ESFUERZO DE CONTACTO HERTZ FATIGA SUPERFICIAL

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ESFUERZO DE CONTACTO HERTZ

FATIGA SUPERFICIAL

Todos los modos de falla se aplican a situaciones donde los movimientos relativos entre las superficies son básicamente deslizamiento puro. Cuando dos superficies están en contacto de rodamiento puro, o sobre todo rodamiento combinado con un pequeño porcentaje de deslizamiento, donde ocurre un mecanismo de falla superficial llamado fatiga superficial.

Existen muchas aplicaciones de este caso: cojinetes de bolas y de rodillos, levas con seguidores de rodillos, rodillos de presión y dientes de engranes rectos o helicoidales. Todos, con excepción de los dientes de engranes y los rodillos de presión, tienen por lo común rodamiento puro con tan sólo un 1% aproximadamente de deslizamiento. Los dientes de engranes tienen un deslizamiento significativo en las piezas de contacto del diente, lo cual cambia significativamente el estado de esfuerzos comparado con los casos de rodamiento puro. Otros tipos de engranes como los cónicos en espiral, los hipoidales y los conjuntos de engranes tipo tornillo sinfín tienen básicamente deslizamiento puro en sus puntos de contacto y aplican uno o más de los mecanismos de desgaste. Los rodillos de presión (como los que se usan para rolar hojas de acero) trabajan con deslizamiento o sin éste, dependiendo de su objetivo.

Debido a la elasticidad de los materiales, éstos se deforman bajo la acción de las cargas, produciéndose áreas finitas de contacto. Debido a que estas áreas son muy pequeñas, aparecen grandes esfuerzos. Por lo tanto, a pesar de que los elementos sometidos a esfuerzos de contacto puedan tener suficiente resistencia mecánica de volumen, tienden a fallar en la pequeña zona de contacto, en donde los esfuerzos son mayores.

PRESION DE CONTACTO Y HUELLA DE CONTACTO

Los esfuerzos introducidos en dos materiales en contacto en el punto de contacto del rodamiento dependen bastante de la geometría de las superficies en contacto así como de la carga y de las propiedades del material. El caso general permite cualquier geometría tridimensional de los elementos en contacto y como es de esperarse su cálculo resulta más complejo. Dos casos de geometría especial son de interés práctico y también son un poco más fáciles de analizar. Éstos son esfera sobre esfera y cilindro sobre cilindro. En todos los casos, los radios de curvatura de las superficies en contacto son factores significativos. Variando los radios de curvatura de una de las superficies, estos casos especiales se amplían hasta incluir los sub casos de esfera sobre un plano, esfera en copa, cilindro sobre un plano y cilindro en canal. Sólo es necesario hacer infinitos los radios de curvatura de un elemento para obtener un plano; los radios de curvatura negativos definen una copa cóncava o la superficie cóncava de un contenedor. Por ejemplo, algunos cojinetes de bolas se pueden modelar como una esfera sobre un plano; y algunos cojinetes de rodillos, como cilindros en canal.

Conforme la bola pasa sobre otra superficie, la huella de contacto teórica es un punto con dimensión igual a cero. Un rodillo contra una superficie cilíndrica o plana teóricamente hace contacto a lo largo de una línea de ancho igual a cero. Como el área de cada una de estas geometrías de contacto teórico es cero, cualquier fuerza aplicada creará entonces un esfuerzo infinito. Pero se sabe que esto no puede ser verdad, ya que los materiales fallarían instantáneamente. De hecho, los materiales deben flexionarse para tener suficiente área de contacto para soportar la carga de algún esfuerzo finito. Esta flexión crea una distribución semi-elipsoidal de la presión sobre la huella de contacto. En el caso general, la huella de contacto es elíptica, como se muestra en la figura 1. Las esferas tienen una huella de contacto circular y los cilindros crean una huella de contacto rectangular, como se indica en la figura 2. Considere el caso de una bola esférica que rueda en línea recta sin deslizamiento contra una superficie plana y bajo una carga normal constante. Si la carga esfuerza el material sólo por debajo de su punto de fluencia, la flexión en la huella de contacto es elástica y la superficie regresará a su geometría curva original, después de pasar por el contacto. La misma huella sobre la bola hará contacto nuevamente con la superficie en cada revolución subsiguiente. “Los esfuerzos resultantes en la huella de contacto se llaman esfuerzos de contacto o esfuerzos hertzianos”. Los esfuerzos de contacto en este pequeño volumen de la bola son repetidos de acuerdo con la frecuencia de rotación de la bola. Esto crea un escenario de carga-fatiga que a final de cuentas llevará a la superficie a una falla por fatiga.

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