ENGRANAJE RECTO:Est formado por dos ruedas dentadas cilndricas
rectas. Es unmecanismo de transmisinrobusto, pero que slo transmite
movimiento entre rboles prximos y, en general, paralelos. En
algunos casos puede ser un sistema ruidoso, pero que es til para
transmitir potencias elevadas. Requiere lubricacin para minimizar
el rozamiento. Podis observar engranajes en mquinas de escribir.
Veris que las ruedas giran en sentido opuesto.Cada rueda dentada se
caracteriza por el nmero de dientes y por el dimetro de la
circunferencia primitiva. Estos dos valores determinan el paso, que
debe ser el mismo en ambas ruedas. A la rueda ms pequea se le suele
llamar pin.Larelacin de transmisindel mecanismo queda determinada
por el nmero de dientes de las ruedas segn la expresin.
ENGRANAJES HELICOIDALES:Un engranaje helicoidal puede
considerarse como un engranaje recto comn maquinado en un equipo de
lminas delgadas donde cada una de ella ha girado ligeramente con
respecto a sus vecinas (Figura A). En la (figura B) se muestra una
transmisin por engranaje helicoidal, con los dientes del engranaje
cortados en una espiral que se envuelve alrededor de un cilindro.
Los dientes helicoidales entran a la zona de acoplamiento
progresivamente y, por lo tanto, tienen una accin ms suave que los
dientes de los engranajes rectos.
ENGRANAJES CONICOS:Es un mecanismo formado por dosruedas
dentadastroncocnicas. El paso de estas ruedas depende de la seccin
considerada, por lo que deben engranar con ruedas de caractersticas
semejantes. El mecanismo permite transmitir movimiento entre rboles
con ejes que se cortan. En los taladros se usa este mecanismo para
cambiar de broca.Aunque normalmente los ejes de los rboles son
perpendiculares, el sistema funciona tambin para ngulos arbitrarios
entre 0 y 180. Las prestaciones del mecanismo son parecidas a las
del engranaje recto.
ENGRANAJES SIN FINEl engranaje de tornillo sinfn (fig. 1) se
utiliza para transmitir la potencia entre ejes que se cruzan, casi
siempre perpendicularmente entre s. En un pequeo espacio se pueden
obtener satisfactoriamente relaciones de velocidad comparativamente
altas, aunque quiz a costa del rendimiento en equiparacin con otros
tipos de engranajes. El contacto de impacto en el engrane de los
engranajes rectos y de otros tipos no existe en los de tornillo
sinfn. En vez de esto, los filetes deslizan en contacto permanente
con los dientes de la rueda, lo que da por resultado un
funcionamiento silencioso si el diseo, la fabricacin y el
funcionamiento son correctos. Como el deslizamiento es mayor, a
veces se originan dificultades por el calor debido al rozamiento.
En condiciones extremas de carga la caja o crter de engranajes se
puede calentar.
Materiales para engranajesLos engranajes pueden fabricarse de
una variedad de materiales muy extensa para obtener las propiedades
adecuadas para el uso que se les va a dar. Desde el punto de vista
del diseo mecnico, la resistencia y la durabilidad, es decir la
resistencia al desgaste, son las propiedades ms importantes. Sin
embargo, en general, el diseadordeber considerar la capacidad para
fabricar el engrane, tomando en cuenta todos losprocesos de
fabricacin que intervienen desde la preparacin del disco para el
engranepasando por la formacin de los dientes de engrane hasta el
ensamble final de este en una maquina. Otras consideraciones que
deben ponderarse son peso, aspecto, resistencia a la corrosin,
ruido y, desde luego, costo.Materiales para engranajes de
aceroAceros endurecidos directamenteLos aceros para impulsores de
herramientas mecnicas y muchos tipos de reductores de velocidad y
transmisiones para trabajo entre medio y pesado, por lo regular, se
fabrican de acero al medio carbn. Entre laamplia gama de aceros al
carbn yacero con aleacin que se utilizan estn AISI 1020, AISI 3140,
AISI 4340, AISI 1040, AISI 4140, AISI 6150, AISI 1050, AISI 4150,
AISI 8650La siguiente tabla muestra informacin del estndar AGMA
2001-B88 para el nmero de tensin por flexin permisible, sat , y el
nmero de tensin o esfuerzo por contacto, sac, que puede tolerarse
para aceros que presentan la condicin de endurecimiento directo.
Observe que solo se necesita conocer la dureza superficial debido a
la resistencia directa entre dureza y la resistencia a la tensin
por esfuerzo de traccin de los aceros. Puede utilizar cualquiera de
las aleaciones que recin enumeramos suponiendo que se les haya dado
el tratamiento trmico adecuado para obtener la dureza que se
pretende. El smbolo HB se emplea para indicar el nmero de dureza
Brinell.
Tambin en la tabla se enumeran valores para dos grados de acero,
grado 1 y grado 2.Los grados difieren en cuanto al grado de control
de la micro estructura, la limpieza de la composicin con que se
lleva a cabo la aleacin, tratamiento trmico previo, pruebas no
destructivas que se realizaron, valores de dureza en el ncleo y
otros factores. Los materiales de grado 2 se controlan en forma ms
estricta y se permiten niveles de tensin ms altos de entre 10% a
30% aproximadamente. Sin embargo, se requieren de un alto grado de
diligencia en el proceso real de produccin y en tcnicas de
inspeccin. Las figuras siguientes son grficas de sat y sac contra
el nmero de dureza Brinell, HB.Se muestran curvas tanto para el
grado 1 como para el grado 2
Aceros endurecidos en forma superficial El endurecimiento
mediante flama, endurecimiento por induccin, la carburizacin y la
nitruracin son procesos que se emplean para obtener una alta dureza
en la capa superficial de los dientes de un engrane. Estos procesos
proporcionan valores de dureza superficial de 50 a 64 HRC (Rockwell
C) y, en consecuencia, altos valores de sat y sac ,como se ilustra
en la siguiente tabla
A continuacin procedemos a hacer anlisis especiales para cada
uno de los tipos de endurecimiento superficial. Dientes de
engranajes endurecidos mediante flama y por induccinRecuerde que
estos procesos implican el calentamiento a nivel local de la
superficie de engrane por medio de flamas, generadas por gas, a
altas temperaturas o mediante bobinas de induccin elctrica. Al
controlar el tiempo y la entrada de energa, es posible controlar la
profundidad del calentamiento y la profundidad de la superficie que
se obtiene como resultado. Es fundamental que el calentamiento
tenga alrededor de todo el diente y en las reas del chafln y de la
raz para poder utilizar los valores de tensin que se enumeran en la
tabla anterior. Esto quiz requiera un diseo especial para la forma
de la flama o el calentador por induccin. Las especificaciones para
dientes de engranaje de acero endurecido por flama o por induccin
exigen una dureza resultante de HRC 50 a 54. Debido a que estos
procesos recurren a la capacidad inherente de los aceros para ser
endurecidos, debe especificar un material que pueda endurecerse a
estos niveles. Por lo regular, se especifican aceros con aleaciones
al medio carbn, aproximadamente de 0.40% a 0.60% de
carbn.CarbonizacinLa carbonizacin produce una dureza superficial en
el rango de 55 a 64 HRC y da por resultado una de las durezas ms
considerables de uso comn para engranes. La figura siguiente
muestra las sugerencias de AGMA en cuanto al espesor de la
superficie para dientes de acero carburizados. La profundidad
efectiva para la superficie endurecida se define como la
profundidad a partir de la superficie hasta el punto en el que la
dureza ha alcanzado los 50 HRC
NitruracinMediante la nitruracin se obtiene una superficie muy
dura pero muy delgada. Se especfica para aplicaciones en las que
las cargas son ligeras y se conocen bien. La nitruracin se debe
evitar cuando es probable que se presenten cargas o choques
excesivos porque la superficie no es lo suficiente resistente o no
est bien apoyada para resistir tales cargas. Debido a lo delgado de
la carga superficial, la escala Rockwell 15Nse emplea para
especificar la dureza. La siguiente figura muestra las
recomendaciones o sugerencias de AGMA para la profundidad
superficial de engranes nitrurados, la cual se define como la
profundidad por debajo de la superficie a la cual la dureza ha
disminuido hasta un 110% de la dureza en el ncleo de los
dientes
Hierro y bronce como materiales para fabricar engranajes Hierros
fundidosTres tipos de hierros que se emplean para fabricar engranes
son: hierro gris fundido ,hierro nodular (en ocasiones se le da el
nombre de hierro dctil) y hierro maleable. La siguiente tabla
proporciona los grados ASTM comunes que se utilizan junto con sus
nmeros correspondientes de tensin por flexin permisible y nmeros de
tensin por contacto. Recuerde que el acero gris flexible es
quebradizo, por tanto, hay que tener cuidado cuando sea probable
que se presente carga por choque. A su vez, las formas que tienen
ms alta resistencia de los otros hierros tienen baja ductilidad. El
hierro dctiles temperado se est utilizando en algunas aplicaciones
importantes en la industria automotriz. Sin embargo, los nmeros de
tensin permisible estandarizados an no se han especificado.
BroncesPor lo regular, para fabricar engranajes se utilizan cuatro
tipos de bronce: bronce con fsforo o estao, bronce con manganeso,
bronce con aluminio y bronce con slice. El latn amarillo tambin se
utiliza. Casi todos los bronces son fundidos, sin embargo, se puede
disponer de algunos forjados. La resistencia a la corrosin, buenas
propiedades en cuanto a desgaste y coeficientes de friccin bajos
son algunas razones para optar por los bronces para fabricar
engranes. En la tabla siguiente tambin se muestra nmeros de tensin
permisibles para dos aleaciones de bronce
Materiales plsticos para engranesLos plsticos se desempean bien
en aplicaciones donde se desea peso ligero, operacin silenciosa,
baja friccin, resistencia a la corrosin aceptable y buenas
propiedades en cuanto a desgaste. Debido a que las resistencias son
significativamente temas bajas que las de casi todos los materiales
metlicos para fabricar engranes, los plsticos se emplean en
dispositivos que se someten a cargas, en alguna medida, ligeras. A
menudo, los materiales plsticos pueden moldearse para darles su
forma final sin el maquinado subsecuente lo cual representa
ventajas en lo relativo a costos. Algunos de los materiales
plsticos que se utilizan para fabricar engranes son:
- Tratamientos trmicos y Medicin de dureza.Tratamientos
trmicosLos tratamientos trmicos tienen por objeto mejorar las
propiedades y caractersticas de los aceros, y consisten en calentar
y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas
adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en
condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura
microscpica de los aceros, se verifican transformaciones fsicas y a
veces hay tambin cambios en la composicin del metal.El tiempo y la
temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre
de antemano, de acuerdo con la composicin del acero, la forma y el
tamao de las piezas y las caractersticas que se desean obtener.A
continuacin se detallan los tratamientos trmicos comnmente
utilizados en la fabricacin de engranajes.Temple: El temple tiene
por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para
ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente ms elevada
que la crtica superior (aproximadamente 900 a 950C) y se enfra
luego ms o menos rpidamente (segn la composicin y el tamao de la
pieza) en un medio conveniente, agua, aceite, etc.
Revenido: Es un tratamiento que se da a las piezas que han sido
previamente templadas. Lo que se consigue es disminuir la dureza y
resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones
creadas en el temple y se mejora la tenacidad, quedando adems el
acero con la dureza o resistencia deseada.Temple superficial: Es un
procedimiento mediante el cual se endurece solamente la capa
superficial de las piezas. El calentamiento puede realizarse por
corrientes inducidas, pudindose regular perfectamente la
profundidad del calentamiento y con ello la penetracin de la
dureza. Una vez conseguida la temperatura de temple, se enfra
generalmente en agua preparada para tal fin. Cementacin: Mediante
este tratamiento se producen cambios en la composicin qumica del
acero. Adems de considerar el tiempo y temperatura como factores
fundamentales, hay que tener tambin en cuenta el medio o atmsfera
que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Lo
que se busca es aumentar el contenido de carbono de la zona
perifrica, obtenindose despus, por medio de temples y revenidos,
una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena
tenacidad en el ncleo. El espesor de la capa endurecida se logra
variando la profundidad de la capa cementada.Calentamiento por
corrientes inducidasLos equipos de tratamientos trmicos por
induccin han tenido un gran desarrollo desde 1950. Los dos
tratamientos trmicos ms frecuentemente realizados por induccin son
el temple y el revenido de los aceros.En la figura siguiente se
ilustra la profundidad de la capa endurecida en el perfil de los
dientes de engranajes.
PROCESOS DE FABRICACIONFundamentos de la fabricacin de ruedas
dentadas La eleccin del procedimiento de fabricacin depende del
material, de las dimensiones, del nmero de piezas y de la calidad
del dentado. En ruedas dentadas para la construccin de mquinas,
figura en primer trmino la produccin del dentado con arranque de
viruta, por cepillado, fresado, brochado, afeitado y rectificado.
La produccin sin arranque de viruta, mediante fundicin, inyeccin,
troquelado, forja con estampa o sinterizado de las ruedas enteras
en una forma perfilada, y adems por estampacin o por extrusin,
valindose del correspondiente til perfilado de corte o de extrusin,
se emplea especialmente para pequeas ruedas dentadas y gran serie
de piezas a fabricar, o donde solo se requiera de una precisin
moderada. Particularmente podemos mencionar que los engranajes
pequeos casi siempre se fabrican de una barra o una barra forjada,
la maza, el alma, los rayos y la corona se maquinan hasta que
alcanzan, o casi alcanzan, sus dimensiones finales antes que se
fabriquen los dientes de los engranes. El ancho o espesor de la
cara y el dimetro externo de los dientes de los engranes tambin se
fabrican en esta etapa. Los engranajes de gran tamao a menudo se
fabrican a partir de componentes. La corona y la parte en la que se
maquinan los dientes pueden rolarse a partir de una barra plana
hasta darle forma de anillo y luego se sueldan. Despus el alma o
los rayos y la maza se sueldan dentro del anillo. Los engranes muy
grandes se pueden fabricar en segmentos y el ensamble final de
estos se hace soldndolos o mediante afianzadores mecnicos. La
siguiente sinopsis permite, distinguir las principales
caractersticas de estos procedimientos.1. Procedimiento de
rodadura(proceso de corte envolvente)La herramienta ejecuta aqu,
adems del movimiento de corte (movimiento de acepillado, mortajado,
fresado, afeitado, rectificado), y adems del movimiento de avance,
un movimiento de rodadura en relacin con la rueda dentada z1 que se
fabrica ,tal como lo hara una rueda dentada z 2 que engranara con
la rueda dentada z1 por ejemplo, una cremallera. Por consiguiente,
la herramienta debe poseer el perfil de z 2 (enel caso limite,
nicamente el perfil de un flanco de diente de z 2). Los flancos de
los dientes de z 1 se originan como envolventes de los cortes del
flanco de la herramienta. La ventaja ms importante consiste en que
se precisa slo una herramienta para fabricar ruedas dentadas de
cualquier nmero de dientes, pero de igual tamao de diente (mismo
mdulo); en caso de fabricarse por separado los flancos izquierdo y
derecho, basta incluso una sola herramienta para todos los tamaos y
nmeros de dientes. ) En el procedimiento de la rodadura continua el
movimiento de rodadura se efecta de un modo continuo sin ser
interrumpido por procesos parciales. Como herramienta se utiliza
una rueda para mortajar, afeitar o estampar, o un tornillo para
fresar, afeitar o rectificar. Ventaja: fabricacin ininterrumpida y
sin movimiento parcial diente, por diente. El procedimiento con
rueda mortajadora es adecuado tambin para la obtencin de ruedas
huecas (dentado interior) y adems para la fabricacin de dentados en
ngulo, sin interrupcin de los dientes en el vrtice del ngulo.
Inconveniente: la exactitud del dentado depende de las ruedas
intermedias de la mquina de dentar (defectos peridicos). b) En el
procedimiento de rodadura surco a surco el movimiento de la
herramienta ya no es continuo, sino de vaivn; la herramienta es
desengranada despus de cada ciclo de trabajo y, tras avanzar la
rueda dentada en un diente (proceso parcial),comienza el ciclo de
trabajo siguiente, que se ejecuta del mismo modo. Ventaja: la
herramienta (cuchilla peine, fresa de disco o muela con flancos
rectos) es de fcil y exacta fabricacin. La exactitud del paso del
dentado no depende ya del accionamiento de la mesa giratoria y de
la herramienta, sino nicamente de la exactitud del mecanismo
divisor; por lo tanto, los errores parciales no aparecen
peridicamente. Inconveniente: el movimiento de vaivn; la prdida de
tiempo por el retroceso y el movimiento de cambio.2. Procedimiento
de perfilado(Modelado sin movimiento de rodadura)La herramienta,
con un perfil igual al de los huecos de los dientes, se mueve en la
direccin de stos. La herramienta y la rueda dentada hacen contacto
en todo el perfil.) En el procedimiento de perfilado parcial, la
herramienta perfilada (fresa de disco o fresa de espiga,
herramienta de escoplear o de estampar, brocha o muela de esmeril)
corta o amuela un hueco de diente y despus de avanzar, el
siguiente. Ventaja: la herramienta es relativamente sencilla (de un
flanco o de un diente) y la exactitud no depende de ruedas
intermedias; hoy se emplea el procedimiento de nuevo para
rectificar ruedas dentadas, realizndose el perfilado de la muela de
esmeril mediante un movimiento en forma de evolvente del diamante.
Inconveniente: para cada nmero de dientes se precisa una
herramienta.En el procedimiento de perfilado completose emplea una
seccin completa de toda la rueda dentada (negativo de la rueda
dentada) como herramienta de estampar, extrudir, brochar o prensar
para producir las ruedas dentadas. Ventaja: el procedimiento es
sencillo, apropiado para la produccin en gran serie de ruedas
dentadas pequeas (por ejemplo, ruedas dentadas de reloj).
Inconveniente: la herramienta es cara.3. Procedimiento de
modeladoPara la fabricacin se emplea un molde que representa una
matriz espacial completa de la rueda dentada. Las ruedas dentadas
son fundidas, sinterizadas, prensadas inyectadas de una vez,
completas con sus dientes. A esta clase de procedimientos pertenece
tambin el forjado de precisin de ruedas dentadas de acero en
estampa, modernamente empleado en especial para ruedas cnicas de
alta resistencia