INDICE.
- INTRODUCCION
- CONCEPTO. TIPOS
2.1 Perfil de evolvente
2.2 Dimensiones
- GENERACIÓN Y DIMENSIONES DEL PERFIL DENTADO
3.1 Perfil de evolvente
3.2 Dimensiones
- INTERFERENCIA.
- ESFUERZOS EN LOS ENGRANAJES
.
- TOLERANCIAS DIMENSIONALES.
- TÉCNICAS DE MONTAJE.
- TRENES DE ENGRANAJES.
- CAJAS DE VELOCIDADES.
- MANTENIMIENTO.
- CONCLUSIÓN
1. INTRODUCCIÓN
En casi todas las máquinas existe transmisión de movimientos de un eje a otro. Dicha transmisión puede llevarse a cabo mediante, poleas, cadenas, ruedas de fricción…etc. Pero si los ejes están muy próximos entre sí, no son paralelos o se desea mantener una relación de transmisión constante, la solución ideal será el uso de engranajes. A estas ventajas se ha de sumar el que los sistemas dentados permiten no sólo la transmisión y reducción del movimiento de rotación sino también su transformación a movimiento lineal (piñón-cremallera). No es por tanto de extrañar que prácticamente todas las máquinas cuenten con engranajes en sus sistemas de transmisión de movimiento.
2. CONCEPTO. TIPOS
2.1 Definición
Un engranaje es un mecanismo formado por dos ruedas dentadas. En su aspecto más sencillo las ruedas dentadas son piezas cilíndricas en cuya superficie lateral se han tallado sucesivas levas o dientes. Situadas en posición adecuada, los dientes de una rueda se introducen en los huecos de la otra (transmisión desmodrónica), transmitiéndose el movimiento de manera que ambas ruedas giran en sentido contrario. La de mayor número de dientes se conoce como rueda y la de menor como piñón.
2.2 Tipos de engranajes
Según la posición relativa de los ejes motriz y conducido (rueda motriz y conducida) se pueden utilizar varios tipos de engranajes:
Cuando los ejes son paralelos, se emplean engranajes formados por dos ruedas cilíndricas donde sus dientes podrán ser rectos o bien helicoidales.
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Cuando los ejes se cruzan (pero no se cortan), los engranajes serán cilíndricos y de dientes helicoidales o bien un sistema de rueda-tornillo sinfín.
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Para ejes que se cortan, se utilizan engranajes cónicos de dientes rectos (en desuso) o helicoidales.
Las ruedas de dientes helicoidales presentan sobre las de dientes rectos la ventaja de ser más silenciosas, permiten la transmisión de mayores potencias y velocidades de giro y además de forma más suave y uniforme. Esto es debido a que el contacto entre dientes no se realiza de golpe, sino de forma progresiva. Por el contrario, presentan el inconveniente de que son más difíciles de obtener; además, debido a la inclinación de los dientes, se originan fuerzas paralelas a los ejes que deberán ser absorbidas por cojinetes empuje o bien realizar el tallado con doble hélice para anular dichas fuerzas axiales.
Los sistemas de Rueda-tornillo sinfín permiten la transmisión de grandes potencias entre ejes que se cruzan. Su misión será reducir la velocidad de giro del sinfín para consecuentemente aumentar el par torsor. Tiene la desventaja de no ser reversible el sentido de giro y de consumir en rozamiento una parte importante de la potencia. Para disminuir el rozamiento es muy usual el uso de coronas glóbicas.
Cuando lo que se quiere es realizar una transformación de movimiento circular en longitudinal se puede utilizar un Piñón-cremallera. Lo constituyen una barra dentada (considerada como una rueda de diámetro infinito) y una rueda de dientes rectos de menor diámetro. Quizás la cremallera más conocida sea la que equipan los tornos para el desplazamiento del carro longitudinal.
3. GENERACIÓN Y DIMENSIONES DEL PERFIL DENTADO.
3.1 Perfil de evolvente
Los engranajes deben diseñarse para que la relación de velocidades sea constante en todo momento ya que de lo contrario aparecerían unas vibraciones enormes que acortarían su vida útil. Para que se cumpla esta condición, el perfil de los dientes no puede ser cualquiera, sino que debe ser cuidadosamente diseñado. Si atendemos a la figura, vemos que para que dicha relación de velocidades (i) no varíe a medida que el contacto progresa, debe cumplirse que el punto de paso P (intersección de la normal en el punto de contacto y la recta de centros) no varíe de posición. A esta condición se le conoce como ley fundamental del engrane.
Cuando dos perfiles de dientes cumplen la ley fundamental del engrane, se dice que son perfiles conjugados. Dentro de los infinitos perfiles conjugados, el más empleado por sus numerosas ventajas es el denominado perfil de evolvente.
La curva que describe este perfil es la que genera el extremo de una cuerda ideal (de espesor cero), inicialmente enrollada en un cilindro, al desenrollarse de este. El perfil de evolvente depende, por tanto, del cilindro utilizado, el cual recibe el nombre de circunferencia de base o primitiva. La curva evolvente posee una propiedad de especial importancia: la cuerda que la genera es siempre normal a la curva.
En la práctica se emplea el perfil de evolvente sólo en la parte superior del diente pues sino se produciría un gran deslizamiento. Aunque en mucha menor medida también se usa como perfil conjugado el cicloidal.
3.2 Dimensiones
De geometría de la siguiente figura podemos definir los principales parámetros que definen un engrane:
Diámetro primitivo (d), aquel correspondiente a la circunferencia primitiva.
Diámetro exterior (ademdun, de), correspondiente a la circunferencia en la cual está inscrita la rueda dentada. (de=d + 2 · m, para dientes normales)
Diámetro interior (dedemdun, di), correspondiente a la circunferencia que limita interiormente los dientes. (di = d-2,5m, , para dientes normales)
Paso circular (p), es la distancia entre centros de dos dientes consecutivos, medida sobre la circunferencia primitiva. Para que dos ruedas puedan formar un engranaje es condición indispensable que ambas tenga el mismo paso circular.
Módulo (m), resulta de dividir el d (mm) entre el número de dientes de la rueda 
y por tanto 
. Al ser 
una constante, si dos ruedas tienen el mismo 
deberán tener el mismo módulo. Para facilitar su construcción e intercambiabilidad los módulos se encuentran normalizados.
Anchura del diente (b), que coincidirá con el espesor del engranaje para dientes rectos. Su valor para potencias medias es 
Ángulo de presión (φ), formado por la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso φ (20º y 25º son los ángulos normalizados).
Todas estas dimensiones estarán normalizadas en función del módulo y del tipo de dentado. Pero además para engranajes con tallado helicoidal se deberá definir un ángulo de hélice (β) y unos ángulos de conicidad para los de forma cónica.
4. INTERFERENCIA.
La interferencia es un fenómeno que se produce cuando entran en contacto porciones de dientes de perfiles no conjugados. El contacto se produce por debajo de la circunferencia primitiva del engrane conductor, es decir, por debajo de la parte evolvente del flanco. El efecto es que la cara o punta del engranaje impulsado tiende a penetrar en el flanco del diente impulsado, provocando ruido y debilitamiento.
Para evitar la interferencia se pueden tomar varias alternativas:
Una es disminuir la base de los dientes pero, lógicamente, implica una menor resistencia mecánica, por lo que no es muy aconsejable.
Otra es diseñar los engranajes con relación de contacto (número medio de dientes en contacto) mayor a 1,2. Para ello se recomienda un número mínimo de dientes del piñón y la rueda en función del ángulo de presión y hélice (β) en caso de perfil helicoidal.
En caso de no poderse aumentar el número de dientes se puede aumentar el ángulo de presión (φ=25º).
5. ESFUERZOS EN LOS ENGRANAJES.
La dirección de la fuerza transmitida (y por tanto recibida) por los dientes sigue la línea de acción que es tangente a las circunferencias base. Dicha fuerza podrá ser descompuesta según las direcciones tangencial y radial en función del ángulo de presión:
(que creará un esfuerzo de flexión) y 
(esfuerzo de compresión). En los dientes helicoidales estas fuerzas a su vez deberán ser descompuestas según β.
Puesto que tanto la velocidad de giro como el par transmitido son constantes, de igual manera lo deberá ser la fuerza F. Lo que si variará es el punto de contacto, y por tanto, el efecto de esta fuerza sobre el diente será diferente según esté situada, por ejemplo, en el extremo de la cara o en el flanco.
El esfuerzo de flexión máximo se producirá cuando esta actúe en la punta. Tomará el valor 
Por otra parte los fenómenos dinámicos intervienen puesto que se está transmitiendo una carga y hay movimiento. Por ello será necesario realizar los correspondientes cálculos de fatiga.
6. TOLERANCIAS DIMENSIONALES.
La calidad dimensional y el acabado superficial de los engranes va a estar directamente ligado con su deterioro, con la velocidad de giro permitida, su producción de ruido, su constancia en la relación de transmisión…etc. Por ello los engranajes de calidad una vez tallados son siempre rectificados para ajustar sus dimensiones.
Las normas internacionales clasifican las tolerancias dimensionales, no sólo de la geometría de las ruedas individualmente, sino también de sus acoples con otra rueda. Así, se dan indicaciones en cuanto a la tolerancia de la distancia entre centros, el juego entre flancos, el paso, el diámetro exterior, espesor del diente…etc.
Todos estos parámetros, se agrupan de forma general en cuatro calidades, desde la calidad fina A (para engranajes tallados con fresa madre y rectificados) hasta la calidad basta D (engranajes por colada o desbaste).
7. TÉCNICAS DE MONTAJE.
Las ruedas dentadas están formadas generalmente por dos partes: la parte exterior donde se encuentran los dientes (corona) y el cubo que es la parte mediante la rueda queda fijada al árbol de transmisión. Según sea la unión de la corona y el cubo- que por supuesto han de ser solidarios- cabe distinguir dos tipos de ruedas: de brazos (para ruedas de gran diámetro) y de plato formadas por un solo bloque.
Por otra parte, el cubo deberá quedar fijado firmemente al eje mediante montaje mecánico. Dos son las técnicas más comunes:
û Con chavetas de calado. En este caso, la chaveta del eje, en forma de cuña, se introduce a presión en el chavetero del cubo. La forma de cuña hace que las paredes interiores del cubo compriman fuertemente el árbol, asignándose entre ambos una presión superficial suficiente para la transmisión completa del par.
û Ajuste a presión. Aquí la fuerza de rozamiento se consigue mediante ajuste por interferencia. El ajuste se consigue mediante el uso de prensas o bien calentado la rueda (para que el cubo se dilate) o enfriando el árbol. Presenta la ventaja de repartir perimetralmente la presión.
Existe una tercera técnica, combinación de las anteriores, que es utilizar cubos y ejes nervados para dar mayor rigidez a la unión.
8. TRENES DE ENGRANAJES.
Cuando un piñón engrana con una rueda, esta última girará en sentido contrario al piñón y con una velocidad que dependerá de la relación entre los diámetros primitivos y por tanto del número de dientes de ambas ruedas.
. Si quisiéramos que ambas ruedas giraran en el mismo sentido, una solución sería colocar un tercer piñón intermedio que gire libre (loco). Acabaríamos de construir un tren de engranajes pues estos no son más que mecanismos trasmisores de movimiento formados por tres o más ruedas.
Cuando se quieren conseguir grandes cambios de velocidades entre ejes será conveniente el uso de un tren de engranajes. Si se usaran un solo engranaje existirían grandes diferencias entres los diámetros de la rueda y el piñón y consecuentemente problemas constructivos. La utilización de trenes de engranajes está indicada para aquellos casos en los que la i deseada sea aproximadamente mayor de 6, para trenes reductores y 1/6 para multiplicadores.
La relación de transmisión, i, de un tren será igual al cociente entre producto del número de dientes de ruedas conductoras entre el producto del número de dientes de ruedas conducidas. Por ejemplo en el caso del piñón loco mencionado la relación de transmisión sería igual sin que este estuviese pues actúa de conductor y conducido.
9. CAJAS DE VELOCIDADES
Entre las aplicaciones clásicas de los trenes de engranajes encontramos el sistema diferencial de los automóviles (que permite tomar una curva con igual momento tractor en ambas ruedas), el mecanismo amplificador de un reloj comparador y por supuesto las cajas de velocidades.
Su misión será la de modificar la velocidad de rotación de un eje de entrada para conseguir una velocidad de salida variable escalonada. El resultado, generalmente, es la reducción de velocidad de giro e incremento del par torsor.
Este cambio de la velocidad se consigue variando la relación de transmisión al cambiar el número de dientes que entran en juego en cada posición. Para cambiar de posición, existen varios procedimientos: engranajes desplazables, ruedas con chavetas desplazables… etc. Los dientes de los engranajes de las cajas normales son helicoidales y sus bordes están redondeados para no producir ruido o rechazo cuando se cambia de velocidad.
Especial mención merecen las cajas de cambio automáticas (como la que montan vehículos de alta gama). Se fundamentan en la facilidad de variar la relación de transmisión en los trenes epicicloidales (ruedas planetarias, brazo y corona) simples de tres ruedas.
- MANTENIMIENTO
Decíamos que una de las principales causas en el acortamiento de vida de los engranajes es la falta o deficiencia en su lubricación. Dicha lubricación estará en función directa con la carga aplicada y la velocidad de giro.
Para bajas cargas y velocidades (<4 m/s), los engranajes suelen lubricarse con grasas.
Cuando uno de estos parámetros aumenta la lubricación se realiza por aceite mediante alguno de los siguientes procedimientos:
û Lubricación por Inmersión y salpique, para 
û Lubricación por inyección y circulación, con refrigeración posterior para 
.
Afortunadamente, la lubricación de los engranajes es de tipo elastohidrodinámico con la consiguiente formación de una película de aceite cuyo espesor es mayor que el tamaño de las rugosidades superficiales.
Además de realizar una buena lubricación son convenientes operaciones de mantenimiento preventivo y predictivo basadas en la medición de temperatura de los aceites, escucha de las transmisiones, aspecto superficial, colocación de acelerómetros…etc.