En el diseño y el mantenimiento de piezas mecánicas, el «desgaste» influye en la vida útil de las piezas y en la calidad del producto. El desgaste es el fenómeno por el que la superficie se va desgastando poco a poco debido al contacto y al movimiento relativo entre dos sólidos. En los mecanismos que implican fricción, como las piezas de transmisión o los cojinetes, es necesario tomar medidas para evitar el desgaste.
El desgaste progresivo es un problema que provoca cambios en las dimensiones de las piezas y una disminución de su rendimiento, y que, en última instancia, puede afectar a la fiabilidad de todo el equipo. Hay varios tipos de desgaste, y cada uno tiene su propio mecanismo de aparición y sus propias medidas para combatirlo.
En este artículo te explicamos la definición básica del desgaste y cómo se produce, los tipos más comunes de desgaste y sus características, y también las medidas que puedes tomar para reducirlo. Adquiere conocimientos sólidos sobre el desgaste y úsalos para alargar la vida útil de las piezas y reducir los costes de mantenimiento.
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Definición y mecanismo de aparición del desgaste
Para entender bien el desgaste, es importante, en primer lugar, conocer su definición y el mecanismo de contacto entre superficies, y luego analizar los distintos factores que influyen en su evolución. A continuación, te lo voy a explicar paso a paso, desde los conceptos básicos del desgaste hasta las características del contacto entre superficies y los tres factores que intervienen en él.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Definición de desgaste y conceptos básicos sobre la resistencia al desgaste
- Relación entre el área de contacto real y el desgaste
- Tres factores que influyen en el desgaste
Aquí te vamos a explicar paso a paso los conceptos básicos del desgaste, simplificando la jerga técnica para que hasta los ingenieros novatos lo entiendan.
Definición de desgaste y conceptos básicos sobre la resistencia al desgaste
Se dice que el desgaste de los metales es el estado en el que la superficie de un metal se daña o se desgasta debido a la fuerza de fricción que se produce al entrar en contacto con otros sólidos.
En el caso de las piezas que sufren fricción, como los componentes de transmisión o los cojinetes, la resistencia al desgaste es una característica que determina la vida útil del producto. Esta resistencia se conoce como «resistencia al desgaste» y es uno de los indicadores básicos a la hora de diseñar piezas mecánicas con partes deslizantes.Si se utilizan materiales con baja resistencia al desgaste en las partes deslizantes, la precisión dimensional de las piezas se pierde en poco tiempo, lo que puede provocar una disminución del rendimiento de todo el equipo.
Por ejemplo, en los puntos de contacto entre las escobillas y el conmutador en el interior del motor, o donde encajan las superficies dentadas de los engranajes, el material se va desgastando poco a poco debido al deslizamiento repetido. Hay que tener en cuenta que, a medida que avanza el desgaste, la holgura entre las piezas aumenta, lo que puede provocar vibraciones, ruidos extraños y fallos de funcionamiento.Si en la fase de diseño se tiene en cuenta el desgaste que se producirá según las condiciones de uso y se refleja en la elección de los materiales y el diseño estructural adecuados, se garantiza la fiabilidad del producto.
Relación entre el área de contacto real y el desgaste
Las superficies sólidas tienen pequeñas irregularidades y ondulaciones, por lo que, aunque se trate de dos superficies planas, en realidad son las protuberancias las que entran en contacto. La zona donde se tocan las protuberancias se llama «punto de contacto real»; como su superficie es más pequeña que la superficie de contacto aparente y la carga se concentra ahí, es una zona clave en la aparición del desgaste.
A continuación te resumo la diferencia entre el área de contacto real y el área de contacto aparente.
| Concepto | Área de contacto aparente | Superficie de contacto real |
| Definición | El área de la superficie exterior donde las piezas entran en contacto | Área de contacto entre las piezas |
| El tamaño de la superficie | Ámbito visible a simple vista | Entre 1/10 y 1/1000 de la superficie de contacto aparente |
| Distribución de la carga | Suponiendo que se distribuye por toda la superficie | La carga se concentra en una pequeña protuberancia |
Se considera que el área de contacto real es entre 1/10 y 1/1000 del área de contacto aparente.Aunque a simple vista parezca que el contacto se produce en una superficie amplia, en realidad la carga se soporta únicamente en unas protuberancias muy pequeñas. El mecanismo básico del desgaste consiste en que la tensión concentrada en esas protuberancias provoca la deformación o la rotura del material, que acaba desprendiéndose en forma de partículas de desgaste.
Cuanto mayor es el valor de la rugosidad superficial de un material, mayor es la diferencia de altura entre las protuberancias, por lo que el área de contacto real se reduce aún más y la tensión local tiende a aumentar. En el diseño de piezas mecánicas, el primer paso para reducir el desgaste consiste en controlar adecuadamente el acabado superficial y la precisión de mecanizado de las superficies de deslizamiento, con el fin de ampliar el área de contacto real.
Tres factores que influyen en el desgaste
En el desgaste influyen tres factores: los mecánicos, los relacionados con los materiales y los ambientales. Como la interacción compleja entre estos factores determina el grado de avance del desgaste, es necesario analizar las medidas a tomar desde múltiples perspectivas.
[Tres factores que influyen en el desgaste]
- Factores mecánicos: carga, presión de contacto, rigidez
- Factores relacionados con el material: propiedades mecánicas, forma de la superficie, rugosidad de la superficie
- Factores ambientales: temperatura, humedad, atmósfera
En cuanto a los factores mecánicos, cuanto mayores son la carga y la presión de contacto, más aumentan las tensiones locales en la zona de contacto real, lo que suele acelerar el desgaste. Si las piezas no tienen suficiente rigidez, la deformación en la superficie de contacto es mayor, y también aumenta el riesgo de que se produzca desgaste en zonas inesperadas.
En cuanto a los factores relacionados con los materiales, además de las propiedades mecánicas como la dureza y la tenacidad, la rugosidad de la superficie influye en la forma y la distribución de las protuberancias, lo que a su vez afecta a las condiciones de contacto que dan lugar al desgaste.En general, se considera que cuanto mayor es la dureza de un material, mayor es su resistencia al desgaste; sin embargo, en los materiales con baja tenacidad (resistencia a la rotura) existe el riesgo de que se produzcan grietas, por lo que es necesario elegir el material teniendo en cuenta el equilibrio entre dureza y tenacidad.
En cuanto a los factores ambientales, se dice que, en entornos con altas temperaturas, los materiales pueden ablandarse, y que la humedad o las atmósferas corrosivas pueden acelerar el desgaste al favorecer las reacciones químicas. A la hora de estudiar medidas contra el desgaste, es importante no valorar estos tres factores por separado, sino tener en cuenta el entorno de uso en su conjunto y hacer una evaluación global.
Tipos y características más comunes del desgaste
El desgaste se clasifica en varios tipos según su mecanismo de formación, y entre ellos destacan el desgaste por adherencia, el desgaste abrasivo, el desgaste por corrosión y el desgaste por fatiga. Como cada tipo tiene un mecanismo de formación y un patrón de daño distintos, hay que elegir las medidas adecuadas según el tipo.Entender bien las características de cada una y, a partir de ahí, plantearte las medidas adecuadas es la clave para prevenir los problemas de desgaste antes de que surjan.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- El mecanismo del desgaste por adherencia y sus dos tipos
- Las dos formas de desgaste abrasivo
- Características del desgaste por fatiga y daños típicos
A continuación, vamos a explicar en detalle los mecanismos y las características de los tres tipos de desgaste —desgaste por adherencia, desgaste abrasivo y desgaste por fatiga— que están muy relacionados con el diseño de piezas mecánicas y motores.
El mecanismo del desgaste por adherencia y sus dos tipos
El desgaste por adherencia es un fenómeno en el que las pequeñas irregularidades de las superficies de deslizamiento provocan una unión metálica (adherencia) debido al calor y la presión de la fricción, y el desgaste avanza cuando, por el cizallamiento causado por el movimiento de fricción, una parte de ese material se desprende y se adhiere a la superficie opuesta.Se caracteriza, sobre todo, por ser más frecuente entre materiales del mismo tipo. En cuanto al mecanismo de la adherencia, en el ámbito de la tribología (la ciencia de la fricción y el desgaste) se reconoce ampliamente el proceso por el que los materiales se unen en la zona de contacto real y, cuando se aplica una fuerza de cizallamiento, una parte del interior del material se desprende y se convierte en polvo de desgaste.
El desgaste por adherencia se clasifica, en términos generales, en dos tipos según su intensidad.
| Clasificación | Características |
| Desgaste severo | El desgaste es considerable y se producen arañazos profundos y una gran cantidad de partículas de desgaste en la superficie. En casos graves, puede ser una de las causas del agarrotamiento. |
| Desgaste suave | El desgaste es relativamente leve y la superficie se desgasta de forma suave. Las partículas de desgaste son muy finas y contienen óxidos. |
En el desgaste severo, las partículas de desgaste son gruesas y tienen un brillo metálico, y en la superficie de desgaste aparecen surcos profundos y grandes irregularidades. Por otro lado, en el desgaste leve, las partículas de desgaste son óxidos finísimos y la superficie de desgaste se mantiene relativamente lisa.Si el desgaste por adherencia avanza hasta la fase de desgaste severo, puede llegar a manifestarse como un «gripado», por lo que hay que tener cuidado, ya que esto puede provocar que la pieza deje de funcionar. A la hora de elegir los materiales para las piezas deslizantes, es recomendable estudiar cómo evitar la adherencia mediante combinaciones de metales diferentes o tratamientos superficiales.
Las dos formas de desgaste abrasivo
El desgaste abrasivo se clasifica en dos tipos: el «desgaste a dos cuerpos», en el que las protuberancias de la superficie de un material duro desgastan una superficie de deslizamiento blanda, y el «desgaste a tres cuerpos», en el que partículas sólidas duras se introducen entre los materiales y desgastan la superficie.También se conoce como desgaste por arañazos o por abrasión, y se caracteriza por tener una tasa de desgaste que suele ser mayor que la del desgaste por adherencia.
[Las dos clases de desgaste abrasivo]
- Desgaste por fricción entre dos cuerpos: tipo de desgaste en el que las protuberancias de la superficie de un material duro desgastan directamente la superficie de deslizamiento del material más blando.
- Desgaste por tres cuerpos: tipo de desgaste en el que partículas sólidas duras (polvo de desgaste o cuerpos extraños) se introducen entre los materiales y desgastan la superficie.
El desgaste por fricción entre dos piezas se produce cuando la pieza más dura se clava en la más blanda, así que la clave para evitarlo es elegir los materiales teniendo en cuenta el equilibrio de dureza de las superficies de deslizamiento. Por ejemplo, si haces que se deslicen entre sí dos metales con durezas muy diferentes, la superficie más blanda acabará desgastándose de forma unilateral.
Como el desgaste de tres cuerpos se debe a partículas de desgaste duras o a la entrada de cuerpos extraños del exterior, son eficaces las medidas que incorporan estructuras de sellado que eviten la entrada de partículas en las superficies de deslizamiento, así como mecanismos para eliminar periódicamente los cuerpos extraños.En los equipos que funcionan en talleres de mecanizado o en entornos con mucho polvo, el riesgo de desgaste tripartito aumenta, por lo que es necesario gestionar el desgaste junto con medidas de protección contra el polvo.
Características del desgaste por fatiga y daños típicos
El desgaste por fatiga es un fenómeno en el que, debido a las tensiones de contacto repetidas, se producen pequeñas grietas en la superficie del material, lo que acaba provocando que la superficie se desprenda y el desgaste avance.Es un tipo de desgaste que se produce como resultado de la fatiga del metal por la repetición de ciclos de funcionamiento y parada, y se observa con frecuencia en las superficies de contacto por rodadura. Se considera que tiende a producirse en piezas que reciben cargas repetitivas, como los rodamientos o las caras de los dientes de los engranajes.
Hay dos tipos típicos de daños causados por el desgaste por fatiga: el «flacado», que se desprende en forma de escamas, y el «desprendimiento», que se desprende en grandes superficies. El flacado es un daño típico que se produce en la superficie de rodadura de los rodamientos y aparece como un desprendimiento en forma de escamas cuando, cada vez que pasan los cuerpos rodantes, la tensión acumulada bajo la superficie supera el límite.El «peeling» es un fenómeno en el que la capa superficial se desprende en una superficie más amplia que en el «flaking», y se caracteriza por producirse con mayor facilidad en condiciones de alta carga.
A diferencia del desgaste por adherencia o del desgaste abrasivo, el desgaste por fatiga no suele presentar cambios notables a corto plazo, sino que tiene la particularidad de progresar rápidamente una vez superado un determinado número de repeticiones. Aunque a simple vista no se aprecien anomalías, es posible que en el interior del material se estén desarrollando grietas, por lo que si solo te basas en una inspección visual, corres el riesgo de pasar por alto los indicios de desgaste por fatiga.En componentes que soportan cargas repetidas durante largos periodos de tiempo, como los cojinetes de los motores o las superficies dentadas de los motorreductores, es imprescindible calcular la vida útil por fatiga en la fase de diseño e incluirla en el plan de inspecciones periódicas.
Cómo prevenir el desgaste y alargar la vida útil del motor
Para frenar el deterioro de las piezas por el desgaste, es fundamental elegir las medidas adecuadas según el tipo de desgaste. En el caso de los motores, el mecanismo de desgaste y la forma de valorar su vida útil varían en función de si tienen escobillas o no. Aquí te lo explicamos paso a paso, desde los conceptos generales sobre cómo abordar el desgaste hasta los problemas y soluciones específicos de los motores.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Medidas para cada tipo de desgaste
- El efecto del desgaste de las escobillas en los motores con escobillas
- Solución a los problemas de desgaste con motores sin escobillas
Aquí, en la primera parte, vamos a clasificar por tipos las medidas generales contra el desgaste y, en la segunda parte, explicaremos los problemas de desgaste en los motores y las soluciones que ofrecen los motores sin escobillas.
Medidas para cada tipo de desgaste
Las medidas contra el desgaste varían según el tipo. Para el desgaste por adherencia, son eficaces el uso de metales de diferentes tipos, la aplicación de lubricantes y los tratamientos superficiales.Para el desgaste abrasivo, lo mejor es aumentar la dureza del material y evitar que entren partículas sólidas en las superficies de deslizamiento. En cuanto al desgaste por corrosión, las medidas más comunes son elegir materiales muy resistentes a la corrosión y aplicar tratamientos superficiales como galvanizados o recubrimientos.
A continuación resumimos la relación entre los principales tipos de desgaste y las medidas para evitarlos.
| Tipos de desgaste | Cómo solucionarlo |
| Desgaste por adherencia | Combinación de metales diferentes, uso de lubricantes, aplicación de tratamientos superficiales |
| Desgaste abrasivo | Aumenta la dureza del material y evita que se introduzcan partículas sólidas en las superficies de deslizamiento |
| Corrosión y desgaste | Selección de materiales altamente resistentes a la corrosión y tratamientos superficiales, como galvanizados y recubrimientos |
| Desgaste por fatiga | Reducción de las tensiones repetitivas y diseño de materiales y estructuras teniendo en cuenta la vida útil a fatiga |
Se considera que, incluso con materiales poco resistentes al desgaste, se puede reducir su impacto mediante técnicas de mecanizado que ajustan el acabado de la superficie y le dan una forma que minimiza la fricción.Por ejemplo, en una amplia gama de piezas deslizantes se utilizan técnicas como reducir la rugosidad de la superficie mediante pulido o mejorar a la vez la dureza y la deslizabilidad de las superficies de deslizamiento con recubrimientos de DLC (carbono tipo diamante). Dependiendo del entorno de uso y de las condiciones de deslizamiento, estudia medidas que combinen la selección de materiales con el tratamiento superficial.
*Hay algunas medidas que nuestros productos no pueden aplicar.
El efecto del desgaste de las escobillas en los motores con escobillas
En los motores con escobillas, estas y el colector giran siempre en contacto, por lo que ambos se desgastan poco a poco por la fricción. Cuando las escobillas se desgastan, ya no pueden mantener el contacto con el colector, la corriente no circula correctamente y el motor deja de funcionar bien.
Los factores que provocan el desgaste de las escobillas no se limitan solo a la fricción por contacto físico.
[Principales factores que aceleran el desgaste de las escobillas]
- La fricción provocada por el contacto físico
- Generación de calor debido a los cambios en la densidad de corriente
- Fusión de la superficie por chispas
La fricción física es algo inevitable, ya que las escobillas y el conmutador están siempre en contacto. Además, cuando cambia la trayectoria de la corriente al girar el motor, la densidad de corriente varía y se produce un calentamiento local en las zonas de contacto.Además, hay que tener en cuenta que, en algunos casos, las chispas que se producen al cambiar de trayectoria pueden fundir la superficie de las escobillas y acelerar su desgaste.
Como el deterioro de las escobillas se debe a la interacción de tres factores —fricción, generación de calor y chispas—, la vida útil de un motor con escobillas depende en gran medida del estado de desgaste de estas. En aplicaciones que impliquen un funcionamiento continuo durante largos periodos de tiempo o en entornos de alta carga, es necesario realizar previamente una evaluación exhaustiva en el equipo real en el que se vaya a utilizar.
Solución a los problemas de desgaste con motores sin escobillas
Los motores sin escobillas no tienen escobillas ni colector, y su rotación se controla mediante circuitos electrónicos, por lo que no se produce desgaste de las escobillas.Como los motores sin escobillas no tienen escobillas, se considera que su vida útil, facilidad de mantenimiento y generación de polvo son mejores que las de los motores con escobillas. La vida útil del motor ya no depende del desgaste de las escobillas, sino de la de los cojinetes, lo que permite un funcionamiento duradero.
A continuación te resumo las diferencias en cuanto al desgaste entre los motores con escobillas y los motores sin escobillas.
| Criterios de comparación | Motores con escobillas | Motor sin escobillas |
| Deslizamiento de las escobillas y el conmutador | Sí (contacto permanente) | No (controlado por un circuito electrónico) |
| Desgaste de las escobillas | Se produce (principal causa de la vida útil) | No se produce |
| Factores que influyen en la vida útil | El estado de desgaste de las escobillas | Vida útil de los cojinetes |
| Generación de partículas de desgaste | Sí | Casi ninguna |
| Contacto mecánico | mucho | Pocos |
Antes, como se usaba un conmutador mecánico para cambiar la dirección de la corriente, tenía el inconveniente de que el conmutador se desgastaba, por lo que era difícil alargar su vida útil. Con la popularización de los semiconductores, los circuitos electrónicos han podido sustituir al conmutador, por lo que los motores sin escobillas han conseguido una vida útil mucho más larga que la de los motores con conmutador mecánico.
Además, su diseño, con poco contacto mecánico, resulta eficaz para reducir la generación de partículas de desgaste, así como los ruidos de deslizamiento y las vibraciones. Los motores sin escobillas son una opción muy interesante para un funcionamiento continuo durante largos periodos de tiempo o para su uso en entornos limpios en los que se debe evitar la generación de partículas de desgaste.
Resumen
El desgaste es el fenómeno por el que la superficie de un sólido se desgasta debido al contacto y la fricción con otros sólidos, y se clasifica a grandes rasgos en desgaste por adherencia, desgaste abrasivo, desgaste por corrosión y desgaste por fatiga. Como el mecanismo por el que se produce varía en cada caso, hay que elegir las medidas adecuadas según el tipo de desgaste, como aumentar la dureza del material, usar lubricantes o aplicar tratamientos superficiales.Si tienes en cuenta la posibilidad de que se produzca desgaste ya en la fase de diseño y eliges materiales y estructuras adecuados para el entorno de uso, conseguirás que las piezas duren más y reducirás los costes de mantenimiento.
En los motores, el desgaste provocado por el deslizamiento entre las escobillas y el conmutador es un problema que limita su vida útil; sin embargo, los motores sin escobillas eliminan estructuralmente este desgaste, lo que les permite alargar su vida útil.Al tener una estructura con poco contacto mecánico, se reduce la generación de partículas de desgaste y las vibraciones, por lo que su diseño es ideal para un funcionamiento continuo durante largos periodos de tiempo y para su uso en entornos limpios.
En C.I. Takiron comercializamos motores sin escobillas que destacan por su larga vida útil y sus bajas vibraciones. Si tienes dudas sobre cómo evitar el desgaste o sobre qué motor elegir, no dudes en ponerte en contacto con nosotros.
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