Caculo y diseño de elementos de máquinas II

Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 1
Introducción
El engranaje es una rueda o cilindro dentado empleado para transmitir un movimiento giratorio o alternativo
desde una parte de una máquina a otra. Un conjunto de dos o más engranajes que transmite el movimiento
de un eje a otro se denomina tren de engranajes. Los engranajes se utilizan sobre todo para transmitir
movimiento giratorio, pero usando engranajes apropiados y piezas dentadas planas pueden transformar
movimiento alternativo en giratorio y viceversa. Hay varios tipos de engranajes, En un engranaje sencillo, el
eje impulsado gira en sentido opuesto al eje impulsor (piñón corona). Si se desea que ambos ejes giren en
el mismo sentido se introduce una rueda dentada denominada 'rueda loca' entre el engranaje impulsor y el
impulsado. En cualquier sistema de engranajes, la velocidad del eje impulsado depende del número de
dientes de cada engranaje. Un engranaje con 10 dientes movido por un engranaje con 20 dientes girará dos
veces más rápido que el engranaje impulsor, mientras que un engranaje de 20 dientes impulsado por uno de
10 se moverá la mitad de rápido. Empleando un tren de varios engranajes puede variarse la relación de
velocidades dentro de unos lÃ−mites muy amplios. Los engranajes interiores o anulares son variaciones del
engranaje recto en los que los dientes están tallados en la parte interior de un anillo o de una rueda con
reborde, en vez de en el exterior. Los engranajes interiores suelen ser impulsados por un piñón, un
engranaje pequeño con pocos dientes. La cremallera (barra dentada plana que avanza en lÃ−nea recta)
funciona como una rueda dentada de radio infinito y puede emplearse para transformar el giro de un piñón
en movimiento alternativo, o viceversa.
Los engranajes cónicos, asÃ− llamados por su forma, tienen dientes rectos y se emplean para transmitir
movimiento giratorio entre ejes no paralelos, y también están los engranajes helicoidales, los dientes de
éstos no son paralelos al eje de la rueda dentada, sino que se enroscan en torno al eje en forma de hélice.
Estos engranajes son apropiados para grandes cargas porque los dientes engranan formando un ángulo
agudo, en lugar de 90º como en un engranaje recto. Los engranajes helicoidales sencillos tienen la
desventaja de producir una fuerza que tiende a mover las ruedas dentadas a lo largo de sus ejes. Los
engranajes hipoides son engranajes cónicos helicoidales utilizados cuando los ejes son perpendiculares pero
no están en un mismo plano. Otra variación del engranaje helicoidal es el engranaje de husillo, también
llamado tornillo sin fin.
Fuente: www.itescam.edu.mx / www.electronicaestudio.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 2
Tipos y formas de engranajes
Las ruedas dentadas transmiten el movimiento giratorio de un eje a otro, mediante arrastre de forma de los
dientes que engranan; por lo tanto, a diferencia de los acondicionamientos por abrazamiento, no llevan
elementos de transmisión de movimiento tales como correas o cadenas. Cuando se emparejan dos o más
ruedas, se tiene un engranaje. Se denominan engranajes fijos si la transmisión es invariable como en entre
maquinas de fuerzas y maquinas de trabajo, engranajes de cambio de velocidad, cuando permiten variar las
relaciones de transmisión engranando y desengranado diversas ruedas como maquinas herramientas y
vehÃ−culos automóviles; y engranajes de distribución en él caso de que se accionen simultáneamente
varios ejes.
1
Los engranajes se clasifican en tres grupos:
• Engranajes cilÃ−ndricos
• Engranajes cónicos
• Tornillo sin fin y rueda helicoidal
Atendiendo a la posición relativa de los ejes, se obtienen las diversas formas básicas de las ruedas que
estudiaremos a continuación:
• Engranajes cónicos rectos
• Engranaje cónico hipoide
• Engranaje cilÃ−ndrico bi -helicoidal
• Engranajes cilÃ−ndricos helicoidales
• Tornillo sin fin
• Piñón-cremallera
Fuente: www.scribd.com / www.oepm.es / html.rincondelvago.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 3
Engranajes cónicos rectos
Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°. Estos engranajes generan mas ruido
que los engranajes cónicos helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas en forma de reparación. En la
actualidad se usan escasamente. Los engranajes de diente recto son mas simples de producir y por ello mas
baratos, la transmisión del movimiento se realiza por medio de los dientes, quienes se empujan sin resbalar.
La ventaja de los helicoidales es la falta de juego entre dientes que provoca un funcionamiento silencioso y
preciso.
.
Engranaje cónico hipoide
Parecidos a los cónicos helicoidales, se diferencian en que el piñón de ataque esta descentrado con
respecto al eje de la corona. Esto permite que los engranajes sean más resistentes. Este efecto ayuda a
reducir el ruido del funcionamiento. Se utilizan en maquinas industriales y embarcaciones, donde es necesario
que los ejes no estén al mismo nivel por cuestiones de espacio. Una de las aplicaciones más corrientes del
engranaje hipoide es para conectar el árbol de la transmisión con las ruedas en los automóviles de
tracción trasera. Un engranaje hipoide es un grupo de engranajes cónicos helicoidales formados por un
piñón reductor de pocos dientes y una rueda de muchos dientes, que se instala principalmente en los
vehÃ−culos industriales que tienen la tracción en los ejes traseros. Tiene la ventaja de ser muy adecuado
para las carrocerÃ−as de tipo bajo, ganando asÃ− mucha estabilidad el vehÃ−culo. Por otra parte la
disposición helicoidal del dentado permite un mayor contacto de los dientes del piñón con los de la
corona, obteniéndose mayor robustez en la transmisión. Su mecanizado es muy complicado y se utilizan
para ello máquinas talladoras especiales
Fuente: html.rincondelvago.com / www.scribd.com / demaquinas.blogspot.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
2
Pagina: 4
Engranaje cilÃ−ndrico bi -helicoidal
Cumplen la función de dos engranajes helicoidales. Poseen las ventajas de los cilÃ−ndricos helicoidales, o
sea bajo ruido y alta resistencia. Al igual que los engranajes helicoidales se utilizan en las cajas de reducción
donde se requiere bajo ruido. Ejemplo: reductores de plantas de procesamiento de cemento. Este tipo de
engranajes fueron inventados por el fabricante de automóviles francés André Citroën, y el objetivo
que consiguen es eliminar el empuje axial que tienen los engranajes helicoidales simples. Los dientes de los
dos engranajes forman una especie de V. Los engranajes dobles son una combinación de hélice derecha e
izquierda. El empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los engranajes helicoidales es una
desventaja de ellos y ésta se elimina por la reacción del empuje igual y opuesto de una rama simétrica
de un engrane helicoidal doble. Un engrane de doble hélice sufre únicamente la mitad del error de
deslizamiento que el de una sola hélice o del engranaje recto. Toda discusión relacionada a los engranes
helicoidales sencillos (de ejes paralelos) es aplicable a los engranajes helicoidales dobles, exceptuando que el
ángulo de la hélice es generalmente mayor para los helicoidales dobles, puesto que no hay empuje axial.
Con el método inicial de fabricación, los engranajes dobles, conocidos como engranajes de espina,
tenÃ−an un canal central para separar los dientes opuestos, lo que facilitaba su mecanizado. El desarrollo de
las máquinas talladoras mortajadoras por generación, tipo Sykes, hace posible tener dientes continuos, sin
el hueco central. Como curiosidad, la empresa Citroën ha adaptado en su logotipo la huella que produce la
rodadura de los engranajes helicoidales dobles.
fuente: demaquinas.blogspot.com/ rincondelvago.com / www.scribd.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 5
Engranajes cilÃ−ndricos helicoidales
Son aquellos en donde se forma un ángulo entre el recorrido del diente y el eje axial, con el fin de asegurar
una entrada progresiva del contacto entre diente y diente. En estos engranajes se reduce el ruido y se aumenta
la resistencia de los dientes. Estos engranajes se utilizan generalmente en las cajas reductoras. Caja de
velocidades en automóviles. TeorÃ−a de los engranajes helicoidales: si sé Rueda un plano en un cilindro
base, un linear en el plano paralelo al eje del cilindro genera la superficie de un diente de engranaje
cilÃ−ndrico de involuta. Sin embargo, si la lÃ−nea generatriz se inclina al eje, se genera la superficie de un
diente de engranaje helicoidal. Los engranajes helicoidales se emplean para conectar flechas paralelas y que
no-se intersectan. El primer caso se conoce como engranajes helicoidales paralelas y el segundo como
engranajes helicoidales cruzados. Al determinar las proporciones de los dientes de un engranaje helicoidales
tanto para flechas cruzadas como paralelas es necesario tener en cuenta la forma como se cortan los dientes.
Tornillo sin fin
Permiten la transmisión de potencia sobre ejes perpendiculares. Es un caso extremo de engranajes
hipoidales, ya que esta descentrado al máximo. Se aplica para abrir puertas automáticas de casas y edificios
Poseen además un bajo costo y son autobloqueantes. Es decir que es imposible mover el eje de entrada a
través del eje de salida. La norma común al perfil del diente en el punto de contacto debe pasar siempre
por un punto fijo, llamado punto de tangencia, con el fin de mantener constante la razón de las velocidades
de los dos engranajes. El accionamiento de tornillo sin fin son engranajes helicoidales para ejes cruzados casi
siempre a 90º. El tornillo sinfÃ−n motor de uno o varios filetes de rosca, se construye cilÃ−ndrico y la
rueda accionada. Si bien los tornillos sinfÃ−n trabajan con un gran descubrimiento del perfil. Se prefieren los
sinfines cilÃ−ndricos a causa de su fácil fabricación; por esta razón, aquÃ− solamente se trataran estos
3
últimos. Los dientes de los tornillos sinfÃ−n se arrollan como las roscas de un tornillo alrededor del cuerpo
de rodadura. Sus flancos a diferencia de los engranajes helicoidales con ruedas rectas de dientes inclinados,
tocan linealmente los dientes de la rueda. Por eso, marchan más silenciosos que estos últimos y se
desgastan también menos. Los engranajes de tornillo sinfÃ−n se construyen casi siempre con grandes
relaciones de transmisión.
Fuente: www.scribd.com / demaquinas.blogspot.com / mk-tronic.wikispaces.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 6
Piñón-cremallera
El mecanismo piñón-cremallera tiene por finalidad la transformación de un movimiento de rotación o
circular (piñón) en un movimiento rectilÃ−neo (cremallera) o viceversa. Este mecanismo como su mismo
nombre indica está formado por dos elementos componentes que son el piñón y la cremallera.
• El piñón es una rueda dentada normalmente con forma cilÃ−ndrica que describe un movimiento
de rotación alrededor de su eje.
• La cremallera es una pieza dentada que describe un movimiento rectilÃ−neo en uno u otro sentido
según la rotación del piñón.
El mecanismo piñón-cremallera funciona como un engranaje simple, esto significa que tanto la cremallera
como el piñón han de tener el mismo paso circular y, en consecuencia, el mismo módulo. El mecanismo
piñón-cremallera tiene distintas aplicaciones como las que vamos a exponer a continuación. La primera
aplicación que podemos dar al mecanismo piñón-cremallera es en la dirección de un automóvil. Otra
aplicación también de este mecanismo es en la taladradora de columna. El mecanismo de cremallera
aplicado a los engranajes lo constituyen una barra con dientes la cual es considerada como un engranaje de
diámetro infinito y un engranaje de diente recto de menor diámetro, y sirve para transformar un
movimiento de rotación del piñón en un movimiento lineal de la cremallera. Quizás la cremallera más
conocida sea la que equipan los tornos para el desplazamiento del carro longitudinal.
Fuente: demaquinas.blogspot.com/ rincondelvago.com / www.scribd.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 7
Fabricacion de engranajes
Pueden obtenerse por moldeo o por talla de muy variadas materias: aceros especiales, hierro colado, bronce,
latón, aleaciones de aluminio, nailon, madera e incluso tejidos y papeles baquelizados bajo presión. Los que
se obtienen vaciando metal en moldes apropiados son menos costosos, pero, al carecer de precisión,
requieren ser montados con mucho juego y son, por ende, ruidosos. Sólo convienen para maquinaria
agrÃ−cola, grúas y otros mecanismos en los que funcionan a velocidades moderadas. La talla de las ruedas
dentadas se efectúa con máquinas especiales y a veces son simples fresadoras de cabezal divisor. Con la
fresadora, los mejores resultados se obtienen, no ya con la fresa de perfil constante, sino con otra en forma de
tornillo sin fin poliroscado y varias veces interrumpido para formar otros tantos filos cortantes. Esa fresa de
rodadura gira sobre su eje horizontal y sus dientes atacan al contradentado de la rueda a labrar que gira sobre
un eje vertical. En la talla por generación el útil consiste en un peine cuyos dientes cortantes labran la pieza
merced a un movimiento alternativo de traslación paralelo al eje de la pieza. Como ésta gira al mismo
4
tiempo, el movimiento relativo de la herramienta y el de la rueda que se labra es semejante al de un engranaje
de piñón y cremallera. En otros casos el útil actúa mortajadora y sus dientes cortantes van ahondando
más y más las entredientes de la pieza a medida que el eje de ésta y el de la herramienta se van
acercando. Los dientes, con perfecta que haya sido su talla, nunca están exentos de estrÃ−as, asperezas y
deformaciones. Por lo demás, aunque fueran perfectos, sufrirÃ−an deformaciones al ser templados. Es
consiguientemente imprescindible someterlos a ulteriores operaciones de rectificación. Los procedimientos
corrientemente aplicados con dicho fin son: el esmerilado con muelas especiales, muy finas, a las cuales,
tallándolas con diamantes, se ha conferido el perfil exacto del entrediente; el lapeado, que es un esmerilado
con un abrasivo tan finÃ−simo que se llegan a respetar tolerancias del orden de la milésima de
milÃ−metro; el bruñido, consistente en montar la ruedas y piñones en su posición de trabajo hasta que se
consume el desgaste de sus asperezas. Los engranajes perfectamente tallados y rectificados no disipan por
fricción más del 1% o, a lo sumo, 2% de la energÃ−a mecánica transmitida.
Fuente: www.refacciones.us / html.rincondelvago.com/engranajes
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 8
Distintos materiales se utilizan para la construcción de los engranajes pudiendo ser éstos fundición de
hierro, acero, bronce, aluminio, materiales sintéticos, como el teflón, por ejemplo, etc. Debido al constante
rozamiento entre las superficies en contacto, éstas están expuestas al desgaste, motivo por el cual son
endurecidas mediante tratamientos térmicos de endurecimiento superficial como es el caso del cementado
de los aceros. A los efectos de evitar el desgaste, el engrane está continuamente lubricado, lo que además
lo refrigera, favoreciendo la transmisión del movimiento a elevada velocidad. Los engranajes son
construidos mediante el fresado o tallado, de acuerdo a normas especÃ−ficas. Para el cálculo de las
dimensiones, resistencia y caracterÃ−sticas se debe conocer previamente: distancia entre los ejes de las ruedas
dentadas, número de vueltas por minuto de la rueda motora, relación de transmisión y fuerza tangencial
que se debe transmitir. Tallado de dientes: Como los engranajes son unos mecanismos que se incorporan en la
mayorÃ−a de máquinas que se construyen y especialmente en todas las que llevan incorporados motores
térmicos o eléctricos, hace necesario que cada dÃ−a se tengan que mecanizar millones de engranajes
diferentes, y por lo tanto el nivel tecnológico que se ha alcanzado para mecanizar engranajes es muy elevado
tanto en las máquinas que se utilizan como en las herramientas de corte que los conforman. Antes de
proceder al mecanizado de los dientes los engranajes han pasado por otras máquinas herramientas tales
como tornos o fresadoras donde se les ha mecanizado todas sus dimensiones exteriores y agujeros si los
tienen, dejando los excedentes necesarios en caso de que tengan que recibir tratamiento térmico y posterior
mecanizado de alguna de sus zonas. El mecanizado de los dientes de los engranajes a nivel industrial se
realizan en máquinas talladoras construidas ex-profeso para este fin, llamadas fresas madres. Cuando los
ingenieros diseñan una máquina, un equipo o un utensilio, lo hacen mediante el acoplamiento de una serie
de componentes de materiales diferentes y que requieren procesos de mecanizado para conseguir las
tolerancias de funcionamiento adecuado. La suma del coste de la materia prima de una pieza, el coste del
proceso de mecanizado y el coste de las piezas fabricadas de forma defectuosa constituyen el coste total de
una pieza. Desde siempre el desarrollo tecnológico ha tenido como objetivo conseguir la máxima calidad
posible de los componentes asÃ− como el precio más bajo posible tanto de la materia prima como de los
costes de mecanizado. Para reducir el coste del mecanizado de los engranajes se ha actuado en los siguientes
frentes:
• Conseguir materiales cada vez mejor mecanizables, materiales que una vez mecanizados en blando
son endurecidos mediante tratamientos térmicos que mejoran de forma muy sensible sus
prestaciones mecánicas de dureza y resistencia principalmente.
• Conseguir herramientas de corte de una calidad extraordinaria que permite aumentar de forma
5
considerable las condiciones tecnológicas del mecanizado, o sea, más revoluciones de la
herramienta de corte, más avance de trabajo, y más tiempo de duración de su filo de corte.
Fuente: www.escuelaraggio.edu.ar / www.wikipedia.com / tecnologiamecanica.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 9
• Conseguir talladoras de engranajes más robustas, rápidas, precisas y adaptadas a las necesidades de
producción que consiguen reducir sensiblemente el tiempo de mecanizado asÃ− como conseguir
piezas de mayor calidad y tolerancia más estrechas.
Para disminuir el Ã−ndice de piezas defectuosas se ha conseguido automatizar al máximo el trabajo de las
talladoras, construyendo talladoras automáticas muy sofisticadas o guiadas por control numérico que
ejecutan un mecanizado de acuerdo a un programa establecido previamente. En las industrias modernas y
automatizadas de mecanizados la técnica de recorrido de material comprende la manipulación
automática de piezas de trabajo en los sistemas de producción incluso la carga y descarga de
máquinas-herramientas asÃ− como el almacenamiento de piezas. El rectificado de los dientes cuando es
necesario hacerlo, se realiza después de haber sido endurecida la pieza en un proceso de tratamiento
térmico adecuado y se puede realizar por rectificación por generación y rectificación de perfiles o con
herramientas CBN repasables o con capa galvanizada. Los rectificados de engranajes con muelas y de perfiles
es una tecnologÃ−a muy avanzada y ha logrado una capacidad notoria con la utilización de modernas
herramientas de corindón aglutinado. El bruñido de los engranajes se aplica a aquellos que están
sometidos a grandes resistencias, por ejemplo el grupo piñón-corona hipoide de las transmisiones de los
camiones o tractores. El bruñido genera una geometrÃ−a final de los dientes de alta calidad en los
engranajes que han sido endurecidos, al mismo tiempo que mejora el desprendimiento y las estructuras de las
superficies.
Tratamiento termico
Los engranajes están sometidos a grandes presiones tanto en la superficie de contacto y por eso el
tratamiento que la mayorÃ−a de ellos recibe consiste en un tratamiento térmico de cementación o
nitruración con lo cual se obtiene una gran dureza en la zona de contacto de los dientes y una tenacidad en el
núcleo que evite su rotura por un sobreesfuerzo. La cementación consiste en efectuar un calentamiento
prolongado en un horno de atmósfera controlada y suministrarle carbono hasta que se introduzca en la
superficie de las piezas a la profundidad que se desee. Una vez cementada la pieza se la somete a temple, con
lo cual se obtiene gran dureza en la capa exterior, ideal para soportar los esfuerzos de fricción a que se
someten los engranajes. Los engranajes que se someten a cementación están fabricados de aceros
especiales adecuados para la cementación. Otra veces el tratamiento térmico que se aplica a los engranajes
es el de nitruración, que está basado en la acción que ejercen sobre la superficie exterior de las piezas la
acción del carbono y del nitrógeno. La nitruración reduce la velocidad crÃ−tica de enfriamiento del acero,
alcanzando un mayor grado de dureza una pieza nitrurada y templada que cementada y templada, aun para un
mismo tipo de material. En la actualidad, y particularmente en la industria de la automoción, se están
supliendo aceros aleados por aceros más sencillos dadas las grandes ventajas técnicas que ofrece la
nitruración (elevadas durezas, regularidades de temple, menos deformaciones...).
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 10
En los procesos de nitruración se puede obtener capas entre 0.1-0.6mm., siendo las durezas en la periferia del
6
orden de los 60-66 HRC. La nitruración es un proceso para endurecimiento superficial que consiste en
penetrar el nitrógeno en la capa superficial. La dureza y la gran resistencia al desgaste proceden de la
formación de los nitruros que forman el nitrógeno y los elementos presentes en los aceros sometido a
tratamiento. A veces hay engranajes que se les aplica un temple por inducción donde el calentamiento es
limitado a la zona a tratar y es producido por corrientes alternativas inducidas. Cuando se coloca un cuerpo
conductor dentro del campo de una bobina o de un solenoide con corrientes de media o alta frecuencia, el
cuerpo es envuelto por una corriente inducida, la cual produce el calentamiento. Para ello se emplea
inductores que tienen la forma apropiada de la dentadura que queremos tratar. Una posibilidad que existe para
solucionar los problemas que aparecen en los engranajes ha sido el nÃ−quel quÃ−mico. Los depósitos de
nÃ−quel le confieren a la pieza tratada una buena resistencia a la corrosión, una gran resistencia a la
fricción y una gran dureza con ayuda de unos precipitados concretos. El niquelado quÃ−mico se consigue
que las capas sean uniformes, siempre y cuando todas las partes de la pieza estén en contacto con la
solución y la composición de esta se mantenga constante, y el espesor de esta capa varÃ−a según el
tiempo de tratamiento y la composición. Las piezas antes de ser tratadas deben de pasar por otras fases como
pueden ser el decapado, ataque, para garantizar su adhesión, y otra cosa a tener en cuenta es que el niquelado
quÃ−mico reproduce en la superficie la rugosidad de la pieza tratada.
Aplicaciones
Son tan numerosos como variadas y las más de las veces no se limitan a un par de ruedas, sino a
combinaciones más numerosas, en forma de tren de engranajes. Se puede obtener asÃ− cualquier cambio de
velocidad. Si, como en la figura de abajo, un piñón motor (1) arrastra una rueda mayor (2) en cuyo mismo
eje va calado otro piñón (3) que, a su vez, ataca a otra rueda (4) y asÃ− sucesivamente, el número de
revoluciones disminuye según la fórmula inserta más arriba. Pero si ese mismo tren funciona al revés,
siendo la rueda 4 motriz y transmitiéndose el movimiento de las ruedas a los piñones, la velocidad
transmitida en 4 quedará multiplicada en 1 en las mismas proporciones. Las ruedas pares giran en sentido
contrario al del eje del motor y las impares en el mismo sentido que éste. Es posible, no obstante, transmitir
el movimiento sin cambio de su sentido adoptando una rueda conducida de engranaje interno, o sea, en forma
de corona que lleva tallados los dientes en la superficie interior de la llanta. El tren de engranajes de un reloj
mecánico permite que unas pocas vueltas del barrilete motor hagan dar más de 1500 vueltas al piñón
minutero. En un automóvil, el cambio de velocidades permite combinar varias ruedas y piñones con objeto
de adaptar la carga al régimen del motor, asÃ− como para invertir la marcha. El diferencial de ese mismo
vehÃ−culo constituye otro ejemplo de las muchas posibilidades que ofrecen los engranajes pues, además de
transmitir el movimiento del árbol motor entre ejes que forman ángulo de 90º, permite que la rueda del
coche situada en el interior de los virajes ruede con menor velocidad que la rueda exterior.
Fuente: www.scribd.com / rincondelvago.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 11
En los ferrocarriles de cremallera, piñones dentados de la locomotora engranan en una cremallera fijada en
las traviesas; los trenes pueden subir asÃ− por pendientes superiores a las que la simple adherencia de las
ruedas permitirÃ−a franquear a un tren ordinario. En muchos casos resulta útil que una misma rueda dentada
pueda accionar simultáneamente varios órganos mecánicos y, por ejemplo, en ciertas maquinillas de
afeitar eléctricas el árbol motor hace girar tres rodetes de cuchillas a la vez. Una de las cualidades más
preciosas de los engranajes estriba en la ausencia total de deslizamiento entre la primera y la última rueda del
tren lo cual permite obtener en cualquier parte de los mecanismos velocidades o movimientos angulares de
rigurosa precisión. Las exigencias cada vez más numerosas y estrictas impuestas por las nuevas
tecnologÃ−as hacen que el cálculo y diseño de los engranajes más apropiados para cada uso y de la
maquinaria necesaria para fabricarlos constituyan una de las especialidades fundamentales y más difÃ−ciles
7
de la moderna ingenierÃ−a mecánica. El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente
ilimitado. Los encontramos en las centrales de producción de energÃ−a eléctrica, hidroeléctrica y en los
elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automóviles, transporte marÃ−timo
en buques de todas clases, aviones, en la industria siderúrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y
astilleros, fábricas de cemento, grúas, montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria textil, de
alimentación, de vestir y calzar, industria quÃ−mica y farmacéutica, etc., hasta los más simples
movimientos de accionamiento manual.
Calidades de engranajes
La verificación de engranajes consiste en poder controlar los distintos parámetros que lo definen. Para
medir el espesor cordal se utilizan pie de rey de doble nonio y micrómetros de platillo. La medición del
espesor de los dientes mediante pie de rey de doble nonio, sólo se utiliza por lo general cuando se trata
engranajes de módulo grande y mecanizado de desbaste. Para medir el espesor de engranajes de precisión
se utiliza un micrómetro de platillo y se selecciona el número de dientes a abrazar para que el contacto
entre los flancos de los dientes y los platillos se produzca en la circunferencia primitiva. La medición
mediante comparadores se utiliza con patrones de puesta a punto para cada operación de control. La
verificación en proyector de perfiles se utiliza para medir sobre la imagen amplificada o verificar utilizando
plantillas adecuadas todas las caracterÃ−sticas del engranaje. La medición de la excentricidad de un
engranaje que es el descentramiento del diámetro primitivo respecto al eje de referencia de la pieza, se puede
verificar:
• Con comparador y varilla calibrada
• Por rodadura contra un perfil patrón.
Fuente: es.wikipedia.org/wiki/Engranaje / www.scribd.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 12
Los engranajes maestros se clasifican en varias calidades de acuerdo con DIN3790 y 58420. Sus dientes una
vez mecanizados pasan por un proceso de súper acabado. Durante la medición según este principio los
engranajes a controlar se hacen engranar con engranajes maestros Las transmisiones por engranajes
principalmente las que están sometidas a un gran esfuerzo y funcionamiento de gran velocidad tienen que
tener el lubricante adecuado para poder contribuir a conservar sus propiedades mecánicas durante el uso.
Como todo elemento técnico el primer fallo que puede tener un engranaje es que no haya sido calculado
con los parámetros dimensionales y de resistencia adecuada, con lo cual no es capaz de soportar el esfuerzo
al que está sometido y se deteriora o rompe con rapidez. El segundo fallo que puede tener un engranaje es
que el material con el que ha sido fabricado no reúne las especificaciones técnicas adecuadas
principalmente las de resistencia y tenacidad. También puede ser causa de deterioro o rotura si el engranaje
no se ha fabricado con las cotas y tolerancias requeridas o no ha sido montado y ajustado en la forma
adecuada. Igualmente se puede originar el deterioro prematuro de un engranaje es que no se le haya efectuado
el mantenimiento adecuado con los lubricantes que le sean propios de acuerdo a las condiciones de
funcionamiento que tenga Otra causa de deterioro es que por un sobresfuerzo del mecanismo se superen los
lÃ−mites de resistencia del engranaje
La capacidad de transmisión de un engranaje viene limitada:
• Por el calor generado, (calentamiento)
• Fallo de los dientes por rotura ( sobreesfuerzo súbito y seco)
• Fallo por fatiga en la superficie de los dientes (lubricación deficiente y dureza inadecuada)
8
• Ruido como resultante de vibraciones a altas velocidades y cargas fuertes.
Feunte: es.wikipedia.org/wiki/Engranaje / www.scribd.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 13
Los deterioros o fallas que surgen en los engranajes están relacionadas con problemas existentes en los
dientes, en el eje, o una combinación de ambos. Las fallas relacionadas con los dientes pueden tener su
origen en sobrecargas, desgaste y grietas, y las fallas relacionadas con el eje pueden deberse a la
desalineación o desequilibrado del mismo produciendo vibraciones y ruidos Se llama cálculo de engranajes
a las operaciones de diseño y cálculo de la geometrÃ−a de un engranaje, para su fabricación.
Principalmente los diámetros y el perfil del diente. También se consideran los cálculos de las
transmisiones cinemáticas que hay que montar en las máquinas talladoras de acuerdo a las caracterÃ−sticas
que tenga el engranaje, y que está en función de las caracterÃ−sticas de la máquina talladora que se
utilice.
Fuente: www2.ing.puc.cl / www.iesmarenostrum.com / www.scribd.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 14
Funcionamiento de una caja de velocidades
Precisamente lo que hace una caja de cambios es engranar dos piñones de distinto número de dientes para
lograr una relaciones adecuadas a la potencia del motor, su peso, sus neumáticos y la velocidad máxima
deseada. Como ejemplo, veamos los distintos engranajes de un automóvil convencional
Velocidad máxima
(km/h)
1ª
12
44
3,66
45
2ª
17
38
2,23
75
3ª
24
35
1,45
100
4ª
29
30
1,03
140
R
13
42
3,23
50
En una caja de cambios se trata, pues, de conectar piñón conductor y conducido para obtener la correcta
relación. Pero a la velocidad de giro del motor, incluso desembragando, al acoplar los dos piñones que
giran a distinta velocidad plantea muy delicados problemas técnico. Por ello se ha recurrido al sistema de
“toma constante” o de permanente engranaje: los dos engranajes, conducido y conductor, permanecen girando
unidos, pero el conducido en un eje en el que no está unido, que sirve de ayuda al funcionamiento de la caja
y que recibe el nombre de tren fijo, árbol intermedio o tren secundario. La función de la palanca de
cambios ya no es engranar los piñones requeridos, sinó poder hacer que el piñón del tren fijo esté
solidario a su eje. Esto se consigue por medio de unos dentados de arrastre que se introducen en el interior de
las coronas de piñones y que se desplazan longitudinalmente sobre el eje por medio de unas nervaduras o
acanalados. Para engranar la primera velocidad se empuja la palanca de cambios hacia delante, con la cual el
desplazable “A” se introduce en el interior del piñón del tren fijo o eje secundario, con lo cual eje piñón
se hacen solidarios; los demás engranajes permanecen conectados, pero giran “locos” sobre el tren fijo. Por
el mismo procedimiento se van introduciendo las otras velocidades. En cuanto a la marcha atrás, se conecta
por medio de un piñón inversor que, al interponerse entre conducido y conductor, invierte el sentido de
Marcha
Piñon conducido Piñon conductor
Relación
9
giro. Pero la mejor forma de conocer el funcionamiento de la caja de cambios es examinar los dibujos que se
incluyen, donde los engrana es están mercados en rojo. Los movimientos del “carrete” corresponden a las de
la palanca de cambios, de modo que la primera y la tercera se engranan normalmente moviendo la palanca en
la misma dirección, pero con distintos ángulos, y la segunda y la cuarta, también. En cuanto a la marcha
atrás, entra en juego un piñón inversor encargado de cambiar el sentido de giro. Hay una serie de varillas
que conectan la palanca de cambios con las horquillas que mueven los desplazables, y que son los encargados
de fijar al eje los piñones, que hasta ese momento están girando locos.
Fuente: www.mecanicavirtual.org/ rincondelvago.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 15
En los vehÃ−culos, la caja de cambios o caja de velocidades (suele ser llamada sólo caja) es el elemento
encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con diferentes relaciones de engranes o
engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas
velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de tracción generalmente es la reducción de
velocidad de giro e incremento del par motor. En función de que la velocidad transmitida a las ruedas sea
mayor, la fuerza disminuye, suponiendo que el motor entrega una potencia constante: dado que potencia es
trabajo por unidad de tiempo y, a su vez, trabajo es fuerza por distancia, una distancia mayor (derivada de la
mayor velocidad) tiene por consecuencia una fuerza menor. De esta manera la caja de cambios permite que se
mantenga la velocidad de giro del motor, y por lo tanto la potencia y par más adecuado a la velocidad a la
que se desee desplazar el vehÃ−culo. La caja de cambios tiene la misión de reducir el número de
revoluciones del motor e invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando las necesidades de la marcha asÃ− lo
requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del embrague,
en transmisiones manuales; o a través del convertidor de par, en transmisiones automáticas. Acoplado a
ella va el resto del sistema de transmisión.
La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles.
• Ôrbol primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente
consta de un único piñón.
• Ôrbol intermedio o intermediario. Es el árbol transmisor. Consta de una corona que engrana con
el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) que pueden
engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.
• Ôrbol secundario. Consta de varias coronas con libertad de movimiento axial en el árbol, pero sin
libertad de movimiento en sentido tangencial (por un sistema de nervados o de chaveteros). La
posición axial de cada rueda es controlada por la palanca de cambios y determina qué par de
ruedas engrana entre el secundario y el intermediario. Cuando se utilizan sincronizadores, el
acoplamiento tangencial puede liberarse en función de la posición axial de estos y las ruedas
dentadas no tienen libertad de movimiento axial.
• Eje de marcha atrás. Dispone de una rueda loca que se interpone entre los árboles intermediario y
secundario para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. Para poder engranar el eje
de marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal.
Fuente: www.mecanicavirtual.org/ rincondelvago.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 16
10
Fuente: www.mecanicavirtual.org/ rincondelvago.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 17
1ª velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 1ª/2ª (N) hacia la derecha, produce el enclavamiento del
correspondiente piñón loco (I) del eje secundario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es
transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniendose la oportuna reducción. En
esta velocidad se obtiene la máxima reducción de giro, y por ello la mÃ−nima velocidad y el máximo par.
2ª velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 1ª/2ª (N) hacia la izquierda, produce el enclavamiento del
correspondiente piñón loco (J) del eje secundario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es
transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniendose la oportuna reducción. En
esta velocidad se obtiene una reducción de giro menor que en el caso anterior, por ello aumenta la velocidad
y el par disminuye.
Fuente: www.mecanicavirtual.org/ rincondelvago.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 18
3ª velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 3ª/4ª (O) hacia la derecha, produce el enclavamiento del
correspondiente piñón loco (H) del eje secundario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es
transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniendose la oportuna reducción. En
esta velocidad se obtiene una reducción de giro menor que en el caso anterior, por ello aumenta la velocidad
y el par disminuye.
4ª velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 3ª/4ª (O) hacia la izquierda, produce el enclavamiento del
correspondiente piñón de arrastre o toma constante (B) del eje primario, que se hace solidario con el eje
secundario, sin intervención del eje intermediario en este caso. Con ello, el giro es transmitido desde el eje
primario como muestra la figura inferior, obteniendose una conexión directa sin reducción de velocidad. En
esta velocidad se obtiene una transmisión de giro sin reducción de la velocidad. La velocidad del motor es
igual a la que sale de la caja de cambios, por ello aumenta la velocidad y el par disminuye.
Fuente: www.mecanicavirtual.org/ rincondelvago.com
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 19
Marcha atrás (M.A.)
Cuando se selecciona esta velocidad, se produce el desplazamiento del piñón de reenvio (T), empujado por
un manguito. Al moverse el piñón de reenvio, engrana con otros dos piñones cuya particularidad es que
tienen los dientes rectos en vez de inclinados como los demás piñones de la caja de cambios. Estos
piñones pertenecen a los ejes intermediario y secundario respectivamente. Con esto se consigue una nueva
relación, e invertir el giro del tren secundario con respecto al primario. La reducción de giro depende de los
11
piñones situados en el eje intermediario y secundario por que el piñón de reenvio actúa únicamente
como inversor de giro. La reducción de giro suele ser parecida a la de 1ª velocidad. Hay que reseñar que
el piñón del eje secundario perteneciente a esta velocidad es solidario al eje, al contrario de lo que ocurre
con los restantes de este mismo eje que son "locos".
Funcionamiento de un diferencial
ÂÂÂ
El diferencial reduce la velocidad de rotación transmitida desde la transmisión e incrementa la fuerza de
movimiento, asÃ− como también distribuye la fuerza de movimiento en la dirección izquierda y derecha
transmitiendo este movimiento a las ruedas. También cuando el vehÃ−culo está girando, el diferencial
absorbe las diferencias de rotación del movimiento de las ruedas izquierdas y derechas, haciendo esto
posible que el vehÃ−culo gire fácilmente.
Fuente: automecanico.com / www.todoexpertos.com / www.mecanicavirtual.org
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 20
Con las excepciones del caso; y sin importar, si un vehiculo es chico o grande, si es de traccion trasera o
delantera;si trae motor de 4 5,6, o mas cilindros;Â todos los vehiculos, de uso regular,traen instalado un
componente llamado diferencial; Los vehiculos de doble traccion, traen diferencial adicional. El diferencial,
puede ser diferente, en cuanto a diseno, figura, tamano o ubicacion; pero, los principios de funcionamiento y
objetivos; siguen siendo los mismos El objetivo es: administrar la fuerza motriz, en las ruedas encargadas de
la traccion, tomando como base, la diferencia de paso o rotacion, entre una rueda, con relacion a la otra. [se
entiende, que el vehiculo al tomar una curva, una rueda recorre mas espacio que la otra; igualmente una rueda
mas grande, recorrera mas espacio que una pequenia El diferencial tiene la funcion de corregir estas
diferencias. Un vehiculo regular, deriva la traccion o fuerza motriz a dos ruedas, que pueden ser las de
adelante, o las de atras; como consecuencia, toman el nombre, traccion trasera, o traccion delantera Para no
confundirnos en estas paginas mostraremos el funcionamiento de un diferencial tipico; las variantes seran
explicadas en paginas diferentes La funcion primara de un diferencial es, derivar la rotacion recibida de la caja
de velocidades; [transmision] en un angulo de 90grados. Esto quiere decir que la transmision; por medio de un
pinion hace girar la corona, en la parte central del vehiculo; y la corona al rotar traslada el giro hacia las
ruedas encargadas de la traccion [fuerza que mueve el vehiculo]. Las transmisiones automaticas,para un motor
de traccion delantera; llevan instaladas un diferencial en forma similar.Generalmente las transmisiones
automaticas, reparten el fluido o aceite entre todos los engranes; pero existen transmisiones, que requieren que
el diferencial, se lubrique en forma independiente. Este tipo de diferencial algo diferente, en cuanto a la figura
nos puede ayudar a entender el funcionamiento
Fuente: automecanico.com / www.todoexpertos.com / www.mecanicavirtual.org
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 21
Podemos decir que un diferencial esta compuesto de 6 engranes. llamados o conocidos como: Un Pinion,
una,corona, 2 planetarios, y 2Â satelites Lo importante es observar; que la corona al rotar, no traslada esta
rotacion por medio de engranes, lo hace en forma de torsion, debido a que gira conjuntamente con la caja o
jaula. el pinion, traslada la rotacion que trae de la caja de velocidades o trasmision, haciendo rotar la corona.
La corona es un engrane, armado o instalado, en lo que se conoce como caja o jaula de diferencial. Esta
12
instalacion es tipica; se puede ver el pinion principal instalado dentro de la caja [carrier] Observe, si usted
tiene que remover, un diferencial de estos tenga mucho cuidado, con la ubicacion de los espaciadores [shim],
antes de moverlos marquelos o pintelos, estos shims determinan el acoplamiento de la corona con el pinion
principal, un shim fuera de calibracion puede acercar o alejar demasiado la corona al pinion principal, dando
como consecuencia que la rotacion no tenga la suavidad requerida, y en estos casos la friccion quebraria los
dientes del pinion.
Fuente: automecanico.com / www.mecanicavirtual.org
Calculo y diseño de elementos de maquinas II || Ruedas dentadas
Pagina: 22
En conclusion, la fuerza de traccion, en este tipo de diferencial, requiere el apoyo firme de ambas ruedas. Los
problemas de un diferencial empiezan, por una falta de lubricacion o descuido: Por lo general una fuga de
aceite por uno de los retenedores, o sellos de aceite, en una de las ruedas. terminan por dejar sin aceite la
corona, dando como consecuencia, que el rodamiento [rodaje, balero, cojinete, bearing], friccione en seco.
Cuando sucede esto, empiezan por hacer ruido, y terminan quebrando los dientes del pinion y corona Como
solucion, se recomienda hacer una limpieza, que incluya el uso de un magneto o iman, que ayude a remover la
baba metalica, y remplazar las partes afectadas Un diferencial, gradua las revoluciones del motor, usando para
ello la cantidad de dientes del pinion, con relacion a la cantidad de dientes de la corona; Los requerimientos en
cuanto al peso,y uso del vehiculo, determinan el tamano y cantidad de dientes de la corona y pinion; por
ejemplo; si un pinion de 11 dientes, se usa para mover una corona de 44 dientes, podriamos decir que la
relacion es de 4 : 1; pero tambien se agrega la conveniencia, de usar un numero impar en la cantidad de
dientes de la corona; para evitar la coincidencia de los dientes.
Fuente: automecanico.com / www.mecanicavirtual.org
13