En casi todas las máquinas existe transmisión de movimientos de un eje a otro. Dicha transmisión puede llevarse a cabo mediante, poleas, cadenas, ruedas de fricción…etc. Pero si los ejes están muy próximos entre sí, no son paralelos o se desea mantener una relación de transmisión constante, la solución ideal será el uso de engranajes. No es por tanto de extrañar que prácticamente todas las máquinas cuenten con engranajes en sus sistemas de transmisión de movimiento.
SISTEMA DE ENGRANES
¿Qué es un engranaje?
Un engranaje es un mecanismo formado por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina 'corona' y la menor 'piñón'. En su aspecto más sencillo, las ruedas dentadas son piezas cilíndricas en cuya superficie lateral se han tallado sucesivas levas o dientes. Situadas en posición adecuada, los dientes de una rueda se introducen en los huecos de la otra (transmisión desmodrónica), transmitiéndose el movimiento de manera que ambas ruedas giran en sentido contrario.
Tipos de Engranajes
Según la posición relativa de los ejes motriz y conducido (rueda motriz y conducida) se pueden utilizar varios tipos de engranajes:
- Ejes paralelos: Se emplean engranajes formados por dos ruedas cilíndricas donde sus dientes podrán ser rectos o bien helicoidales.
- Ejes que se cruzan (pero no se cortan): Los engranajes serán cilíndricos y de dientes helicoidales o bien un sistema de rueda-tornillo sinfín.
- Ejes que se cortan: Se utilizan engranajes cónicos de dientes rectos (en desuso) o helicoidales.
Las ruedas de dientes helicoidales presentan sobre las de dientes rectos la ventaja de ser más silenciosas, permiten la transmisión de mayores potencias y velocidades de giro y además de forma más suave y uniforme.
Generación y Dimensiones del Perfil Dentado
Perfil de Evolvente
Los engranajes deben diseñarse para que la relación de velocidades sea constante en todo momento ya que de lo contrario aparecerían unas vibraciones enormes que acortarían su vida útil. Para que se cumpla esta condición, el perfil de los dientes no puede ser cualquiera, sino que debe ser cuidadosamente diseñado. Cuando dos perfiles de dientes cumplen la ley fundamental del engrane, se dice que son perfiles conjugados. Dentro de los infinitos perfiles conjugados, el más empleado por sus numerosas ventajas es el denominado perfil de evolvente.
Dimensiones
De geometría podemos definir los principales parámetros que definen un engrane:
- Diámetro primitivo (d): Aquel correspondiente a la circunferencia primitiva.
- Diámetro exterior (ademdun, de): Correspondiente a la circunferencia en la cual está inscrita la rueda dentada.
- Diámetro interior (dedemdun, di): Correspondiente a la circunferencia que limita interiormente los dientes.
- Paso circular (p): Es la distancia entre centros de dos dientes consecutivos, medida sobre la circunferencia primitiva.
- Módulo (m): Resulta de dividir el d (mm) entre el número de dientes de la rueda.
- Anchura del diente (b): Que coincidirá con el espesor del engranaje para dientes rectos.
- Ángulo de presión (φ): Formado por la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso.
Todas estas dimensiones estarán normalizadas en función del módulo y del tipo de dentado. Pero además para engranajes con tallado helicoidal se deberá definir un ángulo de hélice (β) y unos ángulos de conicidad para los de forma cónica.
Interferencia
La interferencia es un fenómeno que se produce cuando entran en contacto porciones de dientes de perfiles no conjugados. Para evitar la interferencia se pueden tomar varias alternativas: disminuir la base de los dientes, diseñar los engranajes con relación de contacto mayor a 1,2 o aumentar el ángulo de presión.
Esfuerzos en los Engranajes
La dirección de la fuerza transmitida (y por tanto recibida) por los dientes sigue la línea de acción que es tangente a las circunferencias base. Dicha fuerza podrá ser descompuesta según las direcciones tangencial y radial en función del ángulo de presión: (que creará un esfuerzo de flexión) y (esfuerzo de compresión). En los dientes helicoidales estas fuerzas a su vez deberán ser descompuestas según β.
Tolerancias Dimensionales
La calidad dimensional y el acabado superficial de los engranes va a estar directamente ligado con su deterioro, con la velocidad de giro permitida, su producción de ruido, su constancia en la relación de transmisión…etc. Por ello los engranajes de calidad una vez tallados son siempre rectificados para ajustar sus dimensiones. Las normas internacionales clasifican las tolerancias dimensionales, no sólo de la geometría de las ruedas individualmente, sino también de sus acoples con otra rueda.
Técnicas de Montaje
Las ruedas dentadas están formadas generalmente por dos partes: la parte exterior donde se encuentran los dientes (corona) y el cubo que es la parte mediante la rueda queda fijada al árbol de transmisión. Dos son las técnicas más comunes: con chavetas de calado y ajuste a presión.
Trenes de Engranajes
Cuando un piñón engrana con una rueda, esta última girará en sentido contrario al piñón y con una velocidad que dependerá de la relación entre los diámetros primitivos y por tanto del número de dientes de ambas ruedas. Cuando se quieren conseguir grandes cambios de velocidades entre ejes será conveniente el uso de un tren de engranajes.
Cajas de Velocidades
Entre las aplicaciones clásicas de los trenes de engranajes encontramos el sistema diferencial de los automóviles (que permite tomar una curva con igual momento tractor en ambas ruedas), el mecanismo amplificador de un reloj comparador y por supuesto las cajas de velocidades. Su misión será la de modificar la velocidad de rotación de un eje de entrada para conseguir una velocidad de salida variable escalonada.
Mantenimiento
Decíamos que una de las principales causas en el acortamiento de vida de los engranajes es la falta o deficiencia en su lubricación.