Specific Principles of Tribodesign

Two principles, specific to the Tribodesign, are to prevent contact between moving surfaces and to consider the lubricant film as one more element of the machine and, accordingly, to consider that lubricants are engineering materials.

In its most general form, the principle of preventing contact between moving surfaces is not to avoid contact, but to take into account its consequences, such as risk of overstressing the surface of the moving body material, that is, mechanical wear. This principle, very important in the Tribodesign, can be executed in different ways. When this is combined with other principles, such as optimally grouping functions, it leads to the conclusion of the need for a protective layer. Such a layer, which covers the sliding surface, is frequently used as a wear substrate. The protective action can be, for example, to decrease the contact pressure by using a relatively low layer and with a low coefficient of friction, of a soft solid, thus reducing the risk of over-concentration of stresses in the sliding surface layer. This is a principle related to the novel science of Surface Engineering (Martínez, 2012MARTÍNEZ, P.F.: “Análisis de la relación entre las propiedades de la superficie y el volumen del cuerpo desde la Ingeniería de Superficies”, Revista Cubana de Ingeniería, 3(2): 51-57, 2012, ISSN: 2223-1781.).

The protective layer has various forms and is one of the most important aspects in terms of the principle of attenuating the contact between the sliding surfaces. At the same time, the principle of grouping the functions must be employed, since the substrate of the sliding surface has its own functions. Protection is assigned to the layer and the structural strength depends on the substrate material. In fact, the substrate serves in most cases as the softest material in the layer, thus allowing the transmission of external load. As the protective layer is an element interposed to the flow of forces, it must be designed so as not to fail in transmitting the load to the substrate (Martínez, 2016MARTÍNEZ, P.F.: “Procedimiento para la adecuada selección de aceros y de su tecnología de tratamiento térmico”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(2): 58-64, 2016, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.). From this point of view, a distinction must be made between protective layers made of a solid material (by heat, thermochemical, deposition treatments) and those consisting of fluids, which can either be a liquid or a gaseous lubricant.

Solid protective layers must be conceived first. On particularly shaped solid surfaces, it is often preferred to use protective layers weaker than the substrate material and the other surface of the pair. Such a protective layer can be used without great risks of structural failure of the relatively softer material. In the case of shaped surfaces, this can be explained by a slight penetration of the roughness of the harder material of the pair into the protective layer. In fact, the depth of penetration is comparable to the size of micro contacts formed by surface roughness. This is characteristic in contact surfaces of shaped surfaces. Unless the protective layer is extremely soft and thick, the areas of contact, and the depth of penetration, will never be greater than those of the two surfaces of the moving contact pair.

Other factors to consider are the strengthening and rigidity effects that the substrate material exerts on the protective layer. In a thin protective layer, the support exerted by the resistant substrate, particularly when the bond between layer and substrate is strong, will give the layer great resistance. The thinner the layer, the greater the stiffening effect of the substrate. However, this stiffness will cause a decrease in the bond between the protective layer and the substrate. For the effect of strengthening of the substrate to the protective layer to be effective, its thickness must not exceed the depth of penetration. Furthermore, the thickness of the layer must be greater than the penetration depth to withstand misalignment or deformation of at least one of the two bodies in contact, as well as to assimilate the effects of hard particles that have been trapped between the two surfaces in contact.

The situation of solid protective layers in non-conformed layers, such as gears, is slightly different, since the depth of penetration is much greater, not preventing the flow of the penetration of forces. The reason for this lies in the fact that the Hertzian contact area is much larger than the small contact areas between the asperities of the two non-shaped surface bodies. Therefore, the volumetric strength of the protective layer should be equal to or greater than that of the substrate. Both of these effects can be achieved when the protective layer of the gear is achieved through surface treatments such as cementing. Sometimes it is thought that protective soft coatings achieved on non-shaped surfaces, such as copper deposition on gears, are sometimes thought to be effective; but this is only true for the settling process and not for durability.

Liquids and gases form protective layers that are synonymous with total fluid layers. From the point of view of the Tribodesign and the design of machine elements, these layers show several interesting aspects since they constitute the most complete embodiment of protective layers. In any total fluid layer, the pressures must be formed hydrodynamically, in such a way as to balance the load transmitted through the fluid film from the boundary of the surface of one body to the other (Jost, 1990JOST, H.P.: Tribology. Origin and Future, Ed. Wear, vol. 136, vols. 1, Cambridge, United Kingdom, 1-17 p., 1990.). These two surfaces must be kept separate in such a way that contact between the two bodies is totally avoided. This will only be possible to fully achieve on shaped surfaces. This will always be better achieved with full flowing coats than with any other solid coat. Even on non-shaped surfaces where the extremely thin fluid layer has an elastohydrodynamic character, avoiding contact pressures should be avoided.

Tribological Problems in the Design of Machine Elements

Some of the tribological problems found in the most common machine elements are the following:

Sleeve Bearings

When a sleeve bearing operates under hydrodynamic lubrication conditions, a hydrodynamic lubricant layer develops. Under these conditions the shaped surfaces are completely separated and a copious flow of lubricant prevents overheating. Under these conditions, of total separation of the surfaces, mechanical wear does not occur. However, this ideal situation is not always guaranteed (Kragelski, 1965KRAGELSKI, I.V.: Friction and Wear, Washington, D.C.; London: Butterworths, 1965.).

Sometimes, misalignment, poor assembly or transient problems like elastic or thermal distortion, can be the cause of metal-metal contact. Contact can arise at startup (before the lubricant layer has had a chance to fully form), the bearing can become overloaded from time to time and the penetration of wear particles from elsewhere occur, carried by the lubricant, without having been filtered.

In particular cases, such as internal combustion engines, the formation of acids or other corrosive substances can occur during combustion, especially when it is incomplete, which are transmitted to the lubricant, causing chemical wear. The variations of hydrodynamic pressures in the shaft can cause detachment of particles; which constitutes the fundamental cause of the appearance of foreign particles in the lubricant (Bowden & Tabor, 1954BOWDEN, F.P.; TABOR, D.: The Friction and Lubrication of Solid, Ed. Oxford Univ. Press, Oxford, England, 233-250 p., 1954.). These particles can be trapped between the bearing support and the latter or be embedded in the softer material, leading to an abrasive wear process (scratching) in the hard material of the shaft. Chrome plating processes on crankshaft bearings are sometimes successful in combating abrasive or chemical wear.

Bearings

Bearings are the highest class of machine elements with Hertzian contact characteristics and the characteristics of this type of interaction. From a practical point of view, they can be divided into two classes: ball bearings and roller bearings, although the nature of contact and the laws governing friction and wear is common to both.

Any type of bearing is characterized by two numbers, the static load rating and the service life. Static load capacity is the load that can be applied to the bearing, which is either stationary or subjected to a slight rotational movement that does not limit its rotational properties. In practice, the maximum load is taken as that for which the combined deformation of the ball or roller and the raceway at any point does not exceed 0.001 of the diameter of the rolling element. L10 is represents the dynamic load capacity of the bearing; which is the load for which the bearing life is 10⁶ revolutions and the probability of failure is no greater than 10%.

As in most engineering applications, the lubrication of a bearing is considered for two reasons: to control friction forces and to decrease the probability of contact failure (pitting or fatigue). It is universally accepted that lubrication is capable of promoting operation without the likelihood of bearing contact failure. The analysis and study of bearing contact failure methods will allow engineers to introduce design modifications to machines and, in particular, to improve lubrication to avoid bearing contact failure (Ashby, 2011ASHBY, M.F.: Engineering Materials 2, Ed. Cambridge University, Department of Engineering, England, 2011.). This is why, the combined study of bearing lubrication and failure methods, is an attractive research topic.

Pistons, Piston Rings and Cylinder Liners

One of the most common tribological knots in mechanics is the one formed by a piston inside a cylinder; piston that in turn contains rings that form, the three, the tribological set. This set is found in engines, gas compressors and vacuum systems. The main function of a piston is to act as a seal and to counterbalance the action of fluid forces acting on the piston head. In most cases, it is the rings that perform the sealing function. To achieve this in hydraulic machines, this is compensated with a high degree of precision.

Although pistons are normally lubricated, in the chemical industry they use special piston rings that work without lubrication. They are made of polymeric materials that possess self-lubricating properties. System failures are generally due to loss of compression. The designs of these systems have to consider a high compromise, since a very effective lubrication that avoids compression losses and low friction can lead to a high consumption of lubricant in internal combustion engines. On the other hand, wear mainly occurs in the upper part of the piston (compression ring) where the combination of speed, pressure and temperature lead to the need for hydrodynamic lubrication (ASME, 1980ASME: Wear Control Handbook, vol. 1, USA, 413-476 p., 1980.). The conditions in the pistons where high corrosivity, due to the presence of sulfur and other harmful elements present in the fuel and in the oil. Alkaline oils are less prone to abrasive wear on cylinders.

Cams and Followers

Although the elastohydrodynamic theory of lubrication can help to understand how the contact takes place in the followers, from the point of view of its lubrication, a clear concept in its design cannot yet be offered.

Track systems are used extensively in engineering. The automotive valve trains are a system that includes the possible complications in the contact of followers. In the automotive cam contact, the maximum Hertz stresses (between 650 and 1300 MPa) and the maximum sliding speeds occur, which can reach 10 m/s. The expected lubricant film values ​​are comparable to the best surface finish that can be obtained by normal engineering machining processes. And, of course, the surface finish has a decisive effect on the behavior of this element, in which, the contact and its behavior have a marked effect on heating, so the lowest possible value of friction is desired. Thus, the requirements of the design of these elements are that the contact surfaces and the lubricant film support the imposed loads with minimal wear or other forms of surface failure (Sinatora, 2003SINATORA, A., MESA, D H.: “The Friction and Lubrication of Solid”, Scientia e Technica, 9(22), 2003, ISSN: 0122-1701.). It can thus be concluded that, in the tri-design these elements it is necessary to avoid superficial failure.

The fundamental thing in the design of the cams and followers is to ensure an adequate selection of the lubricant and the thickness of the layer. It is known that the decrease in the radius of the nose of the follower increases the Hertzian forces, the relative speed and also the thickness of the lubricating layer. A cam or follower with the greatest layer thickness in operation operates satisfactorily, while smaller thicknesses lead to premature failure. Temperature limitations are important to avoid surface filing failure modes on cams operating under high pressure and speed conditions. The working conditions on the cams and followers are not constant and this aspect is important when designing these elements.

Friction Drives

Friction transmissions, whose use has been growing in different transmission variants, are the opposite of hypoid transmissions since they start from the principle that the friction elements must move without sliding and are capable of transmitting a peripheral force from one to the other. These transmissions normally work in elastohydrodynamic lubrication regimes. If friction traction is analyzed on a graph as a function of sliding speed, three different forms of dependence can be identified (Figure 1).

In the first stage I, the dependence is linear in that the frictional traction is proportional to the sliding speed. After which, a second stage II is obtained, of increasing friction traction, until a maximum is reached after which, a third stage III occurs in which a fall is observed.

The initial stage I can be related to the rheological properties of the oil where the viscosity is the predominant parameter. However, the maximum that is reached in the second stage is somewhat surprising. Today, it is estimated that under appropriate circumstances the lubricant layer, under the high Hertzian contact pressures, becomes a kind of solid crystal, which is common with other solids that present a limit stress that corresponds to the maximum value reached in that stage. With respect to the third stage III, the drop in traction is fundamentally attributed to the decrease in viscosity associated with the increase in temperature in the lubricant. This type of transmission has not received enough attention and the articles published are mainly related to the principles of operation and the kinematics of the process (Bhushan & Gupta, 1991BHUSHAN, B.; GUPTA, B.: Handbook of Tribology, Ed. McGraw-Hill, Chapter 4 ed., New York, USA, 1991.).

In rolling friction drives, the maximum Hertzian contact stress values ​​can exceed 2 600 MPa. Under normal operating conditions, the sliding speed is of the order of 1m / s which is, proportionally, a low value of the rolling speed. Frictional transmissions base their effectiveness on the traction friction that is transmitted through the lubricant and, therefore, the maximum coefficient of friction is required. As the sliding speeds are relatively small, it is possible to select materials for the work surfaces, resistant to pitting failure, and the optimization of the friction behavior becomes the most important parameter (Totten, 2018TOTTEN, G.: Mechanical Tribology: Materials, Characterization, and Applications, Ed. New York, S.A., New York, USA, George Totten, Ph.D., FASM Hong Liang, 2018, ISBN: FASM Hong Liang: 0-8247-4873-5, Cuba: ISBN: 978-959-261-593-9.).

Involute Gears

The instant the contact line crosses the common tangent to the primitive diameters, the gear teeth roll one over the other without slippage. During the remaining period of contact, where the contact zone is at the addendum or the dedendum, some relative sliding takes place. In this way, the type of failure, called pitting, takes place at this time.

There is evidence that, in gears with good quality of surface hardening, material entrainment occurs in the deceleration zones combined with overload. However, before reaching this material drag, another type of damage occurs in areas located in the vicinity of the contact area of ​​both gears (pinion and sprocket). The type of damage that occurs is that of abrasion by abrasive particles detached from the edge of the tooth. There are indications of subsurface fatigue due to Hertzian stresses. The growth of fatigue cracks may be related to lubricant trapped in the initial cracks that emerged during successive cycles. However, in transmission processes, where high stresses, speeds and high temperatures are present, the lubricant is truly an engineering material. A number of methods have emerged to predict the proper selection of gear lubricants Martínez (2010), which serve a design purpose, but with limitations in gear dimensions and operation. The selection of the lubricant must take into account the critical temperature criteria to determine the thickness of the lubricant film.

In low speed operating gears, operating at stresses above 2000 MPa with a lubricant film layer thickness of a few µm, no signs of wear have been seen after thousands of hours of operation. In high-speed operating gears working with a 150 μm lubricant layer thickness, they frequently fail due to scratches in gas turbine transmissions.

A second concept, gaining acceptance, is that scratching will occur when a critical temperature is reached, which is a combination of the inappropriate lubricant and materials on the tooth faces.

Hypoid Gears

Hypoid gears are typically used in right-angle transmission, associated with car shafts. The action on the teeth combines the rolling action, characteristic of spiral bevel gears, with a certain degree of sliding, which makes these gears critical from the point of view of surface load.

The successful operation of these gears depends on the use of so-called extreme pressure oils, typical in lubricants containing additives that form a protective layer at elevated temperatures. There are several additives that confer these properties. Additives called lead soap, with sulfur content, prevent scratching action in transmissions that have not yet had settling, particularly in gears that have not been phosphated. They are not satisfactory when there is high torque, but they are effective at high transmission speeds. Lead and sulfur chloride additives are good in high-torque, low-speed transmissions, but not when the speeds are high. The preventions of the failure modes are by pitting and grating.

Worm Screws

These transmissions are something special, because the degree of conformity is higher than in any other type of transmission. They can be classified as a pair of bolts. Transmissions of this type present a totally critical situation due to their high degree of slippage. From the point of view of wear, the most acceptable combination is the combination of phosphor bronze materials with hardened steel (Martínez, 2000MARTÍNEZ, P.F.: Tecnología de Tratamiento Térmico. Un enfoque sistémico, Ed. Editorial Félix Varela, La Habana, Cuba, 2000, ISBN: 959-258-113-4.). A good degree of surface finish and ensuring a precise mounting and rigid position are also important. The lubricants used for these transmissions generally have surface active additives and the prevailing mode of lubrication is mixed or limit. Therefore, the wear is medium and probably corrosive due to the action of the limit lubrication.

Lubrication is a powerful method of reducing the amount of wear on bearings and other friction torques. Considering K, a constant that represents a coefficient of wear in the case of lubricated sliding, its value can be significantly low if hydrodynamic lubrication conditions are achieved. But the hydrodynamic conditions cannot always be maintained, and when these pass to limit lubrication, the value of K can reach values ​​of the order of 10-6, depending on the properties of the lubricant used. K is a constant, which in the Archard equation $\mathrm{K}=\mathrm{Q}\mathrm{H}/\mathrm{W}$ , for sliding wear, is:

Q- being the amount of wear that depends on the contact among all the roughness; P the contact pressure that can be substituted for the hardness of the material to wear and W the normal applied load. Acceptable values ​​of K according to ASME manuals ASME (1980)ASME: Wear Control Handbook, vol. 1, USA, 413-476 p., 1980., are provided in Table 1.

It is evident that sliding wear under hydrodynamic lubrication conditions is the most desirable state and in the design, all measures must be taken to promote it under operating conditions. The most important factor that determines the lubrication regime is the minimum thickness of the lubricating layer compared to the surface roughness, which can be calculated by specialized nomograms, taking into account another factor λ, integrating all the influencing parameters (Stolarski, 1990STOLARSKI, P.A.: Tribology in Machine Design, Ed. Industrial Press Inc, London, England, 1990.).

Selection of Materials and Surfaces in Engineering

The selection of appropriate materials for the manufacture of components for friction pairs is often limited to factors that have little to do with Tribology, such as their cost, for example. Weight is a factor that can be important and also resistance to corrosion. Mechanical properties, stiffness and toughness are of great importance, too, in engineering applications. Although these factors can limit the range of materials to be used, they also serve to establish a spectrum of feasible solutions. The most convenient will always be the most comprehensive selection, for which the use of selection maps, such as Ashby (2011)ASHBY, M.F.: Engineering Materials 2, Ed. Cambridge University, Department of Engineering, England, 2011., is convenient.

However, most of the listed properties, except perhaps corrosion resistance, are material volume properties and this provides the possibility to focus on varying surface properties, of major importance to Tribology, through a spectrum of different methods feasible to employ. The modification or coating of a surface, in order to achieve combinations of properties on the surface and in the sublayer, belonging to the volume of the material, leads to the so-called surface engineering. The various possible processes to apply must be considered as an essential part in the design of tribological systems (Martínez, 2009MARTÍNEZ, P.F.: Tribología Integral, Editorial Noriega, México, 2009. Dewey: 621.89, ISBN: 978-607-05-0271-2). In Fig. 2 an algorithm is shown that shows the sequence of steps to be followed in the design of a tribological system.

The selection of materials and the methods of obtaining the engineered surfaces, for tribological applications, depends to a large extent, on the mechanism and particular type of predominant wear.

In Fig. 4, a comparative scheme of typical values of wear coefficients K of different materials in sliding conditions under different forms of lubrication, is shown.

Hard coatings or diffusion deposited layers, which are also of very limited ductility, have good resistance to this type of process. Rough surfaces, preferably those of random structuring, (for example, those generated by (sand blasting), generally increase the resistance to damage, probably because the growth of the joint is limited. On the contrary, polished surfaces have a higher probability of damage.

The wide diversity of existing engineering surface materials allows the designer to select them, at least to a certain extent, instead of using materials volumetrically equal to that of their surface.

Figure 4 shows the wide range of combination of layer depth and hardness that can be achieved on surfaces by these methods.

From Figure 4, it can be concluded that different methods offer different possibilities for combining depths and hardness of the surface layer. It is noteworthy that, some methods such as chemical nickel, nickel plating, chrome plating, phosphating and others are missing.

Principios específicos del Tribodiseño

Dos principios, específicos del Tribodiseño son, el de prevenir el contacto entre las superficies en movimiento y el de considerar la película lubricante como un elemento más de máquina y de acuerdo con esto, considerar que los lubricantes son materiales de ingeniería.

En su forma más general el principio de prevenir el contacto entre las superficies en movimiento no es el hecho de evitar el contacto, sino el de tener en cuenta las consecuencias del mismo; tales como riesgo de sobreesfuerzos de la superficie del material del cuerpo en movimiento, o sea el desgaste mecánico. Este principio, muy importante en el Tribodiseño, puede ser ejecutado de formas diferentes. Cuando éste se combina con otros principios, como el de agrupar de forma óptima las funciones, lleva a la conclusión de la necesidad de una capa protectora. Tal capa, que cubre la superficie de deslizamiento, es empleada frecuentemente como substrato del desgaste. La acción protectora puede ser, por ejemplo, el disminuir la presión de contacto mediante el empleo de una capa relativamente baja y de bajo coeficiente de fricción, de sólido suave, reduciendo así, el riesgo de sobre concentración de esfuerzos en la capa de la superficie de deslizamiento. Este es un principio relacionado con la novedosa ciencia de la Ingeniería de Superficies (Martínez, 2012MARTÍNEZ, P.F.: “Análisis de la relación entre las propiedades de la superficie y el volumen del cuerpo desde la Ingeniería de Superficies”, Revista Cubana de Ingeniería, 3(2): 51-57, 2012, ISSN: 2223-1781.).

La capa protectora tiene diversas formas y es uno de los aspectos más importantes en cuanto a la al principio de atenuar el contacto entre las superficies de deslizamiento. Al mismo tiempo, el principio de agrupación de las funciones debe ser empleado, ya que el substrato de la superficie de deslizamiento tiene sus funciones propias. La protección es asignada a la capa y la resistencia estructural depende del material del substrato. De hecho, el substrato sirve en la mayoría de los casos como del material más blando de la capa, permitiendo así la transmisión de la carga externa. Como la capa protectora es un elemento interpuesto al flujo de fuerzas, debe ser diseñado para no fallar en cuanto a la transmisión de la carga al substrato (Martínez, 2016MARTÍNEZ, P.F.: “Procedimiento para la adecuada selección de aceros y de su tecnología de tratamiento térmico”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(2): 58-64, 2016, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.). Desde este punto de vista, debe hacerse una distinción entre capas protectoras hechas de un material sólido (mediante tratamientos térmicos, termoquímicos, de deposición) y aquellos consistentes de fluidos, que bien puede ser un líquido o un lubricante gaseoso.

Las capas protectoras sólidas deben ser concebidas en primer lugar. En superficies sólidas conformadas particularmente, es frecuentemente preferir el empleo de capas protectoras más débiles que el material del substrato y la otra superficie del par. Tal capa protectora puede ser utilizada sin grandes riesgos de fallo estructural del material relativamente más blando. En caso de superficies conformadas, este puede ser explicado mediante una ligera penetración de las asperezas del material más duro del par en la capa protectora. De hecho, la profundidad de la penetración es comparable al tamaño de micro contactos formados por las asperezas superficiales. Esto es característico en superficies de contacto de superficies conformadas. A menos que la capa protectora sea extremadamente blanda y gruesa, las áreas de contacto, y la profundidad de la penetración, nunca serán mayores que las de las dos superficies del par de contacto en movimiento.

Otros factores a considerar son, el efecto de fortalecimiento y rigidez que ejercen en la capa protectora el material del substrato. En una capa protectora de poco espesor, el soporte que ejerce el resistente substrato, en particular cuando el enlace entre capa y substrato es fuerte, brindará a la capa gran resistencia. Mientras la capa sea más delgada, mayor será el efecto de rigidez que ejerce el substrato. Sin embargo, esta rigidez generará una disminución del enlace entre capa protectora y substrato. Para que el efecto de fortalecimiento del substrato a la capa protectora sea efectivo, su espesor no debe ser superior a la profundidad de penetración. Más aún, el espesor de la capa debe ser superior a la profundidad de penetración para soportar la desalineación o la deformación de al menos uno de los dos cuerpos en contacto, así como para asimilar los efectos de partículas duras que hayan sido atrapadas entre las dos superficies en contacto.

La situación de capas protectoras sólidas en capas no conformadas, como es el caso de los engranajes, es ligeramente diferente, ya que la profundidad de la penetración es mucho mayor, no evitándose el flujo de la penetración de las fuerzas. La razón de esto reside en el hecho de que el área de contacto hertziana es mucho mayor que las pequeñas áreas de contacto entre las asperezas de los dos cuerpos de superficies no conformadas. Por ello, la fortaleza volumétrica de la capa protectora deberá ser igual o mayor que la del substrato. Estos dos efectos pueden lograrse cuando la capa protectora del engranaje se logra mediante tratamientos superficiales como la cementación. En ocasiones se piensa que capas blandas protectoras logradas en superficies no conformadas, como la deposición de cobre en engranajes, son efectivas; pero esto solo es así para el proceso de asentamiento y no para lograr durabilidad.

Los líquidos y gases forman capas protectoras que son sinónimo de capas fluidas totales. Desde el punto de vista del Tribodiseño y del diseño de elementos de máquina, estas capas muestran varios aspectos interesantes ya que constituyen la más completa realización de capas protectoras. En cualquier capa fluida total, las presiones deben ser formadas hidrodinámicamente, de forma tal que balanceen la carga transmitida a través de la película de fluido de la frontera de la superficie de un cuerpo al otro (Jost, 1990JOST, H.P.: Tribology. Origin and Future, Ed. Wear, vol. 136, vols. 1, Cambridge, United Kingdom, 1-17 p., 1990.). Estas dos superficies deben ser mantenidas separadas e forma tal que el contacto entre los dos cuerpos se evite totalmente. Esto solo será posible lograrlo totalmente en superficies conformadas. Esto será siempre mejor logrado con capas fluidas completas que con cualquier otra capa sólida. Aún en superficies no conformadas donde la capa fluida extremadamente fina tiene un carácter elastohidrodinámico, el evitar las presiones de contacto debe ser evitado.

Problemas tribológicos en el diseño de los elementos de máquina

Veamos algunos de los problemas tribológicos que se encuentran en los elementos de máquina más comunes.

Cojinetes de deslizamiento

Cuando un cojinete de deslizamiento trabaja en condiciones de lubricación hidrodinámica, se desarrolla una capa de lubricante hidrodinámica. En estas condiciones las superficies conformadas son separadas completamente y un flujo copioso de lubricante prevé el sobrecalentamiento. Con estas condiciones, de total separación de las superficies, no ocurre desgaste mecánico. Sin embargo, esta situación ideal, no siempre se garantiza (Kragelski, 1965KRAGELSKI, I.V.: Friction and Wear, Washington, D.C.; London: Butterworths, 1965.).

En ocasiones, bien por desalineamiento o por el mal montaje o por problemas de naturaleza transientes, tales como distorsión elástica o térmica, pueden ser causa de contacto metal-metal. El contacto puede surgir en el arranque (antes de que la capa de lubricante haya tenido la oportunidad de formarse totalmente), el cojinete puede sobrecargarse de tiempo en tiempo y tener lugar la penetración de partículas de desgaste, de otros lugares, arrastradas por el lubricante sin haber sido filtradas.

En casos particulares como es el de motores de combustión interna, puede ocurrir la formación de ácidos u otras substancias corrosivas durante la combustión, más cuando ésta es incompleta, las cuales son transmitidas al lubricante, causando desgaste químico. Las variaciones de presiones hidrodinámicas en el árbol pueden provocar desprendimiento de partículas; lo que constituye la causa fundamental de aparición de partículas extrañas en el lubricante (Bowden & Tabor, 1954BOWDEN, F.P.; TABOR, D.: The Friction and Lubrication of Solid, Ed. Oxford Univ. Press, Oxford, England, 233-250 p., 1954.). Estas partículas pueden ser atrapadas entre el soporte del cojinete y este último o son embebidas en el material más blando, dando lugar a un proceso de desgaste abrasivo (ralladura) en el material duro del árbol. Procesos de cromado en cojinetes de cigüeñales resultan, a veces, satisfactorios para combatir el desgaste abrasivo o químico.

Rodamientos

Los rodamientos constituyen la clase más alta de elementos de máquina con características de contacto hertziano y las características de este tipo de interacción. Desde un punto de vista práctico, ellos pueden dividirse en dos clases; rodamientos de bolas y rodamientos de rodillos, aunque la naturaleza del contacto y las leyes que gobiernan la fricción y el desgaste es común para ambos casos.

Cualquier tipo de rodamiento es caracterizado por dos números, el rango de carga estática y la vida útil. La capacidad de carga estática es la carga que puede ser aplicada al cojinete, que o es estacionaria o sometida a un ligero movimiento de giro que no limita sus propiedades de rotación. En la práctica, se toma como carga máxima aquella para la cual, la deformación combinada de la bola o rodillo y la pista de rodaje en cualquier punto no exceda 0,001 del diámetro del elemento rodante. L₁₀ es representa la capacidad de carga dinámica del rodamiento; que es la carga para la cual la vida útil del rodamiento es 10⁶ revoluciones y la probabilidad de fallo es no mayor del 10%.

Como en la mayoría de la aplicación de la ingeniería, la lubricación de un rodamiento se toma en cuenta por dos razones; para controlar las fuerzas de fricción y para disminuir la probabilidad de fallo por contacto (pitting o fatiga). Es universalmente aceptado que la lubricación es capaz de propiciar la operación sin probabilidad de fallo por contacto en los rodamientos. El análisis y estudio de los métodos de fallos por contacto de los rodamientos permitirá a los ingenieros introducir modificaciones de diseño en las máquinas y en particular en mejorar la lubricación para evitar el fallo por contacto de los rodamientos (Ashby, 2011ASHBY, M.F.: Engineering Materials 2, Ed. Cambridge University, Department of Engineering, England, 2011.). Es por ello que el estudio combinado de los métodos de fallos y la lubricación de los rodamientos es un tema atractivo de investigación.

Pistones, aros de pistones y camisas de los cilindros.

Uno de los más comunes nudos tribológicos en la mecánica es el formado por el de un pistón dentro de un cilindro; pistón que a su vez contiene aros que formas los tres el conjunto tribológico. Este conjunto se encuentra en motores, compresores de gas y sistemas de vació. La principal función de un pistón es el actuar como un sello y contra balancear la acción de las fuerzas de fluido que actúan en la cabeza del pistón. En la mayoría de los casos, son los aros los que ejercen la función de sellaje. Para lograr esto en máquinas hidráulicas, esto se compensa con un alto grado de precisión.

Aunque los pistones son normalmente lubricados, en la industria química emplean aros de pistón especiales que trabajan sin lubricación. Son hechos de materiales poliméricos que poseen propiedades auto lubricantes. Los fallos en el sistema, generalmente se debe a pérdidas de compresión. Los diseños de estos sistemas tienen que considerar un alto compromiso, ya que una lubricación muy efectiva que evite las pérdidas de compresión y la baja fricción puede conllevar a un elevado consuno de lubricante en los motores de combustión interna. Po otra parte, el desgaste fundamentalmente ocurre en la parte superior del pistón (aro de compresión) donde la combinación de la velocidad, la presión y la temperatura, conllevan a la necesidad de una lubricación hidrodinámica (ASME, 1980ASME: Wear Control Handbook, vol. 1, USA, 413-476 p., 1980.). Las condiciones en los pistones donde alta corrosividad, debido a la presencia de sulfuro y otros elementos dañinos presentes en el combustible y en el aceite. Los aceites alcalinos son menos tendientes a la causa de desgaste abrasivo en los cilindros.

Levas y seguidores

Aunque la teoría elastohidrodinámica de la lubricación nos puede ayudar a comprender cómo tiene lugar el contacto en los seguidores, desde el punto de vista de su lubricación, aún no se puede ofrecer un claro concepto en su diseño.

Los sistemas de seguidores se emplean grandemente en la ingeniería. Los trenes de válvulas automotrices, es un sistema que incluye las complicaciones posibles en el contacto de seguidores. En el contacto de las levas automotrices, se presenta los máximos esfuerzos de Hertz (entre 650 y 1 300 MPa) y las máximas velocidades de deslizamiento, que pueden alcanzar 10 m/s. Los valores de película de lubricante esperados son comparables al mejor acabado superficial que puede ser obtenido mediante los normales procesos de maquinado en ingeniería. Y por supuesto el acabado superficial tiene un efecto decisivo en el comportamiento de este elemento; en el cual el contacto y su comportamiento tienen un marcado efecto en el calentamiento, por lo que se desea el menor valor posible de la fricción. Así, las exigencias del diseño de estos elementos son que las superficies de contacto y de la película de lubricante, soporten las cargas impuestas con el mínimo desgaste u otras formas de fallos superficiales (Sinatora & Mesa, 2003SINATORA, A., MESA, D H.: “The Friction and Lubrication of Solid”, Scientia e Technica, 9(22), 2003, ISSN: 0122-1701.). Se puede concluir así que, en el Tribodiseño estos elementos es necesario evitar el fallo superficial.

Lo fundamental en el diseño de las levas y seguidores es el de asegurar una adecuada selección del lubricante y del espesor de capa. Se conoce que la disminución en el radio de la nariz del seguidor, incrementa los esfuerzos hertzianos, la velocidad relativa y también el espesor se la capa lubricante. Una leva o seguidor que presente en su funcionamiento el mayor espesor de capa, opera satisfactoriamente, mientras que espesores menores conllevan a un fallo prematuro. Las limitaciones en cuanto a la temperatura son importantes para evitar modos de fallos por limado superficial, en levas que operen en condiciones de presión y velocidad intensas. Las condiciones de trabajo en las levas y seguidores no son constantes y este aspecto es importante al diseñar estos elementos.

Transmisiones por fricción

Las transmisiones por fricción, cuyo empleo ha ido creciendo en diferentes variantes de transmisiones, son el opuesto a las transmisiones hipoidales ya que aquellas parten del principio de que los elementos en fricción deben moverse sin deslizamiento y sean capaces de transmitir una fuerza periférica de uno a otro. Estas transmisiones normalmente trabajan en regímenes de lubricación elastohidrodinámica. Si la tracción de fricción se analiza en un gráfico en función de la velocidad de deslizamiento, se pueden identificar tres formas diferentes de dependencia (Figura 1).

En la primera etapa I, la dependencia es lineal en que la tracción de fricción es proporcional a la velocidad de deslizamiento. Después del cual se obtiene una segunda etapa II, de incremento de la tracción de fricción, hasta que se alcanza un máximo después del cual se presenta una tercera etapa III en que se observa una caída.

La etapa inicial I, se puede relacionar con las propiedades reológicas del aceite donde la viscosidad es parámetro predominante. No obstante, es algo sorprendente el máximo que se alcanza en la segunda etapa. Hoy se estima que bajo circunstancias apropiadas la capa de lubricante, bajo las altas presiones de contacto hertziano, se convierte en una especie de cristal sólido, que es común con otros sólidos que presentan un esfuerzo límite que se corresponde con el valor máximo alcanzado en esa etapa. Con respecto a la tercera etapa III, la caída en la tracción se atribuye fundamentalmente a la disminución de la viscosidad asociada con el incremento de la temperatura en el lubricante. Este tipo de transmisión no ha tenido la suficiente atención y los artículos publicados se relacionan principalmente con principios de operación y la cinemática del proceso (Bhushan & Gupta, 1991BHUSHAN, B.; GUPTA, B.: Handbook of Tribology, Ed. McGraw-Hill, Chapter 4 ed., New York, USA, 1991.).

En transmisiones de fricción por rodadura, los valores máximos de esfuerzo de contacto hertziano pueden exceder 2 600 MPa. En condiciones normales de operación, la velocidad de deslizamiento es del orden de 1m/s lo cual es proporcionalmente un bajo valor de la velocidad de rodadura. Las transmisiones por fricción basan su efectividad en la fricción de tracción que se transmite a través del lubricante y por tanto se requiere del máximo coeficiente de fricción. Como las velocidades de deslizamiento son relativamente pequeñas, es posible seleccionar materiales para las superficies de trabajo, resistentes al fallo por pitting y la optimización del comportamiento de la fricción se convierte en el parámetro de mayor importancia (Totten, 2018TOTTEN, G.: Mechanical Tribology: Materials, Characterization, and Applications, Ed. New York, S.A., New York, USA, George Totten, Ph.D., FASM Hong Liang, 2018, ISBN: FASM Hong Liang: 0-8247-4873-5, Cuba: ISBN: 978-959-261-593-9.).

Engranajes de involuta

En el instante en que la línea de contacto cruza la tangente común a los diámetros primitivos, los dientes de los engranajes ruedan uno sobre los otros sin deslizamiento. Durante el periodo restante de contacto, donde la zona de contacto está en el adendum o el dedendum, tiene lugar un cierto deslizamiento relativo. De esta forma el tipo de fallo, llamado pitting, tiene lugar en este momento.

Existen evidencias de que, en engranajes con buena calidad de endurecimiento superficial, tiene lugar el arrastre de material en las zonas de desaceleración combinado con sobrecarga. No obstante, ante de alcanzar ese arrastre de material, tiene lugar otro tipo de daño en zonas localizadas en la vecindad de la zona de contacto de ambos engranajes (piñón y rueda dentada). El tipo de daño que ocurre es el de abrasión por partículas abrasivas desprendidas del borde del diente. Existen indicaciones de fatiga en la sub superficie debida a esfuerzos hertzianos. El crecimiento de las grietas de fatiga puede estar relacionado con lubricante atrapado en las grietas iniciales surgidas durante los sucesivos ciclos. Sin embargo, en procesos de transmisión donde existen presencia de altos esfuerzos, velocidades y altas temperaturas, el lubricante, verdaderamente es un material de ingeniería. Una serie de métodos han surgido para predecir la adecuada selección de lubricantes en los engranajes según Martínez (2010), que sirven como propósito de diseño, pero con limitaciones en cuanto a las dimensiones de los engranajes y de operación. La selección del lubricante debe tener en cuenta el criterio de temperatura crítica para determinar el espesor de la película de lubricante.

En engranajes de baja velocidad de operación que operan a esfuerzos por encima de los 2000 MPa con un espesor de capa de película de lubricante de algunos μm, no se han apreciado signos de desgaste después de miles de horas de operación. En engranajes de alta velocidad de operación trabajando con un espesor de capa de lubricante de 150 μm, frecuentemente fallan por ralladura en transmisiones de turbinas de gas.

Un segundo concepto, que gana aceptación, es el de que la ralladura ocurrirá cuando se alcance una temperatura crítica, lo cual es una combinación del lubricante inapropiado y de los materiales en las caras de los dientes.

Engranajes hipoidales

Los engranes hipoidales se emplean normalmente en la transmisión en ángulo recto, asociado a los ejes de los automóviles. La acción en los dientes, combina la de rodamiento, característica de los engranes cónicos de espiral con un cierto grado de deslizamiento, que hace a estos engranes críticos desde el punto de vista de la carga superficial.

La operación exitosa de estos engranes depende del empleo de los llamados aceites de extrema presión, típica en lubricantes con contenido de aditivos que forman una capa protectora a temperaturas elevadas. Hay varios aditivos que confieren estas propiedades. Aditivos llamados de jabón de plomo, con contenido de sulfuro, previene de la acción de ralladura en transmisiones que no han tenido aún asentamiento, particularmente en engranes que no han sido fosfatados. Ellos no son satisfactorios cuando haya gran torque, pero son efectivos a altas velocidades de transmisión. Los aditivos de cloruro de plomo y azufre son buenos en transmisiones de alto torque y bajas velocidades, no siendo así cuando las velocidades son elevadas. Las prevenciones de los modos de fallo son por pitting y rallado.

Tornillos sinfín

Estas transmisiones son algo especiales, debido a que el grado de conformidad es mayor que en cualquier otro tipo de transmisión. Pueden ser clasificadas como de un par de tornillos. Las transmisiones de este tipo presentan una situación totalmente crítica debido a su elevado grado de deslizamiento. Desde el punto de vista del desgaste, la combinación más aceptable es la combinación de materiales de bronce fosfórico con acero endurecido (Martínez, 2000MARTÍNEZ, P.F.: Tecnología de Tratamiento Térmico. Un enfoque sistémico, Ed. Editorial Félix Varela, La Habana, Cuba, 2000, ISBN: 959-258-113-4.). También resulta importante un buen grado de acabado superficial y el garantizar un montaje preciso y una posición rígida. Los lubricantes empleados para estas transmisiones generalmente con tiene aditivos activos superficialmente y el modo prevaleciente de lubricación es la mixta o límite. Por tanto, el desgaste es medio y probablemente corrosivo debido a la acción de la lubricación límite.

La lubricación es un método poderoso para reducir la magnitud del desgaste en cojinetes y otros pares de fricción. Considerando K, una constante que representa un coeficiente de desgaste en el caso de deslizamiento lubricado, su valor puede resultar significativamente bajo si se consiguen condiciones hidrodinámicas de lubricación. Pero las condiciones hidrodinámicas no pueden mantenerse siempre, y cundo éstas pasan a lubricación límite, el valor de K puede alcanzar valores del orden de 10^-6, dependiendo de las propiedades del lubricante empleado. K es una constante, que en la ecuación $\mathrm{K}=\mathrm{Q}\mathrm{H}/\mathrm{W}$ de Archard, para desgaste deslizante, es:

Siendo Q la magnitud de desgaste que depende del contacto entre todas las asperezas; P la presión de contacto que puede ser sustituida por la dureza del material que se desgasta y W la carga normal aplicada. Valores aceptables de K según manuales de ASME (1980)ASME: Wear Control Handbook, vol. 1, USA, 413-476 p., 1980., se brindan en la Tabla 1.

Es evidente que el desgaste deslizante en condiciones de lubricación hidrodinámica, resulta el estado más deseable y en el diseño, se deben tomar todas las medidas para propiciarlo en las condiciones de operación. El factor más importante que determina el régimen de lubricación, es el espesor mínimo de capa lubricante comparado con las rugosidades superficiales, que puede ser calculado por nomogramas especializados, teniendo en cuenta otro factor λ, integrador de todos los parámetros influyentes (Stolarski, 1990STOLARSKI, P.A.: Tribology in Machine Design, Ed. Industrial Press Inc, London, England, 1990.).

Selección de materiales y de superficies en la ingeniería

La selección de materiales apropiados para la elaboración de componentes para pares de fricción, se circunscribe frecuentemente a factores que tienen poco que ver con la Tribología, como es el costo de los mismos, por ejemplo. El peso, es un factor que puede ser importante y también la resistencia a la corrosión. Las propiedades mecánicas, la rigidez y la tenacidad son de gran importancia, también, en las aplicaciones ingenieras. Aunque estos factores pueden limitar el diapasón de materiales a emplear, ellos también sirven para establecer un espectro de soluciones factibles. Lo más conveniente siempre será la selección más integral, para lo que es conveniente el empleo de mapas de selección, como los de Ashby (2011)ASHBY, M.F.: Engineering Materials 2, Ed. Cambridge University, Department of Engineering, England, 2011..

Sin embargo, la mayoría de las propiedades enunciadas, excepto quizás la resistencia a la corrosión, son propiedades del volumen del material y esto brinda la posibilidad de concentrarse en variar las propiedades superficiales, de mayor importancia para la Tribología, mediante un espectro de diferentes métodos factibles a emplear. La modificación o recubrimiento de una superficie, con la finalidad de lograr combinaciones de propiedades en la superficie y en la subcapa, perteneciente al volumen del material, conduce a la llamada ingeniería de superficie. Los diversos procesos posibles de aplicar, deben ser considerados como parte esencial en el diseño de los sistemas tribológicos (Martínez, 2009MARTÍNEZ, P.F.: Tribología Integral, Editorial Noriega, México, 2009. Dewey: 621.89, ISBN: 978-607-05-0271-2). En la Figura 2 se muestra un algoritmo que muestra la secuencia de pasos a seguir en el diseño de un sistema tribológico.

La selección de materiales y los métodos de obtención de las superficies ingenieras, para las aplicaciones tribológicas, depende en gran medida, del mecanismo y tipo particular de desgaste predominante.

En la Figura 4 se muestra un esquema comparativo de valores típicos de coeficientes de desgaste K de diferentes materiales en condiciones de deslizamiento bajo diferentes formas de lubricación.

Los recubrimientos duros o las capas depositadas por difusión, que son también de una ductilidad muy limitada, presentan una buena resistencia a este tipo de proceso. Las superficies rugosas, preferiblemente las de estructuración aleatoria, (por ejemplo, las que se generan mediante (sand blasting), generalmente incrementan la resistencia al daño, probablemente debido a que el crecimiento de la unión es limitada. Por el contrario, superficies pulidas tienen una mayor probabilidad al daño.

La amplia diversidad de materiales superficiales ingenieros existentes, permiten al diseñador su selección, al menos con cierta amplitud, en vez de utilizar materiales volumétricamente iguales al de su superficie.

La Figura 4 muestra el amplio rango de combinación de profundidad de capa y de dureza que puede obtenerse en las superficies por estos métodos.

De la Figura 4 puede concluirse que diferentes métodos ofrecen diferentes posibilidades de combinación de profundidades y dureza de la capa superficial. Es de destacar que faltan algunos métodos como el níquel químico, el niquelado, el cromado el fosfatado y otros.