con esta información, nunca nos daremos cuenta del minuto en que esta comenzando la falla.

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UNIDAD DE CAPACITACIÓN APROBADA N° 23172

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