Mecanismos de engranajes (I): Definición y características

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Un mecanismo de engranajes, desde el punto de vista topológico, está formado por dos ruedas dentadas engranadas entre sí, formando un par de contacto lineal, unidas mediante un cierre de cadena. El movimiento de una rueda se transmite a la otra mediante el empuje de sus dientes.

engranajes1

Desde un punto de vista práctico, el engranaje se puede definir como el emparejamiento de ruedas con sus árboles, cojinetes y soportes correspondientes, siendo sus usos los siguientes:

  • Transmitir el movimiento de giro entre árboles
  • Variar la velocidad de giro (aumentar o reducir), uniendo varios engranajes en cascada
  • Modificar el sentido del movimiento

Existen muchos tipos de engranajes en función de diversos parámetros, como podemos ver en la siguiente tabla:

tabla tipos engranajes

En la imagen podemos ver diferentes tipos de engranajes:

engranaje2

A continuación vamos a estudiar las características constructivas y de montaje de los engranajes.

Los materiales que se emplean en la fabricación de engranajes son:

  • Fundición de acero, con buenas propiedades al desgaste
  • Aceros ordinarios
  • Aceros aleados
  • Bronces (para engranajes con problemas de corrosión)
  • Plásticos

Cabe destacar que la duración de una rueda dentada depende en gran medida de la calidad de su dentado, por lo que son decisivas la precisión de forma y calidad superficial de los flancos de diente.

El tallado de los dientes se puede realizar mediante:

  • Moldeo
  • Mecanizado (fresado, rectificado…)

Por otro lado, la conformación de la rueda en sí se puede realizar mediante:

  • Fundición
  • Soldadura

La fabricación de los engranajes se realiza de la siguiente manera:

  • Los engranajes pequeños se suelen fabricar sobre el propio árbol.
  • Los engranajes medianos se fabrican como cilindros macizos, con chaveteros y dientes tallados en la periferia.
  • Los engranajes grandes se fabrican con llantas, brazos y cubo para fijación al árbol con su chavetero correspondiente.

Los parámetros geométricos de una rueda dentada son los siguientes:

geometría engranaje1tabla geometría engranajes
En la tabla anterior se recogen todos los parámetros geométricos que definen el engranaje, así como las fórmulas necesarias para calcularlos si fuese necesario.

Es importante destacar que e y h, el espesor y hueco del diente, se miden directamente sobre las circunferencias primitivas, pero MÁS IMPORTANTE es saber que para que dos ruedas engranen, deben tener el mismo paso pase (Pb).

En función de la misión que realizarán nuestros engranaje, deberemos por ejemplo tener en cuenta la relación de trasmisión para definir el tamaño de cada engranaje en función de la velocidad final que queramos conseguir (lo veremos en la parte del estudio cinemático de engranajes). Cada engranaje podrá tener un tamaño distinto, pero siempre debemos recordar que el paso de ambos deberá ser el mismo.

Si estamos elaborando un proyecto en el que necesitemos un engranaje de unas determinadas características, podemos recurrir fácilmente a catálogos comerciales de empresas que fabrican este tipo de elementos. Sin embargo, imaginemos que somos nosotros los encargados de diseñar los engranajes para esa empresa, en ese caso, a parte de conocer los parámetros anteriormente mencionados, debemos conocer las medidas normalizadas. Existen por ejemplo módulos de 0.875, 1, 1.125, 1.25, 1.375, 1.5….6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, etc.

Por último vamos a ver las condiciones de montaje y mantenimiento de engranajes.

Las ruedas dentadas se montan en los árboles mediante:

  • Chavetas de calado
  • Ajuste a presión

En el primer caso, la chaveta, con forma de cuña se introduce en el chavetero a presión.

En el segundo caso se realiza un ajuste por interferencia. La penetración se realiza, bien calentando la rueda o bien enfriando el árbol. Con este sistema el reparto de presión es más uniforme.

En cuanto al mantenimiento, la lubricación está en función de la carga aplicada y velocidad de giro. Para bajas cargas y velocidades, la lubricación se realiza con grasas, mientras que para velocidades y cargas superiores empleamos aceite.

Los fallos en este tipo de elementos de máquinas son debidos normalmente a:

  • Desgaste
  • Fatiga superficial
  • Deformación plástica
  • Rotura por fatiga
  • Rotura frágil

Las causas que originan estos fallos pueden ser, entre otras:

  • Errores de diseño
  • Imperfecciones del material
  • Montaje y operaciones incorrectos

 

Bibliografía:

Apuntes de mecánica y teoría de mecanismos

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