En el mundo de la ingeniería mecánica, los engranajes son componentes esenciales para la transmisión de movimiento y potencia. Determinar el número óptimo de dientes en un engranaje es crucial para garantizar su eficiencia, durabilidad y rendimiento. A continuación, exploraremos los aspectos más relevantes sobre los engranajes, incluyendo su diseño, fabricación, tipos y mantenimiento.
Animación que muestra el funcionamiento básico de los engranajes.
Concepto y Tipos de Engranajes
Definición
Un engranaje es un mecanismo compuesto por dos ruedas dentadas. En su forma más sencilla, estas ruedas son piezas cilíndricas con levas o dientes tallados en su superficie lateral. Al engranar, los dientes de una rueda se introducen en los huecos de la otra, transmitiendo el movimiento de manera que las ruedas giran en sentido contrario. La rueda con mayor número de dientes se conoce como "rueda", mientras que la de menor número se denomina "piñón".
Tipos de Engranajes
La clasificación de los engranajes se basa en la posición relativa de los ejes motriz y conducido:
- Ejes Paralelos: Se utilizan engranajes cilíndricos con dientes rectos o helicoidales.
- Ejes que se Cruzan (pero no se cortan): Se emplean engranajes cilíndricos con dientes helicoidales o sistemas de rueda-tornillo sin fin.
- Ejes que se Cortan: Se utilizan engranajes cónicos con dientes rectos o helicoidales.
Los engranajes helicoidales ofrecen ventajas sobre los rectos, siendo más silenciosos, capaces de transmitir mayores potencias y velocidades de giro de manera más suave y uniforme. Sin embargo, son más difíciles de fabricar y generan fuerzas paralelas a los ejes que deben ser absorbidas por cojinetes de empuje.
Ilustración de diferentes tipos de engranajes.
Generación y Dimensiones del Perfil Dentado
Perfil de Evolvente
Para asegurar una relación de velocidades constante y evitar vibraciones, los engranajes deben diseñarse con perfiles de dientes específicos. El perfil más utilizado es el de evolvente, que se genera al desenrollar una cuerda de un cilindro. Este perfil asegura que el punto de paso entre los dientes permanezca constante, cumpliendo con la ley fundamental del engrane.
Dimensiones Clave
Las siguientes dimensiones son esenciales para definir un engrane:
- Diámetro Primitivo (d): Diámetro de la circunferencia primitiva.
- Diámetro Exterior (de): Diámetro de la circunferencia que inscribe la rueda dentada.
- Diámetro Interior (di): Diámetro de la circunferencia que limita interiormente los dientes.
- Paso Circular (p): Distancia entre centros de dos dientes consecutivos medida sobre la circunferencia primitiva.
- Módulo (m): Resultado de dividir el diámetro primitivo entre el número de dientes.
- Anchura del Diente (b): Espesor del engranaje para dientes rectos.
- Ángulo de Presión (φ): Ángulo formado por la línea de acción y la tangente a la circunferencia de paso.
Todas estas dimensiones deben normalizarse según el módulo y el tipo de dentado. Para engranajes helicoidales, se debe definir un ángulo de hélice (β), y para los cónicos, ángulos de conicidad.
Interferencia y Soluciones
La interferencia ocurre cuando porciones de dientes de perfiles no conjugados entran en contacto, generalmente por debajo de la circunferencia primitiva. Esto puede causar ruido y debilitamiento. Para evitar la interferencia, se pueden tomar varias medidas:
- Disminuir la base de los dientes (aunque reduce la resistencia mecánica).
- Diseñar engranajes con una relación de contacto mayor a 1.2.
- Aumentar el ángulo de presión (φ=25º).
Esfuerzos en los Engranajes
La fuerza transmitida por los dientes sigue la línea de acción y puede descomponerse en componentes tangenciales (esfuerzo de flexión) y radiales (esfuerzo de compresión), dependiendo del ángulo de presión. En los dientes helicoidales, estas fuerzas se descomponen según el ángulo de la hélice (β). El esfuerzo de flexión máximo ocurre cuando la fuerza actúa en la punta del diente y debe considerarse en los cálculos de fatiga.
Tolerancias Dimensionales
La calidad dimensional y el acabado superficial de los engranajes están directamente relacionados con su durabilidad, velocidad de giro, ruido y constancia en la relación de transmisión. Las normas internacionales clasifican las tolerancias dimensionales en diferentes calidades, desde la fina A hasta la basta D. Los engranajes de alta calidad suelen rectificarse después del tallado para ajustar sus dimensiones.
Técnicas de Montaje
Las ruedas dentadas generalmente constan de una corona (la parte con los dientes) y un cubo (la parte que se fija al árbol de transmisión). La unión entre la corona y el cubo debe ser sólida. Dos técnicas comunes para fijar el cubo al eje son:
- Chavetas de Calado: Se introduce una chaveta a presión en el chavetero del cubo para comprimir el árbol.
- Ajuste a Presión: Se utiliza la interferencia para crear una fuerza de rozamiento, generalmente mediante prensas o calentamiento/enfriamiento de las piezas.
También se puede utilizar una combinación de cubos y ejes nervados para mayor rigidez.
Trenes de Engranajes y Cajas de Velocidades
Los trenes de engranajes son mecanismos formados por tres o más ruedas que transmiten movimiento. Se utilizan para conseguir grandes cambios de velocidad entre ejes. La relación de transmisión de un tren de engranajes es el cociente entre el producto del número de dientes de las ruedas conductoras y el producto del número de dientes de las ruedas conducidas.
Ejemplo de un tren de engranajes.
Las cajas de velocidades utilizan trenes de engranajes para modificar la velocidad de rotación de un eje de entrada y conseguir una velocidad de salida variable. Los cambios de velocidad se logran variando la relación de transmisión mediante diferentes configuraciones de engranajes.
Webinar - Mantenimiento y Reparación de Cajas de Engranajes
Ventajas y Desventajas de Piñones con Más y Menos Dientes
El número de dientes en un piñón influye significativamente en su rendimiento y durabilidad. A continuación, se exponen las ventajas y desventajas de los piñones con más y menos dientes:
Piñones con Menos de 20 Dientes
Los piñones con menos de 20 dientes a menudo requieren corrección del perfil debido a su diseño. Esta corrección implica modificar el diámetro de trabajo y el perfil del diente. Además, cuando el número de dientes es inferior a 17 (con un ángulo de presión de 20°), la base del diente muestra un hueco, lo que debilita la estructura y aumenta el riesgo de fractura.
Desventajas:
- Peor funcionamiento.
- Mayor nivel de ruido y vibraciones.
- Desgaste más rápido.
- Menos resistencia a la fractura.
Piñones con Más de 20 Dientes
En sistemas con reductor, piñón y cremallera, es preferible utilizar un piñón con más de 20 dientes. Estos piñones no presentan riesgo de fractura, no requieren corrección del perfil y tienen una base del diente suficientemente ancha. Empíricamente, se considera que un piñón con 20 dientes es óptimo.
Ventajas:
- Mayor resistencia a la fractura.
- No requiere corrección del perfil.
- Base del diente ancha.
Sistema de Acoplamiento Curvic
El sistema de acoplamiento Curvic patentado por Apex optimiza las transmisiones con reductor, piñón y cremallera. Este sistema permite diseñar la transmisión sin limitación del número de dientes, con juego cero, total concentricidad y alta transmisión de par. Elimina los tornillos de fijación del engranaje al plato, reduciendo el momento flector recibido por el reductor y aumentando el par de vuelco.
Fabricación y Mecanizado de Engranajes
El mecanizado de engranajes se realiza en el material sin tratar, y el reto es adquirir tolerancias dimensionales estrechas. Una cuidadosa preparación de la fase de temple facilita las operaciones de torneado y mecanizado de piezas duras. El proceso de mecanizado de engranajes está evolucionando con la aparición de vehículos eléctricos y nuevos diseños de transmisiones.
Las nuevas tecnologías de corte están transformando la fabricación de engranajes. El power skiving, por ejemplo, es un proceso de corte continuo más rápido y flexible que el mortajado y el brochado, especialmente productivo en operaciones de mecanizado interior. El mecanizado de disco permite mecanizar componentes completos en un único reglaje, y el tallado con fresa madre genera los dientes del engranaje mediante una serie de cortes con una herramienta de corte helicoidal.
Proceso de mecanizado de engranajes.
Mantenimiento de Engranajes
La lubricación es crucial para prolongar la vida útil de los engranajes. La falta o deficiencia en la lubricación es una de las principales causas del acortamiento de su vida útil.