Historia
Mecanismo de Anticitera:Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados en madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento. Nadie sabe a ciencia cierta dónde ni cuándo se inventaron los engranajes. La literatura de la antigua China, Grecia, Turquía y Damasco mencionan engranajes pero no aportan muchos detalles de los mismos.
El mecanismo de engranajes más antiguo de cuyos restos disponemos es el mecanismo de Anticitera. Se trata de una calculadora astronómica datada entre el 150 y el 100 adC y compuesta por al menos 30 engranajes de bronce con dientes triangulares. Presenta características tecnológicas avanzadas como por ejemplo trenes de engranajes epicicloidales que, hasta el descubrimiento de este mecanismo, se creían inventados en el siglo XIX. Por citas de Cicerón se sabe que el de Anticitera no fue un ejemplo aislado sino que existieron al menos otros dos mecanismos similares en esa época, construidos por Arquímedes y por Posidonio. Por otro lado, a Arquímedes se le suele considerar uno de los inventores de los engranajes porque diseñó un tornillo sin fin.
En China también se han conservado ejemplos muy antiguos de máquinas con engranajes. Un ejemplo es el llamado "carro que apunta hacia el Sur" (120-250 dC), un ingenioso mecanismo que mantenía el brazo de una figura humana apuntando siempre hacia el Sur gracias al uso de engranajes diferenciales epicicloidales. Algo anteriores, de en torno a 50 dC, son los engranajes helicoidales tallados en madera y hallados en una tumba real en la ciudad china de Shensi.
Transmisión antigua:No está claro cómo se transmitió la tecnología de los engranajes en los siglos siguientes. Es posible que el conocimiento de la época del mecanismo de Anticitera sobreviviese y, con el florecimiento de la cultura del Islam los siglos XI-XIII y sus trabajos en astronomía, fuera la base que permitió que volvieran a fabricarse calculadoras astronómicas. En los inicios del Renacimiento esta tecnología se utilizó en Europa para el desarrollo de sofisticados relojes, en la mayoría de los casos destinados a edificios públicos como catedrales.
Leonardo
da Vinci, muerto en Francia en 1519, dejó numerosos dibujos y esquemas
de algunos de los mecanismos utilizados hoy diariamente, incluido
varios tipos de engranajes de tipo helicoidal.
Los
primeros datos que existen sobre la transmisión de rotación con
velocidad angular uniforme por medio de engranajes, corresponden al año
1674, cuando el famoso astrónomo danés Olaf Roemer (1644-1710) propuso
la forma o perfil del diente en epicicloide.
Robert
Willis (1800-1875), considerado uno de los primeros ingenieros
mecánicos, fue el que obtuvo la primera aplicación práctica de la
epicicloide al emplearla en la construcción de una serie de engranajes
intercambiables. De la misma manera, de los primeros matemáticos fue la
idea del empleo de la evolvente de círculo en el perfil del diente,
pero también se deben a Willis las realizaciones prácticas. A Willis se
le debe la creación del odontógrafo, aparato que sirve para el trazado
simplificado del perfil del diente de evolvente.
Engranaje helicoidal de Leonardo:Es
muy posible que fuera el francés Phillipe de Lahire el primero en
concebir el diente de perfil en evolvente en 1695, muy poco tiempo
después de que Roemer concibiera el epicicloidal. La primera aplicación
práctica del diente en evolvente fue debida al suizo Leonhard Euler
(1707). En 1856, Christian Schiele descubrió el sistema de fresado de
engranajes rectos por medio de la fresa madre, pero el procedimiento no
se llevaría a la práctica hasta 1887, a base de la patente Grant.[4].
En
1874, el norteamericano William Gleason inventó la primera fresadora
de engranajes cónicos y gracias a la acción de sus hijos, especialmente
su hija Kate Gleason (1865-1933), convirtió a su empresa Gleason
Works, radicada en Rochester (Nueva York, EEUU) en una de los
fabricantes de máquinas herramientas más importantes del mundo.
En
1897, el inventor alemán Robert Hermann Pfauter (1885-1914), inventó y
patentó una máquina universal de dentar engranajes rectos y
helicoidales por fresa madre. A raíz de este invento y otras muchos
inventos y aplicaciones que realizó sobre el mecanizado de engranajes,
fundó la empresa Pfauter Company que, con el paso del tiempo, se ha
convertido en una multinacional fabricante de todo tipo de
máquinas-herramientas.
En
1906, el ingeniero y empresario alemán Friedrich Wilhelm Lorenz
(1842-1924) se especializó en crear maquinaria y equipos de mecanizado
de engranajes y en 1906 fabricó una talladora de engranajes capaz de
mecanizar los dientes de una rueda de 6 m de diámetro, módulo 100 y una
longitud del dentado de 1,5 m.
A
finales del siglo XIX, coincidiendo con la época dorada del desarrollo
de los engranajes, el inventor y fundador de la empresa Fellows Gear
Shaper Company, Edwin R. Fellows (1846-1945), inventó un método
revolucionario para mecanizar tornillos sin fin glóbicos tales como los
que se montaban en las cajas de dirección de los vehículos antes de
que fuesen hidráulicas.
En
1905, M. Chambon, de Lyon (Francia), fue el creador de la máquina para
el dentado de engranajes cónicos por procedimiento de fresa madre.
Aproximadamente por esas fechas André Citroën inventó los engranajes
helicoidales dobles.
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:
Ejes paralelos
-Cilíndricos de dientes rectos
-Cilíndricos de dientes helicoidales
-Doble helicoidales
Ejes perpendiculares
-Helicoidales cruzados
-Cónicos de dientes rectos
-Cónicos de dientes helicoidales
-Cónicos hipoides
-De rueda y tornillo sinfín
Por aplicaciones especiales se pueden citar:
-Planetarios
-Interiores
-De cremallera
Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar:
-Transmisión simple
-Transmisión con engranaje loco
-Transmisión compuesta. Tren de engranajes
Transmisión mediante cadena o polea dentada
-Mecanismo piñón cadena
-Polea dentada
Características que definen un engranaje de dientes rectos
Representación
de las características de un engranajeLos 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 (Z). 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.
Diámetro interior: Es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente.
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).
Angulo 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 recomendada[6] 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: (Rt = 1/10)
Velocidad normal : (Rt = 1/7 - 1/6)
Velocidad elevada: (Rt = 1/4 - 1/2)
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
(0.75 M) y la altura del pie del diente vale (M) siendo el valor de la
altura total del diente ()
Engranajes cilíndricos de dientes helicoidales
Engranaje helicoidal:Los
engranajes cilíndricos de dentado helicoidal están caracterizados por
su dentado oblicuo con relación al eje de rotación. En estos engranajes
el movimiento se transmite de modo igual que en los cilíndricos de
dentado recto, pero con mayores ventajas. Los ejes de los engranajes
helicoidales pueden ser paralelos o cruzarse, generalmente a 90º. Para
eliminar el empuje axial el dentado puede hacerse doble helicoidal.
Los
engranajes helicoidales tienen la ventaja que transmiten más potencia
que los rectos, y también pueden transmitir más velocidad, son más
silenciosos y más duraderos; además, pueden transmitir el movimiento de
ejes que se corten. De sus inconvenientes se puede decir que se
desgastan más que los rectos, son más caros de fabricar y necesitan
generalmente más engrase que los rectos.
Lo
más característico de un engranaje cilíndrico helicoidal es la hélice
que forma, siendo considerada la hélice como el avance de una vuelta
completa del diámetro primitivo del engranaje. De esta hélice deriva el
ángulo β que forma el dentado con el eje axial. Este ángulo tiene que
ser igual para las dos ruedas que engranan pero de orientación
contraria, o sea: uno a derechas y el otro a izquierda. Su valor se
establece a priori de acuerdo con la velocidad que tenga la
transmisión, los datos orientativos de este ángulo son los siguientes:
Velocidad lenta: β = (5º - 10º)
Velocidad normal: β = (15º - 25º)
Velocidad elevada: β = 30º
Las relaciones de transmisión que se aconsejan son más o menos parecidas a las de los engranajes rectos.
Engranajes helicoidales dobles
Vehículo
Citroën con el logotipo de rodadura de engranajes helicoidales
doblesEste tipo de engranajes fueron inventados por el fabricante de
automóviles francés André Citroën, y el objetivo que consiguen es
eliminar el empuje axial que tienen los engranajes helicoidales
simples. Los dientes de los dos engranajes forman una especie de V.
Los
engranajes dobles son una combinación de hélice derecha e izquierda.
El empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los engranajes
helicoidales es una desventaja de ellos y ésta se elimina por la
reacción del empuje igual y opuesto de una rama simétrica de un engrane
helicoidal doble.
Un
engrane de doble hélice sufre únicamente la mitad del error de
deslizamiento que el de una sola hélice o del engranaje recto. Toda
discusión relacionada a los engranes helicoidales sencillos (de ejes
paralelos) es aplicable a los engranajes helicoidales dobles,
exceptuando que el ángulo de la hélice es generalmente mayor para los
helicoidales dobles, puesto que no hay empuje axial.
Con
el método inicial de fabricación, los engranajes dobles, conocidos
como engranajes de espina, tenían un canal central para separar los
dientes opuestos, lo que facilitaba su mecanizado. El desarrollo de las
máquinas talladoras mortajadoras por generación, tipo Sykes, hace
posible tener dientes continuos, sin el hueco central. Como curiosidad,
la empresa Citroën ha adaptado en su logotipo la huella que produce la
rodadura de los engranajes helicoidales dobles.
Engranajes cónicos
Engranaje cónico: Se fabrican
a partir de un tronco de cono, formándose los dientes por fresado de
su superficie exterior. Estos dientes pueden ser rectos, helicoidales o
curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes
que se cortan y que se cruzan. Los datos de cálculos de estos
engranajes están en prontuarios específicos de mecanizado.[8]
Engranajes cónicos de dientes rectos:Efectúan
la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un mismo plano,
generalmente en ángulo recto, por medio de superficies cónicas
dentadas. Los dientes convergen en el punto de intersección de los
ejes. Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en
90°. Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos
helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas y lentas. En la
actualidad se usan muy poco.
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.
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)Tornillo sin fin y corona
Tornillo sin fin de montacargasArtículo principal:
Es
un mecanismo diseñado para transmitir grandes esfuerzos, y como
reductores de velocidad aumentando la potencia de transmisión.
Generalmente trabajan en ejes que se cortan a 90º. Tiene la desventaja
de no ser reversible el sentido de giro, 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. Este mecanismo si
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.
Tornillo sin fin y corona glóbica:Con
el fin de convertir el punto de contacto en una línea de contacto y
así distribuir mejor la fuerza a transmitir, se suelen fabricar
tornillos sin fin que engranan con una corona glóbica.Otra
forma de distribuir la fuerza a transmitir es utilizar como corona una
rueda helicoidal y hacer el tornillo sin fin glóbico, de esta manera
se consigue aumentar el números de dientas que están en contacto.Finalmente
también se produce otra forma de acoplamiento donde tanto el tornillo
sin fin como la corona tienen forma glóbica consiguiendo mejor contacto
entre las superficies.
Mecanizado de coronas y tornillos sin fin
El
mecanizado de las coronas de engranaje de tornillo sin fin se puede
realizar por medio de fresas normales o por fresas madre. El diámetro
de la fresa debe coincidir con el diámetro primitivo del tornillo sin
fin con la que engrane si se desea que el contacto sea lineal. El
mecanizado del tornillo sin fin se puede hacer por medio de fresas
biocónicas o fresas frontales. También se pueden mecanizar en el torno
de forma similar al roscado de un tornillo. Para el mecanizado de
tornillos sin fin glóbicos se utiliza el procedimiento de generación
que tienen las máquinas Fellows.
Engranajes interiores
Mecanismo
de engranajes interioresLos engranajes 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, un engranaje pequeño con pocos dientes. Este tipo de engrane
mantiene el sentido de la velocidad angular..El tallado de estos
engranajes se realiza mediante talladoras mortajadoras de generación.
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.[14] Quizás la cremallera más conocida sea la que
equipan los tornos para el desplazamiento del carro longitudinal.
v = (n * z * p) / 60[m / s]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. Esto muchas veces en las máquinas no es conveniente que sea
así, 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.[15] 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 los mecanismos
diferenciales también actúan como engranajes locos intermedios.
Mecanismo piñón cadena
Eslabón de una cadena: Este
mecanismo es un método de transmisión muy utilizado porque permite
transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes paralelos, que estén
bastante separados. Es el mecanismo de transmisión que utilizan las
bicicletas, motos, y en muchas máquinas e instalaciones industriales.
También se emplea en sustitución de los reductores de velocidad por
poleas cuando lo importante sea evitar el deslizamiento entre la rueda
conductora y el mecanismo de transmisión (en este caso una cadena).
El
mecanismo consta de una cadena sin fin (cerrada) cuyos eslabones
engranan con ruedas dentadas (piñones) que están unidas a los ejes de
los mecanismos conductor y conducido.Juego
de piñones de bicicletaLas cadenas empleadas en esta transmisión
suelen tener libertad de movimiento solo en una dirección y tienen que
engranar de manera muy precisa con los dientes de los piñones. Las
partes básicas de las cadenas son: placa lateral, rodillo y pasador.
Las ruedas dentadas suelen ser una placa de acero sin cubo (aunque
también las hay de materiales plásticos).Para la relación de transmisión valen las ecuaciones de las ruedas dentadas
Ventajas e inconvenientes
Este
sistema aporta beneficios sustanciales respecto al sistema
correa-polea, pues al emplear cadenas que engranan en los dientes de
los piñones se evita el deslizamiento que se producía entre la correa y
la polea. Presenta la gran ventaja de mantener la relación de
transmisión constante (pues no existe deslizamiento) incluso
transmitiendo grandes potencias entre los ejes (caso de motos y
bicicletas), lo que se traduce en mayor eficiencia mecánica (mejor
rendimiento). Además, las cadenas no necesitan estar tan tensas como
las correas, lo que se traduce en menores averías en los rodamientos de
los piñones.
Presenta
el inconveniente de ser más costoso, más ruidoso y de funcionamiento
menos flexible, al no permitir la inversión del sentido de giro ni la
transmisión entre ejes cruzados; además necesita una lubricación
(engrase) adecuada.
Poleas dentadas
Transmisión por poleas dentadas:Para
la transmisión entre dos ejes que estén separados a una distancia
donde no sea económico o técnicamente imposible montar una transmisión
por engranajes se recurre a un montaje con poleas dentadas que
mantienen las mismas propiedades que los engranajes es decir, que
evitan el patinamiento y mantienen exactitud en la relación de
transmisión.
Los datos más importantes de las poleas dentadas son:
Número de dientes, paso, y ancho de la polea
El paso: Es
la distancia entre los centros de las ranuras y se mide en el círculo
de paso de la polea. El círculo de paso de la polea dentada coincide
con la línea de paso de la banda correspondiente.Las poleas dentadas se fabrican en diversos materiales tales como aluminio, acero y fundición.Las
poleas dentadas normalizadas se fabrican en los siguientes pasos en
pulgadas: MXL: Mini Extra Ligero (0.080"), XL: Extra Ligero (0.200"),
L: Ligero (0.375"), H: Pesado (0.500"), XH: Extra Pesado (0.875") y
XXH: Doble Extra Pesado (1.250").Los pasos métricos son los siguientes:T2,5 (Paso 2,5 mm), T5 (Paso 5 mm), T10 (Paso 10mm) y T20 (Paso 20 mm).
Ejes estriados
Transmisión
por ejes estriadosSe denominan ejes estriados, a los ejes que se les
mecaniza unas ranuras en la zona que tiene para acoplarse con un
engranaje u otros componentes para dar mayor rigidez al acoplamiento
que la que produce un simple chavetero. Estos ejes estriados no son en
si un engranaje pero la forma de mecanizarlos es similar a la que se
utilizan para mecanizar engranajes y por eso forman parte de este
artículo. Los ejes estriados se acoplan a los agujeros de engranajes u
otros componentes que han sido mecanizados en brochadoras para que el
acoplamiento sea adecuado. Este sistema de fijación es muy robusto. Se
utiliza en engranajes de cajas de velocidades y en palieres de
transmisión. Hay una norma que regula las dimensiones y formato de los
ejes estriados que es la norma DIN-5643.
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.
Bomba hidráulica
Bomba hidráulica:Una
bomba hidráulica es un dispositivo tal que recibiendo energía mecánica
de una fuente exterior la transforma en una energía de presión
transmisible de un lugar a otro de un sistema hidráulico a través de un
líquido cuyas moléculas estén sometidas precisamente a esa presión.
Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el
aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica
rotatoria en energía hidráulica.
Hay
un tipo de bomba hidraúlica que lleva en su interior un par de
engranajes de igual número de dientes que al girar provocan que se
produzca el trasiego de aceites u otros líquidos. Una bomba hidráulica
la equipan todas las máquinas que tengan circuitos hidráulicos y todos
los motores térmicos para lubricar sus piezas móviles.
Mecanismo diferencial:El
mecanismo diferencial tiene por objeto permitir que cuando el vehículo
dé una curva sus ruedas propulsoras puedan describir sus respectivas
trayectorias sin patinar sobre el suelo. La necesidad de este
dispositivo se explica por el hecho de que al dar una curva el coche,
las ruedas interiores a la misma recorren un espacio menor que las
situadas en el lado exterior, puesto que las primeras describen una
circunferencia de menor radio que las segundas.
El
mecanismo diferencial está constituido por una serie de engranajes
dispuestos de tal forma que permite a las dos ruedas motrices de los
vehículos girar a velocidad distinta cuando circulan por una curva. Así
si el vehículo toma una curva a la derecha, las ruedas interiores
giran más despacio que las exteriores, y los satélites encuentran mayor
dificultad en mover los planetarios de los semiejes de la derecha
porque empiezan a rotar alrededor de su eje haciendo girar los
planetarios de la izquierda a una velocidad ligeramente superior. De
esta forma provocan una rotación más rápida del semieje y de la rueda
motriz izquierda. El mecanismo diferencial está constituido por dos
piñones cónicos llamados planetarios, unidos a extremos de los palieres
de las ruedas y otros dos piñones cónicos llamados satélites montados
en los extremos de sus eje porta satélites y que se engranan con los
planetarios.
Una
variante del diferencial convencional está constituida por el
diferencial autoblocante que se instala opcionalmente en los vehículos
todo-terreno para viajar sobre hielo o nieve o para tomar las curvas a
gran velocidad en caso de los automóviles de competición.
Caja de velocidades
Eje secundario de caja de cambios:En
los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades es el elemento
encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con
diferentes relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la
misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas
velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de
tracción generalmente es la reducción de velocidad de giro e incremento
del torque.
Los
dientes de los engranajes de las cajas de cambio son helicoidales y
sus bordes están redondeados para no producir ruido o rechazo cuando se
cambia de velocidad. La fabricación de los dientes de los engranajes
es muy cuidada para que sean de gran duración. Los ejes del cambio
están soportados por rodamientos de bolas y todo el mecanismo está
sumergido en aceite denso para mantenerse continuamente lubricado.
Reductores de velocidad
Mecanismo reductor básico:El
problema básico de las máquinas es reducir la alta velocidad de los
motores a una velocidad utilizable por los equipos de las máquinas.
Además de reducir se deben contemplar las posiciones de los ejes de
entrada y salida y la potencia mecánica a transmitir.Para
potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos formados
por un motor eléctrico y un conjunto reductor integrado.
Para
potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor.
Los reductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de
diámetros, de esta forma el engrane de menor diámetro debe dar muchas
vueltas para que el de diámetro mayor de una vuelta, de esta forma se
reduce la velocidad de giro. Para obtener grandes reducciones se repite
este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno a
continuación del otro.
El
reductor básico está formado por mecanismo de tornillo sinfín y
corona. En este tipo de mecanismo el efecto del rozamiento en los
flancos del diente hace que estos engranajes tengan los rendimientos
más bajos de todas las transmisiones; dicho rendimiento se sitúa entre
un 40 y un 90% aproximadamente, dependiendo de las características del
reductor y del trabajo al que está sometido. Factores que elevan el
rendimiento:
Ángulos de avance elevados en el tornillo.
Rozamiento bajo (buena lubricación) del equipo.
Potencia transmitida elevada.
Relación de transmisión baja (factor más determinante).
Relación de transmisión baja (factor más determinante).
Existen
otras disposiciones para los engranages en los reductores de
velocidad, estas se denominan conforme a la disposición del eje de
salida (eje lento) en comparación con el eje de entrada (eje rápido).
Así pues serían los llamados reductores de velocidad de engranajes
coaxiales, paralelos, ortogonales y mixtos (paralelos + sin fin
corona). En los trenes coaxiales, paralelos y ortogonales se considera
un rendimiento aproximado del 97-98%, en los mixtos se estima entre un
70% y un 90% de rendimiento.
Además,
existen los llamados reductores de velocidad de disposicíon
epicicloidal, técnicamente son de ejes coaxiales y se distinguen por su
formato compacto, alta capacidad de trasmision de par y su extrema
sensibilidad a la temperatura.Las
cajas reductoras suelen fabricarse en fundición gris dotándola de
retenes para que no salga el aceite del interior de la caja.
Características de los reductores
Potencia, en Kw o en Hp, de entrada y de salida.
Velocidad, en RPM, de entrada y de salida.
Velocidad a la salida.(RPM)
Relación de transmisión[21]
Factor de seguridad o de servicio (Fs)
Par transmitido (Mn1- Eje rápido) (Mn2-Eje lento)
Mecanizado de engranajes
Tallado de dientes
Tallado de un engranaje helicoidal con fresa madre.
Fresa
para tallar engranajesComo los engranajes son unos mecanismos que se
incorporan en la mayoría de máquinas que se construyen y especialmente
en todas las que llevan incorporados motores térmicos o eléctricos,
hace necesario que cada día se tengan que mecanizar millones de
engranajes diferentes, y por lo tanto el nivel tecnológico que se ha
alcanzado para mecanizar engranajes es muy elevado tanto en las
máquinas que se utilizan como en las herramientas de corte que los
conforman.
Antes
de proceder al mecanizado de los dientes los engranajes han pasado por
otras máquinas herramientas tales como tornos o fresadoras donde se
les ha mecanizado todas sus dimensiones exteriores y agujeros si los
tienen, dejando los excedentes necesarios en caso de que tengan que
recibir tratamiento térmico y posterior mecanizado de alguna de sus
zonas.
El
mecanizado de los dientes de los engranajes a nivel industrial se
realizan en máquinas talladoras construidas ex-profeso para este fin,
llamadas fresas madres.
Características técnicas de la talladora LC-500 LIEBHERR (Ejemplo)
Características técnicas talladora engranajes
Módulo: 12/14
Diámetro engranaje: 500 mm
Recorrido axial: 1000 mm
Curso schift: 220/300 mm
Diámetro fresa de corte: 210 mm
Longitud fresa de corte: 260 mm
Velocidad de giro: 1000 r.p.m.
Fresa modular para tallado de dientes en fresadora universal
Mecanismo divisor para el tallado de engranaje en fresadora universal: Los
engranajes normales cilíndricos tanto rectos como helicoidales se
mecanizan en talladoras de gran producción y precisión, cada talladora
tiene sus constantes y sus transmisiones adecuadas para fabricar el
engranaje que se programe. Tipo Liebherr, Hurth, Pfauter, etc.
Los
engranajes interiores no se pueden mecanizar en la talladoras
universales y para ese tipo de mecanizados se El tallado de engranajes
en fresadora universal con mecanismo divisor, prácticamente no se
utiliza, sin embargo el fresado de ejes estriados con pocas estrías
tales como los palieres de las ruedas de camiones, si se puede hacer en
fresadora universal pero con un mecanismo divisor automático y estando
también automatizado todo el proceso de movimientos de la fresadora.utilizan unas talladoras llamadas mortajadoras por generación, tipo Sykes.
Para los engranajes cónicos hipoides se utilizan máquinas talladoras especiales tipo Gleason.Para el mecanizado de tornillos sinfín glóbicos se pueden utilizar máquinas especiales tipo Fellows.Chaflanado
y redondeado de dientes [editar]Esta operación se realiza
especialmente en los engranajes desplazables de las cajas de velocidad
para facilitar el engrane cuando se produce el cambio de velocidad. Hay
máquinas y herramientas especiales (Hurth) que realizan esta tarea. Rectificado
de los dientes de los engranajes.El rectificado de los dientes
cuando es necesario hacerlo, se realiza después de haber sido
endurecida la pieza en un proceso de tratamiento térmico adecuado y se
puede realizar por rectificación por generación y rectificación de
perfiles o con herramientas CBN repasables o con capa galvanizada.
Los
rectificados de engranajes con muelas y de perfiles es una tecnología
muy avanzada y ha logrado una capacidad notoria con la utilización de
modernas herramientas de corindón aglutinado.
Bruñido
El
bruñido de los engranajes se aplica a aquellos que están sometidos a
grandes resistencias, por ejemplo el grupo piñón-corona hipoide de las
transmisiones de los camiones o tractores. El bruñido genera una
geometría final de los dientes de alta calidad en los engranajes que
han sido endurecidos, al mismo tiempo que mejora el desprendimiento y
las estructuras de las superficies.
Afilado de fresas:Las
fresas que se utilizan para tallar engranajes son de perfil constante,
lo que significa que admiten un número muy elevado de afilados cuando
el filo de corte se ha deteriorado. Existe en el mercado una amplia
gama de afiladoras para todos los tipos de herramientas que se utilizan
en el mecanizado de los engranajes.[26] La vida útil de las
herramientas es uno de los asuntos más significativos con respecto a
los costos y a la disponibilidad de producción. Las afiladoras modernas
están equipadas, por ejemplo, con accionamientos directos, motores
lineares y sistemas digitales de medición.
Técnicas de recorrido del material:En
las industrias modernas y automatizadas de mecanizados la técnica de
recorrido de material comprende la manipulación automática de piezas de
trabajo en los sistemas de producción incluso la carga y descarga de
máquinas-herramientas así como el almacenamiento de piezas.
Gestión económica del mecanizado de engranajes:Cuando
los ingenieros diseñan una máquina, un equipo o un utensilio, lo hacen
mediante el acoplamiento de una serie de componentes de materiales
diferentes y que requieren procesos de mecanizado para conseguir las
tolerancias de funcionamiento adecuado.
La
suma del coste de la materia prima de una pieza, el coste del proceso
de mecanizado y el coste de las piezas fabricadas de forma defectuosa
constituyen el coste total de una pieza. Desde siempre el desarrollo
tecnológico ha tenido como objetivo conseguir la máxima calidad posible
de los componentes así como el precio más bajo posible tanto de la
materia prima como de los costes de mecanizado.
Para reducir el coste del mecanizado de los engranajes se ha actuado en los siguientes frentes:
Conseguir
materiales cada vez mejor mecanizables, materiales que una vez
mecanizados en blando son endurecidos mediante tratamientos térmicos
que mejoran de forma muy sensible sus prestaciones mecánicas de dureza y
resistencia principalmente.
Conseguir
herramientas de corte de una calidad extraordinaria que permite
aumentar de forma considerable las condiciones tecnológicas del
mecanizado, o sea, más revoluciones de la herramienta de corte, más
avance de trabajo, y más tiempo de duración de su filo de corte.Conseguir
talladoras de engranajes más robustas, rápidas, precisas y adapatadas a
las necesidades de producción que consiguen reducir sensiblemente el
tiempo de mecanizado así como conseguir piezas de mayor calidad y
tolerancia más estrechas.
Para
disminuir el índice de piezas defectuosas se ha conseguido automatizar
al máximo el trabajo de las talladoras, construyendo talladoras
automáticas muy sofisticadas o guiadas por control numérico que
ejecutan un mecanizado de acuerdo a un programa establecido
previamente.
Cálculo de engranajes
Se
llama cálculo de engranajes a las operaciones de diseño y cálculo de
la geometría de un engranaje, para su fabricación. Principalmente los
diámetros y el perfil del diente. También se consideran los cálculos de
las transmisiones cinemáticas que hay que montar en las máquinas
talladoras de acuerdo a las características que tenga el engranaje, y
que está en función de las características de la máquina talladora que
se utilice.
Relaciones de transmisión
Transmisión compuesta:Hay tres tipos de transmisiones posibles que se establecen mediante engranajes:
Transmisión simple
Transmisión con piñón intermedio o loco
Transmisión compuesta por varios engranajes conocido como tren de engranajes.
La
transmisión simple la forman dos ruedas dentadas, el sentido de giro
del eje conducido es contrario al sentido de giro del eje motor, y el
valor de la relación de transmisión es:
Ecuación general de transmisión:
La transmisión con piñón intermedio o loco está constituida por tres ruedas dentadas, donde la rueda dentada intermedia solamente sirve para invertir el sentido de giro del eje conducido y hacer que gire en el mismo sentido del eje motor. La relación de transmisión es la misma que en la transmisión simple.La transmisión compuesta se utiliza cuando la relación de transmisión final es muy alta, y no se puede conseguir con una transmisión simple, o cuando la distancia entre ejes es muy grande y sería necesario hacer ruedas dentadas de gran diámetro. La transmisión compuesta consiste en ir intercalando pares de ruedas dentadas unidas entre el eje motor y el eje conducido. Estas ruedas dentadas giran de forma libre en el eje que se alojan pero están unidos de forma solidaria los dos ruedas dentadas de forma que uno de ellos actúa de rueda dentada motora y el otro actúa como rueda denatada conducida. La relación de transmisión de transmisiones compuestas es:
La transmisión con piñón intermedio o loco está constituida por tres ruedas dentadas, donde la rueda dentada intermedia solamente sirve para invertir el sentido de giro del eje conducido y hacer que gire en el mismo sentido del eje motor. La relación de transmisión es la misma que en la transmisión simple.La transmisión compuesta se utiliza cuando la relación de transmisión final es muy alta, y no se puede conseguir con una transmisión simple, o cuando la distancia entre ejes es muy grande y sería necesario hacer ruedas dentadas de gran diámetro. La transmisión compuesta consiste en ir intercalando pares de ruedas dentadas unidas entre el eje motor y el eje conducido. Estas ruedas dentadas giran de forma libre en el eje que se alojan pero están unidos de forma solidaria los dos ruedas dentadas de forma que uno de ellos actúa de rueda dentada motora y el otro actúa como rueda denatada conducida. La relación de transmisión de transmisiones compuestas es:
Ecuación general de transmisión:
Tratamiento térmico de los engranajes:Artículo principal: Tratamiento térmico
Los
engranajes están sometidos a grandes presiones tanto en la superficie
de contacto y por eso el tratamiento que la mayoría de ellos recibe
consiste en un tratamiento térmico de cementación o nitruración con lo
cual se obtiene una gran dureza en la zona de contacto de los dientes y
una tenacidad en el núcleo que evite su rotura por un sobreesfuerzo.La
cementación consiste en efectuar un calentamiento prolongado en un
horno de atmósfera controlada y suministrarle carbono hasta que se
introduzca en la superficie de las piezas a la profundidad que se
desee. Una vez cementada la pieza se la somete a temple, con lo cual se
obtiene gran dureza en la capa exterior, ideal para soportar los
esfuerzos de fricción a que se someten los engranajes.Los engranajes que se someten a cementación están fabricados de aceros especiales adecuados para la cementación.
Otra
veces el tratamiento térmico que se aplica a los engranajes es el de
nitruración, que está basado en la acción que ejercen sobre la
superficie exterior de las piezas la acción del carbono y del
nitrógeno. La nitruración reduce la velocidad crítica de enfriamiento
del acero, alcanzando un mayor grado de dureza una pieza nitrurada y
templada que cementada y templada, aun para un mismo tipo de material.En
la actualidad, y particularmente en la industria de la automoción, se
están supliendo aceros aleados por aceros más sencillos dadas las
grandes ventajas técnicas que ofrece la nitruración (elevadas durezas,
regularidades de temple, menos deformaciones...). En los procesos de
nitruración se puede obtener capas entre 0.1-0.6mm., siendo las durezas
en la periferia del orden de los 60-66 HRC.
La
nitruración es un proceso para endurecimiento superficial que consiste
en penetrar el nitrógeno en la capa superficial. La dureza y la gran
resistencia al desgaste proceden de la formación de los nitruros que
forman el nitrógeno y los elementos presentes en los aceros sometido a
tratamiento.
A
veces hay engranajes que se les aplica un temple por inducción donde
el calentamiento es limitado a la zona a tratar y es producido por
corrientes alternativas inducidas. Cuando se coloca un cuerpo conductor
dentro del campo de una bobina o de un solenoide con corrientes de
media o alta frecuencia, el cuerpo es envuelto por una corriente
inducida, la cual produce el calentamiento. Para ello se emplea
inductores que tienen la forma apropiada de la dentadura que queremos
tratar.
La
ausencia de todo contacto entre el inductor y la pieza sometida a
calentamiento permite la obtención de concentraciones del orden de los
25.000 W cm-2. La velocidad de calentamiento es casi unas 15 veces más
rápida que por soplete. Para templar una pieza por inducción será
necesario que tenga un espesor por lo menos unas diez veces superior al
espesor que se desea templar. El éxito de un buen temple reside en
acertar con la frecuencia de corriente de calentamiento, para que ésta
produzca una concentración suficiente de corriente inducida en la zona a
templar.
El
sistema que se emplea en el calentamiento es en dos ciclos. 10.000
ciclos para el calentamiento de la base de los dientes y 375.000 para
el calentamiento de la periferia. Después de efectuados los dos
calentamientos el engrane es sumergido en agua o aceite en función del
tipo de acero que sea.
Una
posibilidad que existe para solucionar los problemas que aparecen en
los engranajes ha sido el níquel químico. Los depósitos de níquel le
confieren a la pieza tratada una buena resistencia a la corrosión, una
gran resistencia a la fricción y una gran dureza con ayuda de unos
precipitados concretos. El niquelado químico se consigue que las capas
sean uniformes, siempre y cuando todas las partes de la pieza estén en
contacto con la solución y la composición de esta se mantenga
constante, y el espesor de esta capa varía según el tiempo de
tratamiento y la composición. Las piezas antes de ser tratadas deben de
pasar por otras fases como pueden ser el decapado, ataque, para
garantizar su adhesión, y otra cosa a tener en cuenta es que el
niquelado químico reproduce en la superficie la rugosidad de la pieza
tratada.
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.
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:[31]
La clasificación de los lubricantes de transmisión de uso industrial se realiza según diferentes criterios:
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, 380, 460, y 680.
Elección
del lubricante y su viscosidad más adecuada [editar]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:
potencia expresada en kW o HPreducciones múltiples o simples velocidad expresada en rpm tipo de lubricación (circulación o salpicado) Mantenimiento
preventivo de las transmisiones [editar]El cambio de lubricantes y el
mentenimiento 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
Muestra
animada de una rotura por fatiga.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.
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 tengaOtra causa de deterioro es que por un sobresfuerzo 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 ( sobreesfuerzo 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.
Fuente: Ingenieria y Mucho Mas
Fuente: Ingenieria y Mucho Mas
