Engranaje
.
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 el menor 'piñón'. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circularmediante 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.1 Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina 'tren.
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.
Tipos de engranajes
La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la
disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado. Según estos
criterios existen los siguientes tipos de engranajes:
Píñón recto de 18 dientes.
Ejes paralelos
Cilíndricos de dientes rectos
Cilíndricos de dientes helicoidales
Doble helicoidales
Helicoidales cruzados
Cónicos de dientes rectos
Cónicos de dientes helicoidales
Cónicos hipoides
De rueda y tornillo sin fin
Características que definen un
engranaje de dientes rectos
Elementos de un engranaje.
Representación del desplazamiento del punto de engrane en un engranaje
recto.
Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple y
corriente que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y
medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su
tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.
Diente de un engranaje: son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde
los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma
de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo,
simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo.
Módulo: el módulo de un engranaje es
una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida
del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. En los
países anglosajones se emplea otra característica llamada Diametral
Pitch, que es inversamente proporcional al módulo. El valor del módulo se
fija mediante cálculo de resistencia
de materiales en virtud de la potencia
a transmitir y en función de la relación de transmisión que se establezca. El
tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números.
Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo.
Circunferencia primitiva: es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con
relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características
que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes.
Paso circular: es la longitud de la
circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos.
Espesor del diente: es el
grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo.
Número de dientes: es el
número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como . Es fundamental para calcular la relación de
transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de
18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes
cuando el ángulo de presión es de 25º.
Diámetro exterior: es el
diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje.
Pie del diente: también se conoce con el
nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la
circunferencia interior y la circunferencia primitiva.
Cabeza del diente: también
se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente
comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo.
Flanco: es la cara interior del
diente, es su zona de rozamiento.
Altura del diente: es la
suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura del pie (dedendum).
Ángulo de presión: el que
forma la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso, φ (20º ó
25º son los ángulos normalizados).
Largo del diente: es la
longitud que tiene el diente del engranaje
Distancia entre centro de dos engranajes: es la distancia que hay entre los centros de
las circunferencias de los engranajes.
Relación de transmisión: es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda
conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o
multiplicadora de velocidad. La relación de transmisión recomendada7 tanto en caso de reducción como de multiplicación depende de la
velocidad que tenga la transmisión con los datos orientativos que se indican:
Velocidad lenta:
Velocidad normal :
Velocidad elevada:
Hay dos tipos de engranajes, los llamados de diente normal y los de
diente corto cuya altura es más pequeña que el considerado como diente normal.
En los engranajes de diente corto, la cabeza del diente vale (
), y la altura del pie del diente vale (
) siendo el valor de la altura total del diente
(
)
Engranajes helicoidales dobles
Engranajes cónicos
Engranaje cónico.
Los engranajes cónicos tienen forma de tronco de cono y permiten transmitir movimiento entre ejes que se cortan.9 Sus datos de cálculo se encuentran en prontuarios específicos de
mecanizado.
Engranajes cónicos de dientes rectos
Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un mismo
plano, generalmente en ángulo recto aunque no es el único ángulo pues puede
variar dicho ángulo como por ejemplo 45, 60, 70, etc., 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. En
la actualidad se usan muy poco.10
Engranaje cónico helicoidal
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. Además pueden transmitir el movimiento
de ejes que se corten. Los datos constructivos de estos engranajes se
encuentran en prontuarios técnicos de mecanizado. Se mecanizan en fresadoras
especiales, en la actualidad Se utilizan en las transmisiones posteriores de
camiones y automóviles. 11
Engranaje cónico hipoide
Engranaje cónico hipoide.
Un engranaje hipoide es un grupo de engranajes cónicos helicoidales
formados por un piñón reductor de pocos dientes y una rueda de muchos dientes,
que se instala principalmente en los vehículos industriales que tienen la
tracción en los ejes traseros. Tiene la ventaja de ser muy adecuado para las
carrocerías de tipo bajo, ganando así mucha estabilidad el vehículo. Por otra
parte la disposición helicoidal del dentado permite un mayor contacto de los
dientes del piñón con los de la corona, obteniéndose mayor robustez en la
transmisión. Su mecanizado es muy complicado y se utilizan para ello máquinas
talladoras especiales (Gleason)12
Tornillo sin fin y corona
Tornillo sin fin de montacargas.
Es un mecanismo diseñado para transmitir grandes esfuerzos, que también
se utiliza como reductor de velocidad aumentando la potencia de transmisión.
Generalmente trabaja en ejes que se cruzan a 90º.
Tiene la desventaja de que su sentido de giro no es reversible, sobre
todo en grandes relaciones de transmisión, y de consumir en rozamiento una
parte importante de la potencia. En las construcciones de mayor calidad la
corona está fabricada de bronce y el tornillo sin fin, de acero templado con el fin de reducir el rozamiento. Si este mecanismo
transmite grandes esfuerzos es necesario que esté muy bien lubricado para
matizar los desgastes por fricción.
El número de entradas de un tornillo sin fin suele ser de una a ocho.
Los datos de cálculo de estos engranajes están en prontuarios de mecanizado.
El tornillo sin fin puede mecanizarse mediante tornos, fresas bicónicas
o fresas centrales. La corona, por su parte, requiere fresas normales o fresas
madre.13
Tornillo sin fin y corona glóbicos
Tornillo sin fin y corona glóbica.
Normalmente el contacto entre los dientes del tornillo sin fin y los de
la corona ocurre en un solo punto, es decir, en una superficie muy reducida de
metal. Por tanto, cuando la fuerza a transmitir es elevada se genera una fuerte
presión en el punto de contacto. Para reducir la presión se puede aumentar la
superficie de contacto entre el tornillo sin fin y la corona, aplicando una de
las tres formas siguientes de acoplamiento:13
corona glóbica y tornillo sin fin convencional
tornillo sin fin glóbico y corona convencional
tornillo sin fin glóbico y corona también glóbica
Para el mecanizado de tornillos sin fin glóbicos se utiliza el
procedimiento de generación que tienen las máquinas Fellows.
Engranajes planetarios
Mecanismo de engranajes interiores.
Los engranajes planetarios, interiores o anulares son variaciones del
engranaje recto en los que los dientes están tallados en la parte interior de
un anillo o de una rueda con reborde, en vez de en el exterior. Los engranajes
interiores suelen ser impulsados por un piñón, (también llamado piñón Sol, que
es un engranaje pequeño con pocos dientes). Este tipo de engrane mantiene el
sentido de la velocidad angular.14 El tallado de estos engranajes se realiza mediante talladoras
mortajadoras de generación.
La eficiencia de este sistema de reductores planetarios es igual a
0.98^(#etapas); es decir si tiene 5 etapas de reducción la eficiencia de este
reductor seria 0,904 o 90,4% aproximadamente.
Debido a que tienen mas dientes en contacto que los otros tipos de reductores,
son capaces de transferir / soportar mas torque; por lo que su uso en la
industria cada vez es mas difundido. Ya que generalmente un reductor
convencional de flechas paralelas en aplicaciones de alto torque debe de
recurrir a arreglos de corona / cadenas lo cual no solo requiere de mas tamaño
sino que también implicara el uso de lubricantes para el arreglo corona /
cadena.
La selección de reductores planetarios se hace como la de cualquier
reductor, en función del torque (Newton-metro).
Como cualquier engranaje, los engranajes del reductor planetario son
afectos a la fricción y agotamiento de los dientes, (en ingles
"pitting" y "bending").
Debido a que los fabricantes utilizan diferentes formas de presentación
del tiempo de operación para sus engranajes y del torque máximo que soportan,
la ISO tiene estándares para regular esto:
ISO 6636 para los engranajes,
ISO 281 para los rodamientos e
UNI 7670 para los ejes.
De esta forma se pueden comparar realmente las especificaciones técnicas
de los engranajes / reductores y se puede proyectar un tiempo de operación
antes de fallo de cualquiera de los mismos, (ya sean engranajes para reductores
planetarios o flechas paralelas).
Mecanismo de cremallera
Cremallera.
El mecanismo de cremallera aplicado a los engranajes lo constituyen una
barra con dientes la cual es considerada como un engranaje de diámetro infinito
y un engranaje de diente recto de menor diámetro, y sirve para transformar un
movimiento de rotación del piñón en un movimiento lineal de la cremallera.15 Quizás la cremallera más conocida sea la que equipan los tornos
para el desplazamiento del carro longitudinal.
n:velocidad angular. z:número de dientes de la rueda dentada. p:paso.
Engranaje loco o intermedio
Detalle de engranaje intermedio loco.
En un engrane simple de un par de ruedas dentadas, el eje impulsor que
se llama eje motor tiene un sentido de giro contrario al que tiene el eje
conducido. Muchas veces, en las máquinas, esto no es conveniente, porque es
necesario que los dos ejes giren en el mismo sentido. Para conseguir este
objetivo se intercalan entre los dos engranajes un tercer engranaje que gira
libre en un eje, y que lo único que hace es invertir el sentido de giro del eje
conducido, porque la relación de transmisión no se altera en absoluto. Esta
rueda intermedia hace las veces de motora y conducida y por lo tanto no altera
la relación de transmisión.16 Un ejemplo de rueda o piñón intermedio lo constituye el mecanismo
de marcha atrás de los vehículos impulsados por motores de combustión interna,
también montan engranajes locos los trenes de laminación de acero. Los piñones
planetarios de losmecanismos
diferenciales también actúan como
engranajes locos intermedios.
Aplicaciones de los engranajes
Caja de velocidades.
Existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes, desde los
más pequeños usados en relojería e instrumentos científicos (se alcanza el
módulo 0,05) a los de grandes dimensiones, empleados, por ejemplo, en las reducciones
de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los
hornos y molinos de las fábricas de cemento, etc.
El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado. Los
encontramos en las centrales de producción de energía eléctrica, hidroeléctrica
y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones,
automóviles, transporte marítimo en buques de todas clases, aviones, en la
industria siderúrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros,
fábricas de cemento, grúas, montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria
textil, de alimentación, de vestir y calzar, industria química y farmacéutica,
etc., hasta los más simples movimientos de accionamiento manual.
Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que
tiene por única finalidad la transmisión de la rotación o giro de un eje a otro
distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del primero.
Incluso, algunos engranes coloridos y hechos de plástico son usados en
algunos juguetes educativos.
Verificación de engranajes
La verificación de engranajes consiste en poder controlar los distintos
parámetros que lo definen.
Para medir el espesor cordal se utilizan pie de rey de doble nonio y
micrómetros de platillo.
La medición del espesor de los dientes mediante pie de rey de doble
nonio, sólo se utiliza por lo general cuando se trata engranajes de módulo
grande y mecanizado de desbaste.
Para medir el espesor de engranajes de precisión se utiliza un
micrómetro de platillo y se selecciona el número de dientes a abrazar para que
el contacto entre los flancos de los dientes y los platillos se produzca en la
circunferencia primitiva.
La medición mediante comparadores se utiliza con patrones de puesta a
punto para cada operación de control.
La verificación en proyector de perfiles se utiliza para medir sobre la
imagen amplificada o verificar utilizando plantillas adecuadas todas las
características del engranaje.
La medición de la excentricidad de un engranaje que es el descentramiento
del diámetro primitivo respecto al eje de referencia de la pieza, se puede
verificar:
Con comparador y varilla calibrada
Por rodadura contra un perfil patrón.
Los engranajes maestros se clasifican en varias calidades de acuerdo con
DIN3790 y 58420. Sus dientes una vez mecanizados pasan por un proceso de súper
acabado. Durante la medición según este principio los engranajes a controlar se
hacen engranar con engranajes maestros.33
Lubricación de engranajes.
Las transmisiones por engranajes principalmente las que están sometidas
a un gran esfuerzo y funcionamiento de gran velocidad tienen que tener el
lubricante adecuado para poder contribuir a conservar sus propiedades mecánicas
durante el uso:34
La clasificación de los lubricantes de transmisión de uso industrial se
realiza según diferentes criterios:35
Especificaciones técnicas de los lubricantes
Las especificaciones de los lubricantes de transmisión difieren
ligeramente según el ente que las haya emitido.
En Europa las especificaciones más conocidas son las que la norma DIN 51517
define como LUBRICANTES tipo CLP. A los propósitos de esta norma, LUBRICANTES
CLP son aquellos basados en aceite mineral incluyendo aditivos diseñados para
aumentar las propiedades anticorrosivas (Símbolo C), aumentar la resistencia al
envejecimiento (Símbolo L), y disminuir el desgaste (Símbolo P)". Esta
norma define las viscosidades para los grados ISO 68, 100, 150, 220, 320, 460,
y 680.
Elección del lubricante y su viscosidad más adecuada
El primer indicador del lubricante a utilizar en un determinado equipo
debe ser siempre la recomendación del fabricante que lo ha diseñado y conoce
sus necesidades.
La elección de la adecuada viscosidad para un sistema de engranajes de
dientes rectos o helicoidales es dependiente de
reducciones múltiples o simples
velocidad expresada en rpm
tipo de lubricación (circulación o salpicado)
Mantenimiento preventivo de las transmisiones
El cambio de lubricantes y el mantenimiento de los niveles en las cajas
de transmisiones por engranajes forma parte del mantenimiento preventivo que
hay que realizar a todo tipo de máquinas después de un periodo de
funcionamiento. Este mantenimiento puede tener una frecuencia en horas de funcionamiento,
en kilómetros recorridos o en tiempo cronológico, semanal, mensualmente o
anualmente.
Deterioro y fallo de los engranajes
Las dos principales fuentes de fallo en un diente de engrane son por
fricción y flexión, (llamados también pitting y bending en inglés), esto es debido a
que las fuerzas lógicas durante la transferencia de la fuerza por el
diente/engranaje, la fricción de diente contra diente y la fuerza que deben de
resistir los dientes, (el que transfiere y el que recibe), como lo podemos apreciar
en la gráfica del desplazamiento del punto de engrane.
Representación del desplazamiento del punto de engrane en un engranaje
recto.
Debido a la fricción sobre las superficie de los dientes, esta área se
despasivisa, una de las cuales se vuelve anódica, mientras la otra se vuelve
catódica, conduciendo esta zona a una corrosión galvánica localizada. La
corrosión penetra la masa del metal, con iones de difusión limitados. Este
mecanismo de corrosión por fricción es probablemente la misma que la corrosión
por grietas crevice corrosion
Para minimizar el deterioro de la fricción es necesario seleccionar
el lubricante adecuado, tomando en cuenta no solo la potencia de la aplicación,
así como la temperatura, ciclo de trabajo, etc.
La flexión solo puede minimizarse seleccionando los materiales adecuados
y/o seleccionando mas material para el diente / engranaje, en otras palabras,
seleccionando un engranaje mas grande.
Como todo elemento técnico el primer fallo que puede tener un engranaje
es que no haya sido calculado con los parámetros dimensionales y de resistencia
adecuada, con lo cual no es capaz de soportar el esfuerzo al que está sometido
y se deteriora o rompe con rapidez.
Muestra animada de una rotura por fatiga.
El segundo fallo que puede tener un engranaje es que el material con el
que ha sido fabricado no reúne las especificaciones técnicas adecuadas
principalmente las de resistencia y tenacidad.
También puede ser causa de deterioro o rotura si el engranaje no se ha
fabricado con las cotas y tolerancias requeridas o no ha sido montado y ajustado
en la forma adecuada.
Igualmente se puede originar el deterioro prematuro de un engranaje es
que no se le haya efectuado el mantenimiento adecuado con los lubricantes que
le sean propios de acuerdo a las condiciones de funcionamiento que tenga.
Otra causa de deterioro es que por un sobre esfuerzo del mecanismo se
superen los límites de resistencia del engranaje.
La capacidad de transmisión de un engranaje viene limitada:
Por el calor generado, (calentamiento)
Fallo de los dientes por rotura (sobre esfuerzo súbito y seco)
Fallo por fatiga en la superficie de los dientes (lubricación deficiente
y dureza inadecuada)
Ruido como resultante de vibraciones a altas velocidades y cargas
fuertes.
Los deterioros o fallas que surgen en los engranajes están relacionadas
con problemas existentes en los dientes, en el eje, o una combinación de ambos.
Las fallas relacionadas con los dientes pueden tener su origen en sobrecargas,
desgaste y grietas, y las fallas relacionadas con el eje pueden deberse a la
desalineación o desequilibrado del mismo produciendo vibraciones y ruidos.36
Esto estaba en el pdf anterior. Useless
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