1 PRINCIPIOS PARA EL DISEÑO DE UNA CAJA DE

PRINCIPIOS PARA EL DISEÑO DE UNA CAJA DE VELOCIDADES
El presente artículo tiene como objeto establecer las nociones básicas que se
exigen en el diseño y cálculo de los distintos elementos mecánicos de una caja de
velocidades para un torno capaz de transmitir 1.47 KW de potencia y nueve
velocidades comprendidas entre las 56 r.p.m. y las 2240 r.p.m.
Para conseguir las nueve velocidades se utilizarán engranajes rectos
deslizantes. Por tanto, la caja estará provista de dos trenes de engranajes que se
deslizarán mediante dos palancas y así se obtendrán las distintas velocidades.
El mecanismo de la caja comienza con un motor eléctrico que transmite una
potencia de 1.47 KW y cuyo eje de salida gira a 1435 r.p.m.
La velocidad a la entrada de la caja es de 355 r.p.m. por esto se hace
necesario colocar un par de poleas con correas trapezoidales que reduzcan la
velocidad de salida del motor a la velocidad de entrada de la caja.
Una vez conseguida la velocidad adecuada entramos en la caja propiamente
dicha. Ésta está formada por 3 árboles: árbol de entrada o eje I, árbol intermedio o eje
II, árbol de salida o eje III, también llamado eje principal del torno. Estos árboles
soportan a los engranajes con los que se consiguen las distintas velocidades se salida,
necesarias para obtener las velocidades de corte que habrá de proporcionar nuestro
torno.
Las partes móviles del mecanismo están protegidas mediante una carcasa, así
evitamos el riesgo de atrapamiento del operario a la hora de manipular la máquina.
La carcasa será de fundición gris FG25 así de consigue una mayor ligereza y
fácil mecanización sin aumentar los costos del la caja, pues se trata de un
procedimiento industrial bastante usual.
El diseño de la carcasa se realiza a partir de ensayos o modelos preliminares
obtenidos por experimentación.
A continuación describiré más detalladamente cada una de las partes del
mecanismo:
1. POLEAS Y CORREAS
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Las poleas conductora y conducida están construidas según las normas DIN
2211-ISO 4183
Están fabricadas de fundición gris con un tratamiento de protección por
fosfatación orgánica.
La polea conductora es una polea maciza dado que su diámetro primitivo es de
50 mm; mientras que la polea conducida es una polea de brazos, siendo su
diámetro de 200 mm.
La polea conducida lleva mecanizada un taladro de 18 mm. Con un chavetero
para alojarla en el eje de entrada. En este chavetero se aloja una chaveta plana
6x6, UNE 17012, de 20 mm. de longitud.
La inmovilización axial de la polea se consigue con una sola correa, por lo que
ambas poleas llevan un solo canal.
La correa que mejor se ajusta a nuestras necesidades es una corra trapecial de
perfil estrecho SPZ fabricadas según DIN 7753/1
2. ENGRANAJES RECTOS
Todos los engranajes que formarán nuestro mecanismo son engranajes de dientes
rectos.
Los dientes llevarán una pequeña inclinación para facilitar el engrane, asimismo se
fabricarán sin aristas vivas en los laterales, se les dará un pequeño redondeo; con esto
se consigue evitar un desgaste rápido de estos y una marcha más silenciosa.
Los engranajes alojados en el eje de entrada llevarán mecanizado un chavetero
donde se alojan chavetas planas 5x5 UNE 17012 y longitud 12 mm.
Para el eje de salida también se elige este tipo de unión entre engranaje y eje, pero
en este caso las chavetas tendrán las siguientes dimensiones 10x8 UNE 17012 y
longitud 20 mm.
La sujeción axial se realiza por medio de casquillos separadores de 5 mm de
anchura; excepto para el engranaje central del árbol de salida que en uno de sus lados
lleva una arandela de seguridad.
El material con el que se fabricarán los engranajes será acero F-155. Este acero
está especialmente indicado para la fabricación de engranajes por los fabricantes de
máquinas herramientas.
3. CUBOS DE ENGRANAJES
El mecanismo lleva dos cubos de engranajes que deslizan por el eje intermedio
accionados por medio de sendas palancas. Los engranajes también son de dientes
rectos con idénticas características que las descritas en el apartado anterior, estando
también fabricadas con acero de cementación F-155.
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Entre engranaje y engranaje habrá de existir una separación de 2mm.; esta
separación es necesaria puesto que cuando dos engranajes están trabajando no
puede haber interferencia con el engranaje situado a continuación. Así se ha realizado
la disposición de los engranajes fijos en los respectivos árboles.
Ambos cubos llevan un canal donde aloja la lengüeta de la palanca.
Los taladros de los cubos están nervados según DIN 574.
4. ÁRBOL DE ENTRADA
Este árbol soporta a la polea conducida y a tres engranajes rectos. La unión de
estos elementos al eje se realiza por medio de chavetas, como ya se ha explicado.
En uno de los extremos, este eje, lleva una zona roscada donde se ubica una
arandela Grower y una tuerca hexagonal par la sujeción axial de la polea.
Para la ubicación del rodamiento de este lado se ha realizado un cambio de
sección, como el eje está rectificado se ha mecanizado una entalldura F1 x 0.2
DIN509. Así, a la hora de montar el rodamiento, como este no pude ubicarse en el
extremo, se evita que el eje sufra daño alguno.
El otro extremo del eje se aloja, por medio de su correspodiente rodamiento, en un
nervio de la carcasa. Con esto se reduce la longitud del eje a la necesaria y suficiente
para poder ubicar los distintos elementos y con esto nos referimos, especialmente al
primer engranaje, pues al tener 40 mm. de diámetro primitivo exige un diámetro de eje
pequeño. Esto se consigue disminuyendo la longitud para que los momentos flectores
sean lo menores posibles y conseguir que el diámetro del eje se reduzca.
El material empleado para este eje el acero F-158
5. ÁRBOL INTERMEDIO
Sobre este eje deslizan los 2 cubos de engranajes. Se trata de un eje nervado
realizado según la norma DIN 5471.
En sus extremos alojan sendos rodamientos de rodillos cilíndricos.
El material para su fabricación es acero F-158.
6. ÁRBOL DE SALIDA
Este eje, eje principal del torno es el encargado de transmitir las distintas
velocidades de corte a la pieza.
Es una pieza de acero F-158 templado y rectificado. Es un eje hueco para poder
dar paso a determinadas barras para el mecanizado. Apoya sobre rodamientos
cónicos ajustables para corregir los posibles huecos ocasionados.
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En uno de sus extremos lleva dos tuercas ranuradas de la serie KM normalizadas
según UNE 18035 de métrica 34 mm., con esto se consigue una mejor fijación del
rodamiento cónico para que este tenga una posición bien definida.
Para la ubicación del otro rodamiento se hace necesario un cambio de sección,
con una entalladura F1x0.2 DIN 509, para poder montar el rodamiento sin dañar el
resto de la superficie.
El eje acaba en una nariz de husillo construida según normas DIN 55026 que
acaba en un cono normalizado, sobre el que se monta el plato de garras DIN 55026,
así se consigue que la alineación de ambas piezas sea muy exacta.
Es muy importante que el árbol esté perfectamente alineado con las guías del
tormo y que no se originen movimientos axiales, pues es sobre él donde va montada la
pieza que se va a mecanizar. En el montaje de esta pieza hay que poner especial
cuidado para que quede perfectamente alineada realizando todas las comprobaciones
necesarias.
Para la fijación de los engranajes se mecanizan tres chaveteros sobre los que
se alojan lengüetas planas 10x8 UNE 17012, longitud 20 mm.
7. PALANCAS
El mecanismo consta de los palancas de fundición gris FG14 UNE 36111 pues se
trata de elementos sin responsabilidad. Además este tipo de fundición tiene una
maquinabilidad máxima.
Las palancas son las encargadas de realizar el movimiento de traslación de los
cubos de engranajes.
Cada una de ellas tiene tres posiciones que permiten engranar cada una de las
ruedas dentadas para así obtener las nueve velocidades.
El acoplamiento de las palancas a la carcasa se realiza por medio de un muelle de
compresión cilíndrica y una esfera de acero. La bola en su desplazamiento empuja al
muelle y al entrar en cada uno de los taladros que tiene la carcasa el muelle se estira y
hace que la palanca se quede fija.
El accionador de la palanca lleva, en su extremo final, una lengüeta que desliza a
través del canal del cubo correspondiente desplazando a este hacia la posición que
interese.
El accionador se une al cuerpo de la palanca; es decir, a la manivela de la palanca
por medio de un espárrago y este a su vez está unido a ambas piezas por medio de
sendos pasadores cónicos.
8. CARCASA
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La carcasa que sustenta a los elementos mecánicos se diseña por medio de la
experimentación, como ya se dijo anteriormente.
Se debe añadir que nuestra carcasa tiene un visor para el nivel de aceite de
lubricación de los engranajes y un tapón roscado que permite el vaciado del lubricante
para su cambio.
Como se dijo en el apartado dedicado al eje de salida, es muy importante que en el
montaje de la caja éste quede totalmente paralelo a las guías del torno, para ello la
carcasa cuenta con 6 pasadores cónicos designados: Pasador cónico 8x20 DIN 1.
9. RODAMIENTOS
Los tres árboles del mecanismo apoyan sobre rodamientos, estos soportan los
esfuerzos provenientes de la acción de los engranajes.
Los seis rodamientos del mecanismo son rodamientos FAG.
Para el eje de entrada son rodamientos de bolas de hilera única debido a que las
cargas que van a soportar no son demasiado elevadas.
Para el eje intermedio se eligen rodamientos de rodillos cilíndricos. Los niveles de
tensión debida al contacto son más bajos que los que corresponden a cojinetes de
bolas de un tamaño equivalente, lo que permite que cojinetes más pequeños soporten
una carga particular o que un cojinete de un tamaño específico soporte una carga
mayor; es por este motivo por lo que se ha optado por este tipo de rodamientos paraq
este árbol.
Para el eje de salida se montarán rodamientos de rodillos cónicos. Estos
rodamientos además de cargas radiales soportan cargas de empuje; en este eje se
producen dichas cargas de empuje debido a la fuerza de avance que ejerce la
herramienta sobre la pieza que se va a mecanizar. Al estar la pieza sujeta al plato de
garras, de este se transmite el eje, y aunque estas fuerzas sean muy pequeñas se
prefiere usar este tipo de rodamientos, pues es muy importante que no existan juegos
axiales en el eje para que esto no pueda influir en el mecanizado.
Para la ubicación axial de estos se usan arandelas de seguridad.
10. LUBRICANTES
Los engranajes sin una correcta lubricación presentarían servicio durante un corto
periodo de tiempo, dando lugar a un elevado costo y mantenimiento.
Una lubricación efectiva sólo se puede mantener cuando existe aceite suficiente en
el punto de contacto entre engranajes. Las presiones que se ejercen y la acción del
diente tienden a romper la película de aceite y limpiar su superficie dejándola en seco,
a menos que se utilice el lubricante adecuado para cada caso.
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El tipo de lubricación que se escoge para los engranajes de nuestra caja es la
lubricación por inmersión, pues las velocidades de trabajo de los engranajes no son
demasiado elevadas y temperaturas que se pueden alcanzar tampoco.
Se debe procurar que el nivel de aceite mantenga sumergida que el nivel de aceite
mantenga sumergida una pequeña parte de rueda de mayor diámetro del eje de
salida. La parte sumergida debe ser algo superior a las13/4 partes de la altura de los
dientes inferiores de este engranaje debido a que este aceite debe llegar a los
engranajes y cojinetes de apoyo del nivel superior, esto es del eje de entrada. Sin
embargo hay que evitar los excesos de lubricante, pues pueden dejar fuera de servicio
a la máquina. Teniendo en cuenta todo lo dicho anteriormente y para obtener un nivel
de aceite adecuado se ha situado en la carcasa un visor que indica el punto exacto
que tiene que tener el nivel de aceite para una correcta lubricación.
Para los rodamientos de los ejes intermedios y de salida se ha previsto la
lubricación por medio de engrasadores por grasa situados en las tapas de la carcasa;
ya que el aceite de la carcasa puede tener dificultades para penetrar en ellos dada su
posición y la distancia a los engranajes.
Hay que tener en cuenta que el engrase que se debe realizar debe ser con grasa
permanente y de larga duración; ya que las aportaciones de grasa más frecuentes
tienden a averiar el conjunto.
El enfriamiento se consigue simplemente por irradiación de las paredes extremas
de la caja puesto que las temperaturas que se pueden alcanzar nunca van a ser
excesivas.
El lubricante que se utilizará para nuestro mecanismo será un lubricante industrial
denominado: “Cepsa engranajes HP”
Este lubricante está recomendado para todo tipo de engranajes industriales de
acero, en cárter cerrado, operando bajo condiciones de servicio medias o severas;
sometidos a cargas de choque o grandes esfuerzos constantes o intermitentes y
puede ser utilizado en sistemas de lubricación por baño que es el sistema que usamos
en el mecanismo.
Este lubricante cumple con las especificaciones U.S Steel 224, AGMA 250.04,
DIN 51517 Part. 3 Cincinnati Milacron P-35 y P-59.
11. BIBLIOGRAFÍA
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McGraw-Hill
Ortiz Berrocal, L.(2007) Resistencia de Materiales Madrid: McGraw-Hill
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metrotecnia. Madrid: Pirámide
Krar, S. y Check, A.F.(2002) Tecnología de las máquinas herramienta. Barcelona:
Marcombo, S.A
Smith, W. (2006) Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales. Mexico:f
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