Transmisión por Engranajes Cilíndricos

Hoy hablaremos sobre las características generales y la metodología de cálculo de las transmisiones por engranajes cilíndricos. Analizaremos los principios generales de funcionamiento, clasificación, proceso de transmisión de la carga, tipos de deterioros, correcciones, materiales y las soluciones constructivas donde se puede aplicar.

Las transmisiones por engranajes cilíndricos son un tipo de sistema de transmisión mecánica que utiliza engranajes con forma cilíndrica para transferir la potencia de un eje de entrada a un eje de salida.

Los engranajes cilíndricos, generalmente, pueden ser de dos tipos: rectos y helicoidales. Los engranajes rectos tienen dientes rectos que se alinean con el eje del engranaje, mientras que los engranajes helicoidales tienen dientes en ángulo que se asemejan a una hélice.

Las transmisiones por engranajes cilíndricos son muy comunes en maquinarias pesadas y vehículos como automóviles, camiones y maquinaria agrícola. Estas transmisiones son conocidas por su alta eficiencia y capacidad de transmitir grandes cantidades de potencia.

Este tipo de transmisiones se encuentran dentro del grupo en las cuales el enlace entre el elemento motriz y el movido se realiza a través del contacto directo. La potencia en estas transmisiones se transmite mediante el contacto directo de los dientes de una pareja de ruedas cuyo dentado puede ser exterior o interior.

Ventajas de las trasmisiones por engranaje cilíndrico

Una de las ventajas de las transmisiones por engranajes cilíndricos es que la velocidad de entrada y salida puede ser modificada mediante el uso de diferentes tamaños de engranajes. Además, las transmisiones por engranajes cilíndricos son más silenciosas y duraderas que otros tipos de transmisiones mecánicas.

• Elevado rendimiento.
• Pequeñas dimensiones.
• Elevada fiabilidad.
• Relación de transmisión constante
• Carga sobre árboles y cojinetes relativamente pequeña.
• Mantenimiento sencillo.

Desventajas de las transmisiones por engranaje cilíndrico

Sin embargo, las transmisiones por engranajes cilíndricos también tienen algunas desventajas. Por ejemplo, pueden generar vibraciones y ruido a altas velocidades, y pueden ser costosas y complicadas de reparar o reemplazar en caso de falla.

• Tecnología de fabricación precisa y costosa.
• Poca amortiguación de las cargas dinámicas, producto a la elevada rigidez de los dientes.
• Ruidosos a altas velocidades.

Tipos de transmisiones por engranajes cilíndricos

¿Cómo y cuáles son los aspectos que permiten la clasificación de este tipo de transmisiones?

De acuerdo a la forma de los dientes:

1. Dientes rectos
2. Dientes oblicuos
3. Dientes circulares

De acuerdo a la velocidad periférica

1. Lentas V< 3 m/s
2. Medias V entre 3 a 15 m/s
3. Rápidas V > 15 m/s

Según la configuración constructiva de la armazón

1. Abiertas.
2. Cerradas (cajas de velocidades, reductores de velocidad).

Según el perfil de los dientes utilizados

1. Evolvente.
2. Cicloidal.

¿Cómo es que ocurre el funcionamiento de un par de ruedas dentadas?

1. Un punto inicial del pie del diente de la rueda conductora entra en contacto con un punto correspondiente al diámetro de cabeza de la rueda conducida.
2. Este punto inicial de contacto se desplaza sobre una línea recta en el tramo que comprende la línea práctica del engranaje (el cual termina cuando esta línea recta se corta con el diámetro exterior de la rueda conductora).

Antes de que esta pareja de dientes termine su trayectoria, otra pareja de dientes habrá comenzado su propio recorrido. Este proceso de transición de la carga de una pareja de dientes a otra es esencial para la transferencia suave y constante de la potencia a través de la transmisión.

Durante el recorrido, la carga se transmite a través de una sola pareja de dientes durante una parte del trayecto. A medida que los dientes se separan, la carga se distribuye entre dos parejas de dientes, lo que ayuda a disminuir el desgaste y la fatiga de los dientes individuales. De esta manera, la transmisión de la carga se mantiene constante y uniforme a lo largo de todo el trayecto, lo que contribuye a la durabilidad y eficiencia de la transmisión en general.

El coeficiente de recubrimiento frontal ξα es quien determinada la proporción existente entre estas dos partes

ξα ≥ 1.2

¿De qué dependerá el reparto de la carga normal Pn entre los pares de dientes?

Suponiendo que el paso principal y perfil de los dientes haya sido elaborado con exactitud… Dependerá de la rigidez de los pares de dientes y será directamente proporcional a la misma en la dirección de la línea de engranaje.

P_par = C_par ∆l

En el punto #1 en el momento de contacto, debido a la poca rigidez a la flexión, la carga P_par no será grande, pero al desplazarse la línea de contacto hacia la base del diente su rigidez crecerá y la carga P_par aumentará. Pero la carga no será trasmitida por un solo par de dientes en su recorrido.

Existirá conforme a lo analizado un período en que toda la carga será transmitida por el par₁, al mismo tiempo, que el par₂ empieza su recorrido, ocurre todo lo contrario a lo explicado en el par₁.

Fórmulas para conocer la ley de distribución de la carga

Si se trata de un engranaje recto, la línea de contacto variará un 100% y será:

Para una pareja de dientes engranados.

 

Para dos parejas de dientes engranados.

Distribución de Carga en dientes Oblicuos

Esto no se cumplirá en el caso de dientes oblicuos, ya que en este caso se van desplazando las líneas de contacto a través de toda el área del diente.

Px = Paso axial

Longitud sumaria de la línea de contacto L:

λ = Coeficiente de oscilación de la línea de contacto.

λ = Entre 0,95 a 1,00

1. La variación de la línea de engranaje en este caso es mucho menor que la de los engranajes rectos, se alcanza como máximo un 10 % de variación de la misma y con el fin de disminuir oscilaciones del largo sumario de las líneas de contacto conviene hacer (bw) un múltiplo de Px.
2. Por dicha razón el engranaje de dientes oblicuos es mucho más suave en su funcionamiento que el engranaje que el engranaje de dientes rectos, así como se admiten velocidades de trabajo mayores.
3. Para evitar que por imprecisiones de fabricación el engranaje oblicuo funcione como un engranaje recto debe garantizarse que:

Tipos de deterioros fundamentales en las trasmisiones por engranaje cilíndrico.

Causas fundamentales de los deterioros:

1. Son superficies curvilíneas sometidas a grandes fuerzas normales. (sin considerar el rozamiento).
2. Sometidas a rodadura pura.
3. Sometidas a deslizamiento

Nota: Por tanto, están sometidas a esfuerzo de contacto superficial.

¿Cuáles van a ser los tipos de deterioros fundamentales a los que van a estar sometidos los engranajes?

• Deformación local (Pitting): Se caracteriza porque en la zona polar aparecen orificios alveolares, en transmisiones cerradas con aceite, producto de la presión del aceite se amplían en área estos orificios, hasta que el fenómeno se produce en toda el área de contacto. Se produce normalmente al cabo de unos cuantos millones de ciclos de trabajo. Se conoce también como fenómeno de fatiga superficial.
• Fractura del diente: La carga (Pn) actúa de forma intermitente por el funcionamiento del engranaje. Es decir, somete el diente a flexión con una componente a tracción. Por lo tanto, constituye también un fenómeno de fatiga.
• Desgaste adhesivo: Es un fenómeno molecular que radica en adherencia a la capa del material más blando, del material más duro. No constituye un fenómeno de fatiga sino de adhesión molecular que aumenta con la fricción.
• Desgaste abrasivo: Constituye un desprendimiento del material y está relacionado con la fractura del diente, pues este desgaste es mayor en la cabeza y la base del diente, es decir, disminuye el área aumentando el esfuerzo de flexión provocando la fractura del mismo. Típico de las transmisiones abiertas.

¿Cómo podemos obtener características más altas en engranajes de evolvente al peso mínimo?

Mediante el tallado de las ruedas con desplazamiento, a lo que se le llama, correcciones. Los parámetros fundamentales lo constituyen como se conoce de TM. los coeficientes de corrección x₁ para el piñón  y  x₂  para la rueda, que determinan en definitiva la magnitud del desplazamiento para la herramienta (x_m), respecto a la pieza bruta finalizando el tallado de los dientes, es decir al variar las dimensiones relativas de los dientes.

Influencia de las correcciones

¿Cuántos tipos de correcciones pueden ser empleadas y cuáles son las características fundamentales?

• Corrección en altura: El desplazamiento de la altura de ambos elementos es igual a cero porque:

X₁ + X₂ = 0

• Corrección angular: El desplazamiento de la altura de ambos elemento es distinto de cero porque:

X₁ + X₂ ≠ 0

Altura:

α = Angulo del perfil (Característica de cada rueda)

Angular:

¿Cuáles son los aspectos fundamentales que se solucionan con la corrección?

• Con corrección positiva (angular): Aumenta el área y, por lo tanto, disminuye el σ de contacto.
• Con corrección en altura: Aumenta la resistencia a la rotura por flexión (menor brazo).
• La corrección positiva: Permite fijar una distancia interaxial en un valor deseado para una transmisión:

a) En algunos casos cuando la (a) de la transmisión es prefijada.

b) Al sustituir una trasmisión que se malogre.

¿Cómo seleccionar entonces el tipo de corrección?

Debe seleccionarse según el tipo de deterioro que más influirá en el funcionamiento de la transmisión, siendo imposible seleccionar un tipo que satisfaga todos los deterioros.

1. Resistencia a la picadura (Pitting): Aumentar los radios de curvaturas de los dientes y aumentar la línea de engranaje de forma tal que en la zona cercana al polo actúen dos parejas de dientes, se resuelve con una corrección (positiva), (angular).
2. Resistencia a la rotura: Aumentar el ancho de la base del diente con una corrección en altura, aunque esta debe limitarse por el afilado de los dientes y disminución excesiva del coeficiente de recubrimiento.
3. Resistencia al agarramiento (adhesivo) y desgaste: Puede incrementarse con una corrección que disminuya la velocidad de deslizamiento máxima que existe en los extremos de las ruedas, o sea de la línea de engranaje.

¿Cuáles son las características fundamentales que deben presentar los materiales empleados para la fabricación de ruedas dentadas?

Materiales que se emplean para la fabricación de ruedas dentadas.

1. Maquinabilidad
2. Resistencia mecánica (Volumétrica y superficial).
3. Ductilidad. Para soportar las cargas dinámicas.

¿Cuáles son los materiales que van a reunir estas condiciones?

1. Plásticos
2. Fundiciones
3. Aceros: Son los más utilizados por sus buenas propiedades mecánicas, diversidad y amplia gama de posibilidades que brindan los tratamientos térmicos y termoquímicos que permiten lograr las condiciones adecuadas para cada caso en particular.

¿Cuántos grupos de ruedas dentadas se van a distinguir de acuerdo a los materiales y tratamientos térmicos y termoquímicos utilizados?

I-Grupo

Ruedas blandas HB ≤ 350

Son utilizadas en transmisiones de poca capacidad de carga, maquinándose después del tratamiento térmico.

Materiales: – Ac al carbono: CK35 y CK45 (Norma DIN)

                   -Ac aleado: 40X y 40XH (Norma GOST)

Tratamiento térmico: Normalización y  Mjto.

II-Grupo

 Ruedas duras   HB ≥ 350

Se emplean para transmisiones compactas de gran capacidad de carga. Se maquinan antes del tratamiento térmico, por lo que requieren rectificado posterior salvo en el caso de la nitruración y cianuración porque las deformaciones son pequeñas.

Materiales: (Norma GOST)

Ac al carbono: 45 y 55 (Temple volumétrico o superficial)

Ac aleados: 40X, 40XH, 40XH2MA (Temple volumétrico o superficial)

   15X, 20X, 12XH3A (Cementacion y temple posterior)

                  30X     0MA (Mejoramiento previo, Nitruración)

                    25XAM, 25XAT (Cianuración con alta temperatura, requiere temple con baja temperatura, requiere mejoramiento previo).

Por último debemos señalar lo siguiente:

Aceros fundidos: Se reserva para ruedas de grandes dimensiones. Empleándose aceros de contenido medio de carbono normalizado, los más comunes son: 35A, 45A, 55.

HoFo gris: Para transmisiones de baja capacidad de carga y pequeñas velocidades de trabajo.

Plásticos: Transmisiones de baja carga y funcionamiento silencioso.

-Construcciones típicas de ruedas dentadas.

Ruedas: Por lo general, independiente de los árboles.

Piñones: Independientes df — diámetro del árbol ≥ 6mm 

               Solidarios  df– diámetro del árbol ≤ 6mm

Tecnología de fabricación de las ruedas dentadas

Depende de sus dimensiones:

1. Sí, da ≤ 500 mm —- Forja o estampa (Con agujero).
2. Sí, da ≥ 500 mm —- Fundición (Con rayos).
3. Ruedas grandes con da ≥ 2000 mm y b ≥ 600 mm se recomienda fabricarlas con el cubo partido para impedir que los rayos se rompan al enfriarse. Si el dentado posee calidad se fabrica un suncho de acero de calidad para el mismo y el núcleo se elabora de hierro fundido gris ordinario.