Investigacion en el metodo cientifico.

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INDICE
1-Introducción………………………………………………2
2.-Anomalía………………………………………………….3
3.-Recolección de datos…………………………..4 - 20
4.-Análisis……………………………………………………21
5.-Hipótesis………………………………………….22 - 23
6.-Predicción de eventos futuros…………….24 - 26
7.-Elaboracion de experimentos……………..27 - 29
8.-Paso 7 (no recuerdo el nombre :c)
9.-Conversión de hipótesis en Teoría…………
10.-Conclusiones…………………………………
11.-Referencias…………………………….

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Introducción
La presente investigación está basada en una problemática análoga a la ingeniería
mecánica y sus designios, los componentes vitales de la investigación en ingeniería
estarán presentes.
En este trabajo se abordaran los aspectos técnicos del sistema de engranaje, en
una caja de cambios a un automóvil, el trabajo y análisis realizado a su
construcción, el trabajo que este tren de engranaje que desempeña en la caja de
cambios de acuerdo a las características del automóvil.
El sistema de engranaje, de esta rama de muestreo, que hace referencia a las
características de auto, son neófitas bajo la investigación documental previamente
realizada, se propondrá un análisis de falla en el tren de engranaje de la caja de
cambios y por consiguiente una propuesta experimental basada en el análisis
geométrico de los engranes y el trabajo que estos desempeñan como un estudio de
análisis de fuerzas aplicado a la dinámica del material contemplado en las
condiciones que presenta el auto.
Identificar el engrane supuesto en la fractura, determina una guía de trabajos
experimentales para el enfoque conciso y directo de la búsqueda a la razón por la
cual el engrane se fracturo.
La suposición teórica del trabajo de engranaje, en una prueba experimental de
manera real, podrá determinar, bajo la observación del trabajo que desempeña el
tren de engranaje, que clase de falla existió y como se originó la fractura a la base
del engrane.
Los conocimientos teóricos del trabajo de los engranes y su función otorga un
parámetro de búsqueda ante la falla del engrane, esta suposición atiende a reducir
de manera constante y simplificar el trabajo con un análisis previo de ¿Que buscar?
y como prepararse para las pruebas experimentales.
Determinar el tiempo que tardo el engrane en fracturarse es una pista clave, como
las condiciones de trabajo del mismo y saber el esfuerzo que realiza el tren de
engranaje con 140 Hp.
Considerar las condiciones del material presenta, aún más reducido el campo de
búsqueda, las condiciones al tomarse en cuenta, ante el tipo de material usado y
más aún si el trabajo realizado por el tren de engranaje está contemplado en las
características del material usado puede determinar el desempeño del tren de
engranes.Cada uno de los pasos propuestos en el presente trabajo compete al
método científico y la metodología de la investigación

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Anomalía
Ha ocurrido un problema en el funcionamiento de un Hyundai ATOS 2005. Ya
que la caja de velocidades no responde adecuadamente a los cambios de
velocidad. Esta falla ha consternado a los ingenieros de la empresa, debido a
que es parte fundamental del automóvil y esto podría generar un accidente.
Para poder conocer el origen de este problema, será necesario recolectar la
información suficiente respecto a los componentes de la caja para así llegar a
conclusiones sólidas, y poder encontrar la casusa de la falla.
Regularizar las condiciones de fallo y solucionar los factores que hacen el
sistema defectuoso para sustentar un desempeño eficiente en el automóvil,
reducir defectos de trabajo y sintetizar los montos de errores previniéndolos en
situaciones futuras

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Recolección de datos
Caja de cambios: En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades
(también llamada simplemente caja) es el elemento encargado de obtener en las
ruedas el par motor suficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado,
y una vez en marcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las resistencias
al avance, fundamentalmente las derivadas del perfil aerodinámico, de rozamiento
con la rodadura y de pendiente en ascenso.
Engrane: Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado para
transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina.
Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se
denomina corona y la menor piñón. Un engranaje sirve para transmitir movimiento
circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más
importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una
fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor
eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De
manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es
conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el
movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido. Si el sistema
está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de
engranajes.
La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la
transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene
exactitud en la relación de transmisión.

5. Página 5
CLASIFICACIÓN DE LOS ENGRANAJES
 Ejes paralelos en un mismo plano.
 Engranajes cónico-rectos, cónico-helicoidales o espirales.
 Ejes que se cortan en un mismo plano.
 Engranajes cónico-rectos, y helicoidales y cónico-espirales.
 Ejes que se cruzan perpendicularmente.
 Engranajes de tornillo-sin-fin, helicoidales, cónico-hipoides
 Ejes que se cruzan a cualquier ángulo.
 Helicoidales.
Todos los tipos de engranajes citados, se resumen en las tres clases o tipos
siguientes:
 Engranajes cilíndricos.
 Engranajes cónicos.
 Tornillo sin fin.

6. Página 6
ENGRANAJES CILINDRICOS:
Se fabrican a partir de un disco cilíndrico cortado de una plancha o de un trozo de
barra maciza redonda Este disco se lleva al proceso de fresado, en donde se retira
material para formar los dientes. La fabricación de estos engranajes es más simple,
por lo tanto reduce sus costos. Los engranajes cilíndricos se aplican en la
transmisión entre ejes paralelos y que se cruzan.
Rectos exteriores o rectos. Es el engranaje más sencillo de fabricar y el más antiguo,
generalmente, para velocidades medias.
A grandes velocidades si no son rectificados, producen ruido más o menos
importante según la velocidad y la corrección de su tallado. Es el engranaje donde
la sección de corte se mantiene constante con respecto al eje axial. En estos
tiempos se utilizan poco, ya que generan mucho ruido. Se encuentran en las
prensas de caña de azúcar, y prensas mecánicas.
Interiores. Pueden ser con dentado recto, helicoidal o doble-helicoidal. Engranajes
de gran aplicación en los llamados “trenes epicicloidales o planetarios”.
Helicoidales: Más silenciosos que los rectos. Se emplean siempre que se trata de
velocidades elevadas. Necesitan cojinetes de em-puje para contrarrestar la presión
axial que originan. Son aquellos en donde se forma un ángulo entre el recorrido del
diente y el eje axial, con el fin de asegurar una entrada progresiva del contacto entre
diente y diente. Estos engranajes se utilizan generalmente en las cajas reductoras,
caja de velocidades de automóviles.
Doble-helicoidales: Para las mismas aplicaciones que los helicoidales, con la
ventaja sobre éstos de no producir empuje axial, debido a la inclinación doble en
sentido contrario de sus dientes. Se les denomina también por el galicismo “á
chevron”, que debe evitarse. Cumplen la función de dos engranajes helicoidales.
Poseen las ventajas de los cilíndricos helicoidales, o sea bajo ruido y alta
resistencia. Al igual que los engranajes helicoidales se utilizan en las cajas de
reducción donde se requiere bajo ruido. Ejemplo: reductores de plantas de
procesamiento de cemento.
Helicoidales para ejes cruzados: Puedentransmitir rota-ciones de ejes a cualquier
ángulo, generalmente a 90°, para los cuales se emplean con ventaja los de tornillo-
sin-fin, ya que los helicoidales tienen una capacidad de resistencia muy limitada y
su aplicaciónse ciñe casi exclusivamente a transmisiones muy ligeras (reguladores,
etc.).

7. Página 7
ENGRANAJES CONICOS:
Se fabrican a partir de un trozo de cono, formando los dientes por fresado de su
superficie exterior. Los dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia
de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan.
Los engranajes cónicos tienen sus dientes cortados sobre la superficie de un tronco
de cono
Cónico-rectos: Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un
mismo plano, generalmente en ángulo recto, por medio de superficies cónicas
dentadas. Los dientes convergen en el punto de intersección de los ejes. Son
utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°. Estos engranajes
generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales. Se utilizan en
transmisiones antiguas en forma de reparación. En la actualidad se usan
escasamente.
Cónico-helicoidales: Engranajes cónicos con dientes no rectos. Al igual que el
anterior se utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90°. La diferencia con el
cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un
funcionamiento relativamente silencioso. Se utilizan en las transmisiones
posteriores de camiones y automóviles de la actualidad.
Cónico-espirales: En los cónico-espirales, la curva del diente en la rueda-plana,
depende del procedimiento o máquina de dentar, apli-cándose en los casos de
velocidades elevadas para evitar el ruido que pro-ducirían los cónico-rectos.
Cónico-hipoides: Para ejes que se cruzan, generalmente en ángulo recto,
empleados principalmente en el puente trasero del auto-móvil y cuya situación de
ejes permite la colocación de cojinetes en ambos lados del piñón. Parecidos a los
cónicos helicoidales, se diferencian en que el piñón de ataque esta descentrado con
respecto al eje de la corona. Esto permite que los engranajes sean más resistentes.
Este efecto ayuda a reducir el ruido del funcionamiento. Se utilizan en máquinas
industriales y embarcaciones, donde es necesario que los ejes no estén al mismo
nivel por cuestiones de espacio.

8. Página 8
TORNILLO SIN FIN
Tornillo sin fin: Generalmente cilíndricos. Pueden considerarse derivados de los
helicoidales para ejes cruzados, siendo el tornillo una rueda helicoidal de un solo
diente (tornillo de un filete) o de varios (dos o más). La rueda puede ser helicoidal
simple o especial para tornillo sin fin, en la que la superficie exterior y la de fondo
del diente son concéntricas con las cilíndricas del tornillo. Generalmente, el ángulo
de ejes es de 90º. Permiten la transmisión de potencia sobre ejes perpendiculares.
Es un caso extremo de engranajes hipoidales, ya que esta descentrado al máximo.
Se aplica para abrir puertas automáticas de casas y edificios Poseen además un
bajo costo y son auto bloqueantes. Es decir que es imposible mover el eje de
entrada a través del eje de salida
El piñón se convierte en tornillo sin fin y la rueda se denomina corona. El número de
dientes del piñón es igual al número de dientes de entradas o hilos del tornillo.
El tornillo sin fin generalmente desempeña el papel de la rueda conducida. Se
distinguen tres tipos:
Tornillo sin fin y corona cilíndricos: la rueda conducida es igual a la de los engranajes
cilíndricos usuales, el contacto es puntual y por lo tanto el desgaste de ambos es
rápido. Se utiliza en la transmisión de pequeños esfuerzos y a velocidades
reducidas.
Tornillo sin fin y corona de dientes cóncavos: El tornillo mantiene su forma cilíndrica,
con sus filetes helicoidales. La rueda está tallada de forma que sus dientes están
curvados, con el centro de curvatura situado sobre el eje del tornillo sin fin. El
contacto entre lso dientes es lineal, lo que hace que se transmita mejor el esfuerzo
y por tanto se produce menos desgaste. Se utiliza en mecanismos de reducción.
Tornillo sin fin y corona globoidal: El tornillos se adapta a la forma de la rueda,
es poco frecuente, debido a su alto coste de fabricación. Se utiliza en las cajas de
dirección de los automóviles.

9. Página 9
PARTES DE LA CAJA DE VELOCIDADES
1.-Piñón: es una de las piezas de ingeniería de mayor uso en mecánica automotriz.
En la caja de velocidades es el encargado, junto con otros, de desmultiplicar la
velocidad del motor para aprovechar plenamente su potencia sin importar si se trata
de carreteras planas o de montaña. Modernamente son de dientes oblicuos o
helicoidales. Tecnicismos
2.-Tren móvil: Es el eje interno de la caja por donde entra el movimiento circular
del motor. En éste hay unos piñones flotantes (uno por cada cambio) con los que,
gracias a la acción de unos sincronizadores de movimiento y otras piezas, se puede
seleccionar una determinada marcha.
3.- Tren fijo: o eje intermediario, es un robusto eje interno de la caja en el que se
han trabajado unos piñones para que, con el trabajo en equipo con el tren móvil, se
transmita el movimiento del motor al diferencial y posteriormente a las ruedas. Los
piñones del tren móvil y fijo permanecen en contacto constante.
4.- Sincronizador: son las piezas que se desplazan por sobre el tren móvil para
enganchar silenciosamente las velocidades. Mediante unos bronces de forma
cónica igualan las velocidades de los trenes para evitar que los dientes se estrellen
y se rompan, y se pueda hacer el cambio suave y silenciosamente.
5.- Bronce: son unas piezas cónicas con dientes en su base cuya función es igualar
las velocidades de los piñones.
6.-Horquillas: se encargan de desplazar al conjunto mecánico de los
sincronizadores para elegir una velocidad determinada.
7.- Varilla selectora: sobre ella se instalan las horquillas que van a desplazar los
sincronizadores. Las varillas se mueven gracias a la acción de la mano del
conductor sobre la barra de cambios.
8.- Piñón loco: también se le conoce por el nombre de piñón de reversa, y tiene la
función de cambiar el sentido de rotación proveniente del tren fijo al tren móvil para
así poner en marcha atrás el automóvil.
9.- Pera de reversa: es un sensor eléctrico que cuando se aplica la marcha atrás,
cierra un contacto para encender las luces de reversa.
10.- Rodamiento: sobre estas piezas se instalan y corren los trenes (fijo y móvil) y
los piñones del tren móvil, entre otras piezas. Su desgaste produce incómodos
ruidos (gemidos).

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11.- Retenedor de bola: es una esfera empujada por un resorte helicoidal que se
encarga de fijar en una determinada posición al sincronizador del cambio.
12.- Retenedor de aceite: es un cuerpo cilíndrico delgado de caucho que evita la
salida del infaltable aceite de lubricación de la caja mediante un labio de caucho
especial que se posa sobre alguna pieza metálica en movimiento, tal como un eje
de tracción.
Las siguientes piezas, aunque no hacen parte de la caja de
velocidades,sí tienen mucho que ver con la correctaoperación de
la misma.
1.- Embrague: es el vínculo mecánico de unión entre el motor y la caja de
velocidades que, cuando se opera mediante la aplicación del pedal, permite el
cambio de las velocidades. Lo integran tres piezas fundamentales: la prensa, el
disco y la balinera.
2.- Volante de inercia: dentro de las muchas funciones que tiene este pesado disco
de acero está la de sostener todo el conjunto del embrague.
3.- Prensa: va unida al volante de inercia por medio de unos tornillos y es la que
permite la desconexión del motor y de la caja, a través de la presión que ejerce la
balinera al pisar el pedal, mediante la liberación del disco.
4.- Disco: se instala en medio de la prensa y el volante, para permitir que, según se
pise o se libere el pedal, se haga del motor y de la caja un conjunto solidario o no.
El disco, que viene recubierto de unos forros de asbesto, resbala unos momentos
entre las piezas anotadas arriba, para procurar una firme suavidad en el cambio
5.- Balinera: unida por una guaya o un sistema hidráulico al pedal, es la que
ejerce presión sobre la prensa para liberar el disco.

11. Página 11
Caja de cambios manual
El cambio que vamos a estudiar ahora es una versión extremadamente ligera,
dotada de dos árboles y 5 velocidades. Los componentes de la carcasa están
fabricados en magnesio. El cambio puede transmitir pares de hasta 200 Nm. Este
cambio se puede emplear en combinación con una gran cantidad de
motorizaciones. Las relaciones de
las marchas, los piñones y la
relación de transmisión del eje han
sido configurados por ello de modo
flexible.
La 1ª y 2ª marchas tienen una doble
sincronización. Todas las demás
marchas adelante tienen
sincronización simple. El dentado
de trabajo de los piñones móviles
(solidarios) y fijos (locos) es de tipo
helicoidal y se hallan
continuamente en ataque
(engranados). Todos los piñones
móviles (locos) están alojados en cojinetes de agujas y están repartidos en los
árboles primario y secundario. Los piñones de 1ª y 2ª marcha se conectan sobre el
árbol secundario; los de 3ª, 4ª y 5ª marchas se conectan sobre el árbol primario.
El piñón de marcha atrás (16) tiene dentado recto. La inversión del sentido de giro
sobre el árbol secundario se realiza con ayuda de un piñón intermediario (15),
alojado con un eje aparte en la carcasa del cambio, que se conecta entre los árboles
primario y secundario. Sobre el secundario se conecta sobre la corona dentada,
tallada en el exterior del sincronizador de 1ª y 2ª.
La transmisión del par de giro hacia el diferencial se realiza a través del piñón de
ataque del árbol secundario contra la corona dentada del grupo diferencial.

12. Página 12
Cambio
manual de 5
marchas
z2 z1 rt
1ª velocidad 38 11 3,455
2ª velocidad 44 21 2,095
3ª velocidad 43 31 1,387
4ª velocidad 40 39 1,026
5ª velocidad 39 48 0,813
Marcha atrás
35
24
24
11
3,182
Grupo
diferencial
66 17 3,882
Velocímetro Electrónico
Carga de
aceite
1,9 litros

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Cambio de
aceite
Carga permanente
z2.- nº de diente piñones del secundario
z1.- nª de diente piñones del primario
rt.- relación de transmisión (z2/z1)
Carcasa
La carcasa del cambio consta de 2
piezas de magnesio (carcasa del cambio
y carcasa de embrague). Con una tapa
específica se cierra la carcasa del
cambio hacia fuera. Los componentes
de la carcasa son de magnesio, para
conseguir un conjunto mas ligero
.
Árbol primario
El árbol primario está diseñado con el conjunto clásico de
cojinetes fijo/móvil.
Está alojado:
 mediante un cojinete de rodillos cilíndricos (móvil) en la
carcasa del embrague,
 mediante un rodamiento radial rígido (fijo) en una unidad
de cojinetes, dentro de la carcasa del cambio.
Para reducir las masas se ha dotado el árbol primario de un taladro que lo atraviesa
casi por completo.

14. Página 14
El dentado para la 1ª, 2ª y
marcha atrás forma parte del
árbol primario. El cojinete de
agujas para la 5ª marcha se
aloja en un casquillo por el
lado del árbol. Los cojinetes
de agujas para los piñones de
3ª y 4ª marchas funcionan
directamente sobre el árbol
primario.
Los sincronizadores de 3ª y 4ª marchas y 5 marcha van engranados mediante un
dentado fino. Se mantienen en posición por medio de seguros.
Árbol secundario
También el árbol secundario está diseñado de
acuerdo a los cojinetes clásicos fijo/móvil.
Igual que el árbol primario, está alojado:
 mediante un cojinete de rodillos cilíndricos
(móvil) en la carcasa del embrague
 por medio de un rodamiento radial rígido de
bolas (fijo), situado conjuntamente con el árbol
primario en la unidad de cojinetes, en la carcasa del cambio.
Para reducir la masa se ha procedido a ahuecar el árbol secundario.
Los piñones de 3ª, 4ª y 5ª velocidad y el sincronizador para 1ª y 2ª velocidad están
engranados por medio de un dentado fino. Se mantienen en posición por medio de
seguros. En el árbol secundario se encuentran los piñones móviles (locos) de 1ª y
2ª velocidad, alojados en cojinetes de agujas.

15. Página 15
Grupo diferencial
El grupo diferencia constituye una unidad compartida con el cambio de marchas. Se
apoya en dos cojinetes de rodillos cónicos, alojados en las carcasas de cambio y
embrague.
Los retenes (de diferente tamaño para los lados izquierdo y derecho) sellan la
carcasa hacia fuera.
La corona está remachada fijamente a la caja de satélites y hermanada con el árbol
secundario (reduce la sonoridad de los engranajes).
La rueda generatriz de impulsos para el velocímetro forma parte integrante de la
caja de satélites.

16. Página 16
Doble sincronización
La 1ª y 2ª velocidad tienen una doble
sincronización. Para estos efectos se emplea un
segundo anillo sincronizador (interior) con un anillo
exterior.
La doble sincronización viene a mejorar el confort de los cambios al reducir de 3ª a
2ª velocidad y de 2ª y a 1ª velocidad.
Debido a que las superficies friccionantes cónicas equivalen casi al doble de lo
habitual, la capacidad de rendimiento de la sincronización aumenta en un 50 %,
aproximadamente, reduciéndose a su vez la fuerza necesaria para realizar el
cambio, aproximadamente a la mitad.

17. Página 17
Flujo de las fuerzas en el
cambio
El par del motor se recibe en
el cambio a través del árbol
primario. Según la marcha
que esté conectada, el par se
transmite a través de la
pareja correspondiente de
piñones hacia el árbol secundario y, desde éste, hacia la corona del grupo
diferencial.
El par y el régimen
actúan sobre las
ruedas motrices
en función de la
marcha
engranada.

18. Página 18
Alojamiento de cojinetes.
Los rodamientos radiales rígidos de bolas no se montan directamente en la carcasa
del cambio, sino que se instalan en un alojamiento por separado para cojinetes.
El paquete completo de los árboles primario y secundario con sus piñones se
preensambla fuera de la carcasa del cambio, en el alojamiento de cojinetes, lo cual
permite incorporarlo fácilmente en la carcasa del cambio.
Los rodamientos radiales rígidos se fijan en la posición prevista por medio de una
arandela de geometría específica, que va soldada al alojamiento de cojinetes.
Los rodamientos radiales rígidos poseen retenes radiales propios por ambos lados,
para mantener alejadas de los cojinetes las partículas de desgaste que acompañan
al aceite del cambio.

19. Página 19
Mando del cambio Los movimientos de cambio se reciben por arriba en la caja. El
eje de selección va guiado en la tapa. Para movimientos de
selección se desplaza en dirección axial. Dos bolas, sometidas a
fuerza de muelle, impiden que el eje de selección pueda ser
extraído involuntariamente de la posición seleccionada.
Las horquillas para 1ª/2ª y 3ª/4ª velocidad se alojan en cojinetes
de bolas de contacto oblicuo. Contribuyen a la suavidad de
mando del cambio. La horquilla de 5ª marcha tiene un cojinete
de deslizamiento. Las horquillas y los patines de cambio van acoplados entre sí de
forma no fija. Al seleccionar una marcha, el eje
de selección desplaza con su dedillo fijo el patín
de cambio, el cual mueve entonces la horquilla.
Los sectores postizos de las horquillas se alojan
en las gargantas de los manguitos de empuje
correspondientes a la pareja de piñones en
cuestión.
Sensores y actuadores
Indicador de la velocidad de marcha La señal de velocidad que se envía al
velocímetro se realiza sin sistemas mecánicos intermedios (como el cable o sirga
utilizada en los cambios antiguos). La información necesaria para la velocidad de
marcha se capta en forma de régimen de revoluciones, directamente en la caja de
satélites, empleando para ello el transmisor electrónico de velocidad de marcha. La
caja de satélites posee marcas de referencia para la exploración: son 7 segmentos
realzados y 7 rebajados.
El transmisor trabaja según el principio de Hall. La señal PWM (modulada en achura
de los impulsos) se transmite al procesador combinado en el cuadro de instrumentos
Conmutador para luces de marcha atrás: El conmutador para las luces de
marcha atrás va enroscado lateralmente en la carcasa del cambio. Al engranar la
marcha atrás, un plano de ataque en el patín de cambio para la marcha atrás
acciona el conmutador con un recorrido específico. El circuito de corriente se
cierra, encendiéndose las luces de marcha atrás.

20. Página 20
Aceros para la fabricación de engranes.
Las ruedas dentadas pueden fabricarse de una gran variedad muy extensa para
obtener las propiedades adecuadas según el uso que se les va a dar. Desde este
punto de vista el diseño mecánico, la resistencia y la durabilidad, es decir resistencia
al desgaste, son las propiedades más importantes.
Los aceros para elementos de herramientas mecánicas y muchos reductores de
velocidad y transmisión de movimiento para trabajo entremedio y pesado, por lo
regular, se fabrican de acero al medio carbono. Entre la amplia gama de aceros al
carbono y aceros que se utilizan se pueden mencionar.
La carburizaciòn produce una dureza superficial de 55ª 64 HRC y dapor resultado
una de las durezas más considerables de uso común para los engranajes.
Mediante la nitración se obtiene una superficie muy dura pero muy delgada. Se
especifica para las aplicaciones en las que las cargas son ligeras y se conocen
bien

21. Página 21
Análisis
Se mostró una sobrecarga producida por una
desalineación de los engranajes. En estos
casos la fractura se origina en un extremo del
diente y ocurre en línea diagonal. La
desalineación es una causa común de dientes
rotos en engranajes rectos, helicoidales, y
conucos. A veces la desalineación se debe a
cojinetes flojos o averiados.
Los cojinetes flojos causaran la deflexión del
eje y finalmente una fractura del diente debido a cargas en sus extremos. En todos
los casos de fracturas se debe hacer un determinado análisis para encontrar las
causas que la originaron y aplicar los correctivos del caso.
Fallas combinadas.
En general las fallas no ocurren separadamente en la forma descrita hasta ahora,
sino que existen otros factores que hacen que se presenten dos o más fallas al
mismo tiempo o que haya una cadena de fallas que conduzcan a la rotura o
movilización del engranaje. En la figura siguiente se puede ver un ejemplo de este
tipo de fallas. Se presenta el desgaste por escoriado, el desconchado, el picado en
la línea primitiva y el flujo plástico en forma de escamas de pescado.
Como conclusión se puede analizar la figura donde se muestra la influencia de
la velocidad y la carga de operación sobre los cuatro tipos de tallas que
gobiernan la capacidad de operación de un tren de engranajes. Desgaste,
escoriado, picado y rotura de los dientes

22. Página 22
Hipótesis
De Acuerdo al Fenómeno observado y en base a la información recolectada esto
conduce a la rotura de una pieza mecánica a causa de solicitaciones repetidas.
Puede comprobarse con facilidad doblando alternativamente un alambre en un
sentido y en otro. En un instante determinado la rotura se produce incluso con
esfuerzos muy pequeños. En la práctica esto que ocurre con los metales es
semejante a lo que sucede con el hombre: la repetición de un esfuerzo incluso
débil produce un estado de fatiga.
El tipo de curvas de Wohler, aun siendo semejantes, varía de unos metales a otros.
Analizando la curva de Wohler para un acero con bajo contenido d
e carbono se deduce que: hasta 2.000-3.000 ciclos la carga de rotura coincide con
la carga de rotura estática; desde 2.000-3.000 hasta 5-6 millones de ciclos la carga
de rotura decrece notablemente al aumentar las repeticiones y se obtiene la zona
llamada resistencia variable; superando el límite crítico de 5-6 millones de ciclos la
carga de rotura permanece invariable.
El efecto del fenómeno de la fatiga sobre la resistencia de los metales es notable;
téngase en cuenta que el 38NiCrMo4, un acero ampliamente empleado en las
construcciones automovilísticas, posee un límite de resistencia a la fatiga de 45
kg/mm2, mientras que la carga de rotura es de 115 kg/mm2.
La rotura por fatiga se inicia con una fractura muy pequeña, generalmente en corres-
podencia con grietas superficiales o con irregularidades de la pieza, y se extiende
progresivamente de ciclo en ciclo al resto de la sección hasta que, al reducirse de
manera notable la sección resistente, se produce la rotura de golpe.

23. Página 23
Junto con el límite de fatiga alternativa, puede calcularse también el límite de fatiga
pulsante (es decir, oscilante desde cero a una carga máxima) en los casos de
flexión, tracción, compresión o torsión.
La resistencia a la fatiga de un órgano mecánico puede aumentarse estudiando
cuidadosamente la forma y eliminando los agujeros, fisuras, grietas, variaciones de
sección bruscas (se recurre a amplios radios de acorde) y esmerando el acabado
superficial de la pieza (considérese, por ejemplo, el pulido de las bielas en los
motores de competición que tiene precisamente el objeto de elevar el límite de
resistencia a la fatiga, eliminando las grietas superficiales, puntos de partida de las
fracturas por fatiga). La corrosión disminuye la resistencia a la fatiga. La aplicación
prolongada de cargas próximas a la de resistencia a la fatiga provoca un
asentamiento del material, con el consiguiente aumento del límite de fatiga; es decir,
se produce una especie de entrenamiento del material. El número de ciclos después
del cual se produce la rotura puede ser aumentado, realizando períodos de reposo
seguidos de períodos de solicitación. También la frecuencia de las solicitaciones
tiene influencia en el límite de resistencia a la fatiga: frecuencias inferiores a 5.000
ciclos/mn no alteran el límite de resistencia a la fatiga; para frecuencias superiores
a dicho valor se produce un calentamiento excesivo, debido a la histéresis del
material, que influye negativamente sobre el límite de resistencia a la fatiga.
En el automóvil existen numerosos órganos que se proyectan teniendo en cuenta el
fenómeno de la fatiga, es decir, de manera que lleguen a la rotura después de la
aplicación de una determinada carga durante un número de veces tal, que no pueda
ser alcanzado en la duración prevista para el órgano en cuestión; por ejemplo,
el cigüeñal, las bielas, los muelles de las válvulas y las suspensiones.
En las construcciones aeronáuticas y en los vehículos de competición se
proyectan los órganos mecánicos en la zona de la resistencia variable para que
puedan representar una apreciable reducción de peso, dado que después de
breve tiempo se hará necesaria la substitución de las diferentes piezas para
evitar la rotura total.

24. Página 24
Predicción de eventos futuros
En la exposición anterior se desarrolló un criterio para la propagación de una grieta
en un material frágil que contiene un defecto; la fractura ocurre cuando el nivel de
tensión aplicada excede un valor crítico σc (Ec.3). Análogamente, puesto que las
tensiones en el entorno del fondo de la grieta quedan definidas en términos del
factor de intensidad de tensiones, debe existir un valor crítico de este parámetro, el
cual puede utilizarse para especificar las condiciones de fractura frágil; este valor
crítico se denomina tenacidad a la fractura, Kc. En general, puede ser expresado
en la forma:
(Ec.7)
Donde Y es un parámetro sin dimensiones que depende de la geometría de la pieza
y de la grieta. Por ejemplo, para placa plana de anchura infinita Y=1,0; ó bien, para
una placa plana de anchura semiinfinita que contiene una grieta en el borde de
longitud a, Y=1,1. Ver siguiente figura:
Fig.5.- Tipos de grietas según al geometría del problema.

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Por definición, la tenacidad a la fractura es una propiedad que es una medida de la
resistencia del material a la fractura frágil cuando una grieta está presente. Debe
notarse que la tenacidad de fractura tiene las unidades inusuales de MPa·m^1/2.
Para probetas relativamente delgadas, el valor Kc dependerá del espesor de las
probetas, B, y disminuirá al aumentar éste, tal como está indicado en la figura de
abajo. Eventualmente, Kc se hace independiente de B, cuando existen condiciones
de deformación plana. El valor de la constante Kc para probetas más gruesas se
denomina tenacidad a la fractura en deformación plana K1c, la cual también se
define mediante:
(Ec. 8)
Fig. 6.- Influencia del espesor de la placa sobre la tenacidad a la fractura.
Esta es la tenacidad a la fractura normalmente citada puesto que su valor es
siempre inferior a Kc. El subíndice 1 de K1c indica que este valor crítico de K es
para el modo I de desplazamiento de la grieta. Los materiales frágiles, para los
cuales no es posible que ocurra apreciable deformación plástica en frente de la
grieta, tienen valores pequeños de K1c y son vulnerables a la rotura catastrófica.
Además, los valores de K1c son relativamente grandes para materiales dúctiles. La
mecánica de la fractura es especialmente útil para predecir la rotura
catastrófica en materiales que tienen ductilidades intermedias. Las
tenacidades a la fractura en deformación plana para diferentes materiales se
presentan en la siguiente tabla:

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Tabla 1.- Datos típicos para materiales normalmente empleados en ingeniería.
El factor de intensidad de tensiones K en las ecuaciones 4, 5 y 6 y la tenacidad a la
fractura en deformación plana K1c están relacionados de una forma similar a como
lo están las tensiones y el límite elástico. Un material puede estar sometido a
muchos valores distintos de tensión; sin embargo, existe un nivel de tensión, es
decir el límite elástico, bajo el cual el material se deforma plásticamente. De la
misma manera, K puede tomar muchos valores, mientras que K1c es único para un
material determinado.
Existen diferentes técnicas de ensayo para medir K1c. Virtualmente cualquier
tamaño y forma de probeta consistente con desplazamiento en modo I puede ser
utilizada, y se pueden obtener valores precisos con tal que el parámetro Y de la
Ecuación 8 haya sido determinado correctamente.
La tenacidad de fractura en deformación plana K1c de un material es una propiedad
fundamental que depende de muchos factores, entre los cuales los más influyentes
son la temperatura, la velocidad de deformación y la microestructura. La magnitud
de K1c disminuye al aumentar la velocidad de deformación y al disminuir la
temperatura. Además, un aumento en el límite elástico mediante disolución sólida,
por dispersión de una segunda fase, o por refuerzo por deformación, produce
también una disminución correspondiente en K1c. Además, K1c normalmente
aumenta con la reducción en el tamaño de grano siempre que las otras variables
micro estructurales se mantengan constantes.

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Elaboración de Experimentos
Los primeros pasos ante la experimentación de esta falla mecánica están
propuestos de acuerdo a principios básicos, aumentando su grado de complejidad
y de tratamiento como de ensayo.
Se debe determinar el engrane que se fracturo y su funcionamiento, planteando lo
siguiente:
1. ¿A qué tren de engranaje le pertenece el engrane fracturado?
2. ¿De cuántos ejes es el sistema de engranaje?
3. ¿De qué tipo de caja de velocidades se trata y de que auto?
4. Rendimiento del sistema de engranajes ante una prueba normal simulada de
trabajo en engranajes.
5. Determinación del diseño del tren de engranaje.
6. Pruebas químicas para determinar el tipo de materia utilizado.
7. ¿Recibió tratamiento térmico el tren de engranajes?
8. Revisión de reportes de manufactura del tren de engranaje
9. Observación del trabajo de los trenes de engranaje y revisar el mecanizado
este correcto en el sistema adjunto de la caja de cambios.
10.Revisión del montaje en operación de los trenes de angranaje.
11.Condición de uso del mecanismo.
12.Ensayo no destructivo del engranaje y el trabajo desempeñado en el sistema
de la caja de cambios.
13.Ensayo de tensión en trabajo, coeficiente de flexión bajo el teorema expuesto
en el marco teórico y observación del impacto (cálculo de la fuerza ejercida
por el tren de engranaje en un análisis geométrico dinámico.
14.Descripción de la ruptura del engrane y características de la fractura de
acuerdo al marco teórico.
15.Examen macroscópico de la superficie de la fractura aunado al paso anterior
son un análisis en desgaste causado por un cálculo de inserción de engranes
cosiste maticos, utilizar el Microscopio Electrónico de Barrido.
16.Examen microscópico de la fractura con cualquiera delos siguientes
microscopios.
 Microscopio óptico.
 Microscopio electrónico de barrido
 Microscopio Electrónico de Trasmisión.

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17.Examen de fractografia, determinar el tipo de fractura encontrada bajo las
careticas de lo observado en los ensayos de microscopia y microscopia, si
es una falla frágil, dúctil, combinada, de torsión o morfológica de fatiga.
18.Análisis de composición mediante diversos métodos, Métodos
espectograficos, de espectro fotometría de absorción atómica, colorimetría y
fluorescencia de rayos X.
De dichos ensayos, se debe determinar bajo los cálculos dinámicos de los
engranes helicoidales si el material usado era el correcto y si la aleación de
carbono con hierro erala proporción correcta para alcanzar la dureza necesaria
en el engrane.
Los ensayos químicos convenciones, como la obtención de porcentaje en
carbono del material darán los resultados para poder determinar si el material
era el correcto y con los cálculos de dinámica determinar el mejor material, en
caso de que el material sea el correcto, determinar la razón por la cual el engrane
sufrió fatiga según se cree en la revisión de la literatura previa.
Las características que posee el tipo de fractura y el tiempo que tardo en suceder
la fractura con un análisis de dinámica.
Las características de la ruptura podrán determinar el tipo de fractura causada y
las razones que las ocasionaron, realizar pruebas de servicio para determinar la
causa de la fatiga.
Considerar las características del material y su coeficiente de fractura, en
relación a una calorimetría realizada en el momento del trabajo realizado por los
engranes en la prueba de servicio.

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Análisis de resultados obtenidos o esperados.
Bajo el análisis de los resultados obtenidos en la revisión de la literatura previa, se
puede determinar que la fractura fue causada por fatiga ya que se presenta la
ruptura del engrane en la base de este, y por lo tanto la revisión de las
características al momento de el examen óptico a nivel micro y macro determinan
el tipo de fractura inclinando por una fractura por fatiga en el engranaje.
Ya que la fatiga es causada por una carga mayor a la soportada en un coeficiente
de fricción y soporte de fuerza dinámica al empuje de los engranes, se puede
determinar también que el material utilizado no es el adecuado y se requiere de
mayor dureza y resistencia.
El análisis geométrico del sistema de engranado helicoidal resume que la flexión
causada por el engrane continuo al fracturado indica que existió una fatiga ya que
solo uno delos engranes se rompió desde su base, si hubiese sido una fractura por
choque y fuerza excesiva del engranaje continuo consecuente al fracturado, no solo
se hubiese presentado la fractura en un engrane, si no en varios ya que al romperse
uno de manera, en la que pareciese que fue arrancado, los demás engranes
seguirían son ello, recibiendo un impacto con mayor aceleración por el
desfasamiento del tren contra el otro.
Un desbaste inmediato se presentaría en el tren fracturado inicialmente desfasando
el sistema. Ya que el tipo de engranaje es helicoidal, las posibilidades de que eso
suceda son pocas por el tipo de corte que tiene.
El contacto del engranaje a una alta velocidad pudo causar la fractura en el engrane
debido a un desfasamiento cuando el tren de engranaje móvil se encontraba suelto
y a punto de hacer trasmisión de fuerza con el tren de engranaje sujeto.
Se debe determinar que engrane fue y que acción realiza, mas sin olvidar aque tren
de engranaje pertenece.
Las pruebas de servicio son primordiales para determinar el tipo de defecto
encontrado en el tren fracturado lo que causo la factura en el engrane propuesto.
Determinar el correcto trabajo del engranaje y fabricar en caso de ser un error de
manufactura, trenes de engranaje con mayor resistencia, asi mejorando los costos
de reposición de las piezas dañas y generando eficiencia en el producto como
calidad de trabajo.