Las transmisiones por engranajes están presentes en sectores tan diversos como el automovilístico, el aeronáutico, el minero o el siderúrgico, entre otros muchos.
A continuación conoceremos en qué consisten las transmisiones por engranajes, cuáles son los parámetros de su diseño o qué materiales se emplean para su fabricación.
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Qué son las transmisiones por engranajes: definición
Las transmisiones por engranajes son mecanismos formados por dos ruedas dentadas que se acoplan diente a diente y reciben el nombre de corona (en el caso de la mayor) y piñón (en el caso de la pequeña). Una ejerce de motriz o conductora, y la otra de conducida.
Son ampliamente utilizadas en maquinaria de precisión debido a la exactitud, en comparación con otros engranajes, que logran en la relación de transmisión.
Los pares elevados de fuerza a altas velocidades de giro se obtienen gracias a la rigidez y la gran dureza superficial de diversos materiales, destacando el acero templado, bajo un un tratamiento de cementación superficial.
Las transmisiones por engranajes destacan por su exactitud en la relación de transmisión, lo que las hace idóneas para maquinaria de precisión
La relación de transmisión en una transmisión por engranajes se puede establecer mediante la fórmula rt=ω2/ω1, donde:
- ω1 es la velocidad de giro la rueda conductora
- ω2 es la velocidad a la que gira la rueda conducida.
- Se denomina eje motor o ‘input’ a la rueda conductora solidaria al eje de entrada y ‘output’ a la rueda solidaria al eje de salida y conducida
Ventajas de las transmisiones por engranajes
Las transmisiones por engranajes reemplazan a las correas y poleas en numerosos usos, sobre todo industriales, debido a las ventajas que representan:
- Evitan la posibilidad de que se produzcan deslizamientos. Incluso a velocidades elevadas, las transmisiones por engranajes pueden funcionar sin que exista el riesgo de que se produzcan deslizamientos o de que ‘patinen’ debido a la tensión que se genera en el mecanismo. Esto evita averías y accidentes, además de hacer más precisa la transmisión de fuerzas.
- Tienen gran capacidad de transmisión de potencia. No sólo trasladan la potencia con gran eficiencia, sino que pueden hacerlo desde el eje de una fuente de energía hasta otro eje que se encuentre lejano. Esto ocurre, por ejemplo, en los motores de combustión interna.
- Larga vida útil con escaso mantenimiento. Las transmisiones por engranajes requieren de una lubricación periódica con aceites para que el calor que se genera por el rozamiento entre los dientes de ambas coronas no cause deterioro en el mecanismo. Con este mantenimiento es suficiente para obtener un rendimiento óptimo y prolongado.
- Utilizables en espacios reducidos. A diferencia de otros mecanismos de transmisión, los engranajes no requieren de un gran espacio y pueden utilizarse en lugares pequeños o de acceso complicado. Esto es especialmente útil en industrias como la automovilística o el vending.
Las transmisiones por engranajes evitan los deslizamientos, tienen gran capacidad de transmisión de potencia, una larga vida útil con escaso mantenimiento y se pueden emplear en espacios reducidos
Elementos de las transmisiones por engranajes: la geometría del diente
La geometría del diente de la rueda de un engranaje está determinada por una serie de variables, entre las que destacan:
1. Paso circular
En la circunferencia primitiva, es la distancia entre puntos homólogos correspondiente a dos dientes que se encuentren uno a continuación del anterior.
Por circunferencia primitiva se entiende la circunferencia por la que rodaría el engranaje sin deslizar. Recibe la denominación de p, y se puede calcular sumando el grosor del diente y el ancho que hay entre dos dientes de la rueda que se encuentren dispuestos de manera consecutiva.
2. Módulo
De esta variable, m, depende el buen engranaje de la corona y el piñón.
Responde a la fórmula m=d/Z, en la que m es el resultado de dividir el diámetro primitivo por el número de dientes.
m = d/Z
3. Paso diametral o dp
Expresado en pulgadas, es el cociente entre el número de dientes y el diámetro primitivo.
4. Circunferencia de cabeza o Ra
Es el contorno exterior que alcanzan los dientes.
5. Circunferencia de pie o Rf
Es el contorno que limita el espacio existente entre los dientes por la parte inferior.
6. Adendo o ha
Es la distancia radial que existe entre la cabeza del diente y la circunferencia primitiva. También recibe la denominación de ‘altura de cabeza’.
7. Dedendo o hf
Es la distancia radial que existe entre la circunferencia primitiva y la raíz del diente. Es llamada también ‘altura de pie’.
8. Altura total o h
Es el total de las alturas de pie y de cabeza.
9. Juego lateral
Cuando dos dientes se engranan, permanece un espacio libre que recibe la denominación de holgura o juego lateral.
Otras variables relevantes de la geometría del diente son la tolerancia (c); la altura de trabajo (hw); el hueco (e); el espesor del diente (s); la cara del diente; el flanco del diente; la anchura de flanco (b) o el ángulo de presión (α)
Parámetros de diseño en los engranajes
Los principales parámetros que definen la relación de transmisión son:
– Condición de engrane
La condición de engrane se cumple cuando la línea de presión, que es la superficie en la que entran en contacto los dientes, pasa en todo momento por un punto fijo dentro de la línea definida de centros. En concreto:
- Es la situación en la que la línea imaginaria que une los dos centros de rotación de los engranajes pasa en todo momento por el punto O.
- Este punto 0 es el punto de contacto entre los dos dientes que se engranan en una trazada normal.
- Debe producirse, además, una coincidencia de longitud entre los radios primitivos de los engranajes y la distancias que va del punto O a los centros respectivos.
– Coeficiente de recubrimiento
La relación de contacto (ε) refleja la media de dientes que se mantienen en contacto en todo momento.
Para obtener un funcionamiento eficaz y poco ruidoso, lo habitual es que ε > 1,2
El coeficiente de recubrimiento es el resultado de dividir el arco de acción por el paso base, siendo el arco de acción la suma del arco de aproximación (qa) con el arco de retroceso (qb), y el paso base.
– Relación de transmisión
La relación de transmisión (rt) es el resultado de la división entre la velocidad de salida y la velocidad de entrada (rt = ω2 / ω1).
Dicho de otro modo, es la relación entre las velocidades de rotación de ambos engranajes.
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En ocasiones se emplean transmisiones por engranajes con varias etapas. Según sea la relación entre los dos ejes que se quiera obtener, se utilizará un número concreto de etapas.
¿Cómo se fabrican los engranajes?
El proceso de fabricación de los engranajes se desarrolla en varias fases. En función del tipo de dispositivo que se desee obtener, se seguirán una serie de pautas:
- Mecanizado. El mecanizado de engranajes es el proceso mediante el cual se obtienen las ruedas dentadas, ya sean en materiales metálicos, poliméricos u otros. Las fresadoras y los tornos preparan previamente, en función del uso que vayan a recibir, los engranajes.
- Inyección. La inyección se utiliza para los engranajes de plástico, que se encuentran en un momento de crecimiento debido a las ventajas que ofrece este material. Es un tipo de fabricación que proporciona una alta calidad y la mayor precisión en los parámetros geométricos.
Formas de lubricación de los engranajes
Durante el funcionamiento de un engranaje, la fuerza de choque entre los dientes que se engranan debe ser reducida para asegurar la durabilidad del mecanismo. Por otra parte, esta fuerza produce un rozamiento constante y suele presentar irregularidades en las superficies de esos dientes.
Para que todo ello no reduzca la vida útil de los engranajes y estos se mantengan operativos en óptimas condiciones el máximo tiempo posible se recurre a la lubricación.
Además de para evitar la corrosión de los dientes, la lubricación se emplea para sustraer el calor y disminuir las tensiones por contacto
Las principales formas de lubricación de las transmisiones por engranajes son:
- La inmersión en aceite lubricante
- La lubricación a presión
- La lubricación periódica de acuerdo con un plan de mantenimiento establecido
Tanto la lubricación por inmersión como la lubricación a presión se efectúan en transmisiones cerradas, mientras que la lubricación periódica se reserva para transmisiones abiertas.
¿Cuáles son los materiales de fabricación de los engranajes?
Aceros, plásticos, fundición gris, aluminio…, existen numerosos materiales que se emplean para la fabricación de engranajes.
Dentro de los aceros, podemos diferenciar entre:
- Aceros inoxidables forjados
- Aceros de alta resistencia
- Aleaciones de aluminio fundidas o forjadas
- Otras alternativas son las aleaciones base cobre y las aleaciones de magnesio
Los engranajes fabricados en acero, sometidos posteriormente a un tratamiento de templado y otro de cementación, se emplean cuando se necesitan transmitir grandes fuerzas y en circunstancias de especial exigencia en cuanto a la durabilidad.
El acero sometido a un tratamiento templado es uno de los materiales más empleados en la fabricación de engranajes
Por otro lado, el uso de plásticos ignífugos está cada vez más extendido, destacando el policarbonato (PC), la poliamida o el PVC, así como las resinas acetálicas. Entre los no combustibles, los más utilizados son la polieteretercetona PEEK, el politetrafluoroetileno (PTFE) y los polímeros de cristal líquido (LCP).
Además, ya empiezan a existir polímeros de altas prestaciones, como:
- PPS – Sulfuro de polifenileno
- PEI – Polieterimida
- PVDF – Fluoruro de polivinilideno
- PES – Polietersulfona
- PI – Poliimida
- PPSU – Polifenilsulfona
- PSU – Polisulfona
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Cómo elegir el proveedor y las transmisiones adecuadas
La elección de la transmisión más adecuada determina el éxito de su funcionamiento. Pero no solo eso, sino que el rendimiento de la maquinaria estará condicionado por cuál es el tipo de mecanismo con el que trabaja.
También la precisión y la durabilidad de la propia transmisión dependerá de si el material en el que ha sido fabricado es el idóneo para las condiciones de exigencia en las que va a trabajar.
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