Ruedas dentadas

Animacin de dos ruedas dentadas. Pin y rueda o coronaSe denomina ruedas dentadas al mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una mquina. Las ruedas dentadas estn formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona y la menor pin. Una rueda dentada sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones ms importantes de los ruedas dentadas es la transmisin del movimiento desde el eje de una fuente de energa, como puede ser un motor de combustin interna o un motor elctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas est conectada por la fuente de energa y es conocido como engranaje motor y la otra est conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido.[1] Si el sistema est compuesto de ms de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de ruedas dentadas.La principal ventaja que tienen las transmisiones por ruedas dentadas respecto de la transmisin por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la relacin de transmisin.Tipos de ruedas dentadas La principal clasificacin de las ruedas dentadas se efecta segn la disposicin de sus ejes de rotacin y segn los tipos de dentado. Segn estos criterios existen los siguientes tipos de ruedas dentadas:

Pin recto de 17 dientesEjes paralelos:

Ruedas dentadas especiales.

Cilndricos de dientes rectos Cilndricos de dientes helicoidales Doble helicoidalesEjes perpendiculares Helicoidales cruzados Cnicos de dientes rectos Cnicos de dientes helicoidales Cnicos hipoides De rueda y tornillo sinfnPor aplicaciones especiales se pueden citar: Planetarios Interiores De cremalleraPor la forma de transmitir el movimiento se pueden citar: Transmisin simple Transmisin con engranaje loco Transmisin compuesta. Tren de ruedas dentadasTransmisin mediante cadena o polea dentada Mecanismo pin cadena Polea dentadaCaractersticas que definen una rueda dentada de dientes rectos

Elementos de una rueda dentada.

Representacin del desplazamiento del punto de engrane en una rueda dentada recto.Las ruedas dentadas cilndricas rectas son el tipo de engrane ms simple y corriente que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan. Diente de una rueda dentada: son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, est constituido por dos curvas evolventes de crculo, simtricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo. Mdulo: el mdulo de una rueda dentada es una caracterstica de magnitud que se define como la relacin entre la medida del dimetro primitivo expresado en milmetros y el nmero de dientes que es inversamente proporcional al mdulo. El valor del mdulo se fija mediante clculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en funcin de la relacin de transmisin que se establezca. El tamao de los dientes est normalizado. El mdulo est indicado por nmeros. Dos ruedas dentadas que engranen tienen que tener el mismo mdulo. Circunferencia primitiva: es el dimetro que a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relacin al dimetro primitivo se determinan todas las caractersticas que definen los diferentes elementos de los dientes de las ruedas dentadas. Paso circular: es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos. Ancho del diente: es el espesor del diente en la zona de contacto, o sea, sobre dimetro primitivo. Nmero de dientes: es el nmero de dientes que tiene la rueda entada. Se simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relacin de transmisin. El nmero de dientes de una rueda dentada no debe estar por debajo de 17 dientes cuando el ngulo de presin es 20 ni por debajo de 12 dientes cuando el ngulo de presin es de 25. Pie del diente (ha): tambin se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva. Cabeza del diente (hf): tambin se conoce con el nombre de addndum. Es la parte del diente comprendida entre el dimetro exterior y el dimetro primitivo. Flanco: es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento. Altura del diente: es la suma de la altura de la cabeza (addndum) ms la altura del pie (dedndem). Angulo de presin: el que forma la lnea de accin con la tangente a la circunferencia de paso, (20 25 son los ngulos normalizados). Largo del diente: es la longitud que tiene el diente del engranaje Distancia entre centro de dos ruedas dentadas: es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de las ruedas dentadas. Relacin de transmisin: es la relacin de giro que existe entre el pin conductor y la rueda conducida. La i1,2 puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. La relacin de transmisin recomendada[6] tanto en caso de reduccin como de multiplicacin depende de la velocidad que tenga la transmisin con los datos orientativos que se indican:

Velocidad lenta:

Velocidad normal:

Velocidad elevada:

Hay dos tipos de ruedas dentadas, los llamados de diente normal y los de diente corto cuya altura es ms pequea que el considerado como diente normal. En los ruedas dentadas de diente corto, la cabeza del diente vale (), y la altura del pie del diente vale (m) siendo el valor de la altura total del diente ()Frmulas constructivas de las ruedas dentadas rectas

Dimetro primitivo:

Mdulo:

Paso circular:

Nmero de dientes:

Espesor del diente:

Pie del diente: Cabeza del diente: ha =m

Altura del diente:

Distancia entre centros:

Ecuacin de continuidad de transmisin: Involuta del crculo basePara el movimiento que se transmite entre un par de engranes, se suponen dos rodillos en contacto, en donde no hay deslizamiento, al dimetro de estos rodillos se les conoce como dimetro primitivo d y al crculo de base que se construye con Cb se le conoce como crculo primitivo. Con un diente de engrane se pretende prolongar la accin de los rodillos, y es por esa razn que el perfil que los describe es una involuta. Para el dibujado de la involuta es necesario definir primero el crculo base.i.- A partir del crculo primitivo Cb, en el cuadrante superior se traza una recta horizontal tangente al crculo obtenindose el punto A.ii.- Luego, pasando por el punto A se traza la recta de lnea de contacto del ngulo (de presin).iii.- Seguidamente se construye el crculo base concntrico al crculo primitivo tangente a la linea de contacto, la cual fue dibujada empleando el ngulo de presin , obtenindose as el punto B y el radio base rb (segmento OB).

Para dibujar la involuta (ver sig. fig.) debe trazarse un radio del crculo base a un ngulo respecto al eje x, obtenindose as el punto B, luego dibujamos una recta tangente a crculo base a partir del punto B y de longitud igual al arco AB, en donde A es el punto de interseccin del crculo base con el eje x. obtendremos entonces un punto (x,y) que pertenece al lugar geomtrico de la involuta del crculo base. Si repetimos el procedimiento anterior tres veces para distintos y unimos los puntos (x,y) obtenidos empleando plantillas curvas, apreciaremos un bosquejo similar al mostrado en la siguiente figura.

Las ecuaciones paramtricas que modelan el lugar geomtrico de la involuta del crculo base pueden expresarse como:

Ruedas dentadas cilndricos de dientes helicoidales

Engranaje helicoidalLas ruedas dentadas cilndricas de dentado helicoidal estn caracterizadas por su dentado oblicuo con relacin al eje de rotacin. En estos ruedas dentadas el movimiento se transmite de modo igual que en los cilndricos de dentado recto, pero con mayores ventajas. Los ejes de los ruedas dentadas helicoidales pueden ser paralelos o cruzarse, generalmente a 90. Para eliminar el empuje axial el dentado puede hacerse doble helicoidal.Los ruedas dentadas helicoidales tienen la ventaja que transmiten ms potencia que los rectos, y tambin pueden transmitir ms velocidad, son ms silenciosos y ms duraderos; adems, pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. De sus inconvenientes se puede decir que se desgastan ms que los rectos, son ms caros de fabricar y necesitan generalmente ms engrase que los rectos. Lo ms caracterstico de una rueda dentada cilndrica helicoidal es la hlice que forma, siendo considerada la hlice como el avance de una vuelta completa del dimetro primitivo del engranaje. De esta hlice deriva el ngulo que forma el dentado con el eje axial. Este ngulo tiene que ser igual para las dos ruedas que engranan pero de orientacin contraria, o sea: uno a derechas y el otro a izquierda. Su valor se establece a priori de acuerdo con la velocidad que tenga la transmisin, los datos orientativos de este ngulo son los siguientes:Velocidad lenta: = (5 - 10)Velocidad normal: = (15 - 25)Velocidad elevada: = 30

Las relaciones de transmisin que se aconsejan son ms o menos parecidas a las de los ruedas dentadas rectos.Frmulas constructivas de las ruedas dentadas helicoidales cilndricasComo consecuencia de la hlice que tienen las ruedas dentadas helicoidales su proceso de tallado es diferente al de una rueda dentada recto, porque se necesita de una transmisin cinemtica que haga posible conseguir la hlice requerida. Algunos datos dimensionales de estos ruedas dentadas son diferentes de los rectos.

Juego de ruedas dentadas helicoidales

Dimetro primitivo: Mdulo normal o real: Paso normal o real: ngulo de la hlice: Paso de la hlice : Mdulo circular o aparente: Paso circular aparente: Paso axial: Nmero de dientes: Los dems datos tales como addndum, dedndem y distancia entre centros, son los mismos valores que los ruedas dentadas rectos.Ruedas dentadas helicoidales dobles

Vehculo Citron con el logotipo de rodadura de ruedas dentadas helicoidales doblesEste tipo de ruedas dentadas fueron inventados por el fabricante de automviles francs Andr Citron, y el objetivo que consiguen es eliminar el empuje axial que tienen los ruedas dentadas helicoidales simples. Los dientes de las dos ruedas dentadas forman una especie de V.Los ruedas dentadas dobles son una combinacin de hlice derecha e izquierda. El empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los ruedas dentadas helicoidales es una desventaja de ellos y sta se elimina por la reaccin del empuje igual y opuesto de una rama simtrica de un engrane helicoidal doble.Un engrane de doble hlice sufre nicamente la mitad del error de deslizamiento que el de una sola hlice o del engranaje recto. Toda discusin relacionada a los engranes helicoidales sencillos (de ejes paralelos) es aplicable a los ruedas dentadas helicoidales dobles, exceptuando que el ngulo de la hlice es generalmente mayor para los helicoidales dobles, puesto que no hay empuje axial.Con el mtodo inicial de fabricacin, las ruedas dentadas dobles, conocidas como ruedas dentadas de espina, tenan un canal central para separar los dientes opuestos, lo que facilitaba su mecanizado. El desarrollo de las mquinas talladoras mortajadoras por generacin, tipo Sykes, hace posible tener dientes continuos, sin el hueco central. Como curiosidad, la empresa Citron ha adaptado en su logotipo la huella que produce la rodadura de los ruedas dentadas helicoidales dobles.Ruedas dentadas cnicos

Engranaje cnicoSe fabrican a partir de un tronco de cono, formndose los dientes por fresado de su superficie exterior. Estos dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de ruedas dentadas soluciona la transmisin entre ejes que se cortan y que se cruzan. Los datos de clculos de estos ruedas dentadas estn en prontuarios especficos de mecanizado. Ruedas dentadas cnicos de dientes rectosEfectan la transmisin de movimiento de ejes que se cortan en un mismo plano, generalmente en ngulo recto, por medio de superficies cnicas dentadas. Los dientes convergen en el punto de interseccin de los ejes. Son utilizados para efectuar reduccin de velocidad con ejes en 90. Estos ruedas dentadas generan ms ruido que los ruedas dentadas cnicos helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas y lentas. En la actualidad se usan muy poco. Engranaje cnico helicoidalSe utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90. La diferencia con el cnico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un funcionamiento relativamente silencioso. Adems pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. Los datos constructivos de estos ruedas dentadas se encuentran en prontuarios tcnicos de mecanizado. Se mecanizan en fresadoras especiales. Engranaje cnico hipoide

Engranaje cnico hipoideUna rueda dentada hipoide es un grupo de ruedas dentadas cnicas helicoidales formadas por un pin reductor de pocos dientes y una rueda de muchos dientes, que se instala principalmente en los vehculos industriales que tienen la traccin en los ejes traseros. Tiene la ventaja de ser muy adecuado para las carroceras de tipo bajo, ganando as mucha estabilidad el vehculo. Por otra parte la disposicin helicoidal del dentado permite un mayor contacto de los dientes del pin con los de la corona, obtenindose mayor robustez en la transmisin. Su mecanizado es muy complicado y se utilizan para ello mquinas talladoras especiales (Gleason)Tornillo sin fin y corona

Tornillo sin fin de montacargasArtculo principal: Tornillo sin finEs un mecanismo diseado para transmitir grandes esfuerzos, y como reductores de velocidad aumentando la potencia de transmisin. Generalmente trabajan en ejes que se cruzan a 90. Tiene la desventaja de no ser reversible el sentido de giro, sobre todo en grandes relaciones de transmisin y de consumir en rozamiento una parte importante de la potencia. En las construcciones de mayor calidad la corona est fabricada de bronce y el tornillo sin fin, de acero templado con el fin de reducir el rozamiento. Este mecanismo si transmite grandes esfuerzos es necesario que est muy bien lubricado para matizar los desgastes por friccin.El nmero de entradas de un tornillo sin fin suele ser de una a ocho. Los datos de clculo de estos ruedas dentadas estn en prontuarios de mecanizado.Tornillo sin fin y corona dentada

Tornillo sin fin y corona dentadaCon el fin de convertir el punto de contacto en una lnea de contacto y as distribuir mejor la fuerza a transmitir, se suelen fabricar tornillos sin fin que engranan con una corona dentada.Otra forma de distribuir la fuerza a transmitir es utilizar como corona una rueda helicoidal y hacer el tornillo sin fin y corona, de esta manera se consigue aumentar el nmero de dientes que estn en contacto.Finalmente tambin se produce otra forma de acoplamiento donde tanto el tornillo sin fin como la corona tienen forma dentada consiguiendo mejor contacto entre las superficies. Mecanizado de coronas y tornillos sin finEl mecanizado de las coronas de engranaje de tornillo sin fin se puede realizar por medio de fresas normales o por fresas madre. El dimetro de la fresa debe coincidir con el dimetro primitivo del tornillo sin fin con la que engrane si se desea que el contacto sea lineal. El mecanizado del tornillo sin fin se puede hacer por medio de fresas madres o fresas frontales. Tambin se pueden mecanizar en el torno de forma similar al roscado de un tornillo. Para el mecanizado de tornillos sin fin y corona se utiliza el procedimiento de generacin que tienen las mquinas Fellows.Ruedas dentadas interiores

Mecanismo de ruedas dentadas interioresLos ruedas dentadas interiores o anulares son variaciones del engranaje recto en los que los dientes estn tallados en la parte interior de un anillo o de una rueda con reborde, en vez de en el exterior. Los ruedas dentadas interiores suelen ser impulsados por un pin, una rueda dentada pequeo con pocos dientes. Este tipo de engrane mantiene el sentido de la velocidad angular. El tallado de estos ruedas dentadas se realiza mediante talladoras mortajadoras de generacin.Mecanismo de cremallera

CremalleraEl mecanismo de cremallera aplicado a los ruedas dentadas lo constituyen una barra con dientes la cual es considerada como una rueda dentada de dimetro infinito y una rueda dentada de diente recto de menor dimetro, y sirve para transformar un movimiento de rotacin del pin en un movimiento lineal de la cremallera. Quizs la cremallera ms conocida sea la que equipan los tornos para el desplazamiento del carro longitudinal.v = (n * z * p) / 60[m / s]n:velocidad angular. z:nmero de dientes de la rueda dentada. p:paso.Engranaje loco o intermedio

Detalle de engranaje intermedio locoEn un engrane simple de un par de ruedas dentadas, el eje impulsor que se llama eje motor tiene un sentido de giro contrario al que tiene el eje conducido. Esto muchas veces en las mquinas no es conveniente que sea as, porque es necesario que los dos ejes giren en el mismo sentido. Para conseguir este objetivo se intercalan entre los dos ruedas dentadas un tercer engranaje que gira libre en un eje, y que lo nico que hace es invertir el sentido de giro del eje conducido, porque la relacin de transmisin no se altera en absoluto. Esta rueda intermedia hace las veces de motora y conducida y por lo tanto no altera la relacin de transmisin.[15] Un ejemplo de rueda o pin intermedio lo constituye el mecanismo de marcha atrs de los vehculos impulsados por motores de combustin interna, tambin montan ruedas dentadas locos los trenes de laminacin de acero. Los piones planetarios de los mecanismos diferenciales tambin actan como ruedas dentadas locos intermedios.Mecanismo pin cadena

Eslabn de una cadenaEste mecanismo es un mtodo de transmisin muy utilizado porque permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes paralelos, que estn bastante separados. Es el mecanismo de transmisin que utilizan las bicicletas, motos, y en muchas mquinas e instalaciones industriales. Tambin se emplea en sustitucin de los reductores de velocidad por poleas cuando lo importante sea evitar el deslizamiento entre la rueda conductora y el mecanismo de transmisin (en este caso una cadena).El mecanismo consta de una cadena sin fin (cerrada) cuyos eslabones engranan con ruedas dentadas (piones) que estn unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido.

Juego de piones de bicicletaLas cadenas empleadas en esta transmisin suelen tener libertad de movimiento solo en una direccin y tienen que engranar de manera muy precisa con los dientes de los piones. Las partes bsicas de las cadenas son: placa lateral, rodillo y pasador. Las ruedas dentadas suelen ser una placa de acero sin cubo (aunque tambin las hay de materiales plsticos).Para la relacin de transmisin valen las ecuaciones de las ruedas dentadasVentajas e inconvenientesEste sistema aporta beneficios sustanciales respecto al sistema correa-polea, pues al emplear cadenas que engranan en los dientes de los piones se evita el deslizamiento que se produca entre la correa y la polea. Presenta la gran ventaja de mantener la relacin de transmisin constante (pues no existe deslizamiento) incluso transmitiendo grandes potencias entre los ejes (caso de motos y bicicletas), lo que se traduce en mayor eficiencia mecnica (mejor rendimiento). Adems, las cadenas no necesitan estar tan tensas como las correas, lo que se traduce en menores averas en los rodamientos de los piones.Presenta el inconveniente de ser ms costoso, ms ruidoso y de funcionamiento menos flexible, al no permitir la inversin del sentido de giro ni la transmisin entre ejes cruzados; adems necesita una lubricacin (engrase) adecuada.[16]Poleas dentadas [editar]

Transmisin por poleas dentadasPara la transmisin entre dos ejes que estn separados a una distancia donde no sea econmico o tcnicamente imposible montar una transmisin por ruedas dentadas se recurre a un montaje con poleas dentadas que mantienen las mismas propiedades que los ruedas dentadas es decir, que evitan el patinamiento y mantienen exactitud en la relacin de transmisin.Los datos ms importantes de las poleas dentadas son:Nmero de dientes, paso, y ancho de la poleaEl paso es la distancia entre los centros de las ranuras y se mide en el crculo de paso de la polea. El crculo de paso de la polea dentada coincide con la lnea de paso de la banda correspondiente.Las poleas dentadas se fabrican en diversos materiales tales como aluminio, acero y fundicin.Las poleas dentadas normalizadas se fabrican en los siguientes pasos en pulgadas: MXL: Mini Extra Ligero (0.080"), XL: Extra Ligero (0.200"), L: Ligero (0.375"), H: Pesado (0.500"), XH: Extra Pesado (0.875") y XXH: Doble Extra Pesado (1.250").Los pasos mtricos son los siguientes:T2,5 (Paso 2,5 mm), T5 (Paso 5 mm), T10 (Paso 10mm) y T20 (Paso 20 mm). Ejes estriados

Transmisin por ejes estriadosSe denominan ejes estriados (splined shaft) a los ejes que se les mecaniza unas ranuras en la zona que tiene para acoplarse con una rueda dentada u otros componentes para dar mayor rigidez al acoplamiento que la que produce un simple chavetero. Estos ejes estriados no son en s una rueda dentada pero la forma de mecanizarlos es similar a la que se utilizan para mecanizar ruedas dentadas y por eso forman parte de este artculo. Los ejes estriados se acoplan a los agujeros de ruedas dentadas u otros componentes que han sido mecanizados en brochadoras para que el acoplamiento sea adecuado. Este sistema de fijacin es muy robusto. Se utiliza en ruedas dentadas de cajas de velocidades y en palieres de transmisin. Hay una norma que regula las dimensiones y formato de los ejes estriados que es la norma DIN-5643. Aplicaciones de los ruedas dentadas

Caja de velocidadesExiste una gran variedad de formas y tamaos de ruedas dentadas, desde los ms pequeos usados en relojera e instrumentos cientficos (se alcanza el mdulo 0,05) a los de grandes dimensiones, empleados, por ejemplo, en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fbricas de cemento, etc.El campo de aplicacin de los ruedas dentadas es prcticamente ilimitado. Los encontramos en las centrales de produccin de energa elctrica, hidroelctrica y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automviles, transporte martimo en buques de todas clases, aviones, en la industria siderrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros, fbricas de cemento, gras, montacargas, mquinas-herramientas, maquinaria textil, de alimentacin, de vestir y calzar, industria qumica y farmacutica, etc., hasta los ms simples movimientos de accionamiento manual.Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que tiene por nica finalidad la transmisin de la rotacin o giro de un eje a otro distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del primero.Incluso, algunos engranes coloridos y hechos de plstico son usados en algunos juguetes educativos.Bomba hidrulica

Bomba hidrulicaUna bomba hidrulica es un dispositivo tal que recibiendo energa mecnica de una fuente exterior la transforma en una energa de presin transmisible de un lugar a otro de un sistema hidrulico a travs de un lquido cuyas molculas estn sometidas precisamente a esa presin. Las bombas hidrulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o lquido hidrulico, transformando la energa mecnica rotatoria en energa hidrulica. Hay un tipo de bomba hidrulica que lleva en su interior un par de ruedas dentadas de igual nmero de dientes que al girar provocan que se produzca el trasiego de aceites u otros lquidos. Una bomba hidrulica la equipan todas las mquinas que tengan circuitos hidrulicos y todos los motores trmicos para lubricar sus piezas mviles.Mecanismo diferencial

Mecanismo diferencialEl mecanismo diferencial tiene por objeto permitir que cuando el vehculo d una curva sus ruedas propulsoras puedan describir sus respectivas trayectorias sin patinar sobre el suelo. La necesidad de este dispositivo se explica por el hecho de que al dar una curva el coche, las ruedas interiores a la misma recorren un espacio menor que las situadas en el lado exterior, puesto que las primeras describen una circunferencia de menor radio que las segundas.El mecanismo diferencial est constituido por una serie de ruedas dentadas dispuestos de tal forma que permite a las dos ruedas motrices de los vehculos girar a velocidad distinta cuando circulan por una curva. As si el vehculo toma una curva a la derecha, las ruedas interiores giran ms despacio que las exteriores, y los satlites encuentran mayor dificultad en mover los planetarios de los semiejes de la derecha porque empiezan a rotar alrededor de su eje haciendo girar los planetarios de la izquierda a una velocidad ligeramente superior. De esta forma provocan una rotacin ms rpida del semieje y de la rueda motriz izquierda. El mecanismo diferencial est constituido por dos piones cnicos llamados planetarios, unidos a extremos de los palieres de las ruedas y otros dos piones cnicos llamados satlites montados en los extremos de sus eje porta satlites y que se engranan con los planetarios.Una variante del diferencial convencional est constituida por el diferencial autoblocante que se instala opcionalmente en los vehculos todo-terreno para viajar sobre hielo o nieve o para tomar las curvas a gran velocidad en caso de los automviles de competicin.[20]Caja de velocidades

Eje secundario de caja de cambiosEn los vehculos, la caja de cambios o caja de velocidades es el elemento encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisin con diferentes relaciones de engranes o ruedas dentadas, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigeal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de traccin generalmente es la reduccin de velocidad de giro e incremento del torque.Los dientes de los ruedas dentadas de las cajas de cambio son helicoidales y sus bordes estn redondeados para no producir ruido o rechazo cuando se cambia de velocidad. La fabricacin de los dientes de los ruedas dentadas es muy cuidada para que sean de gran duracin. Los ejes del cambio estn soportados por rodamientos de bolas y todo el mecanismo est sumergido en aceite denso para mantenerse continuamente lubricado.[1]Reductores de velocidad

Mecanismo reductor bsicoEl problema bsico de las mquinas es reducir la alta velocidad de los motores a una velocidad utilizable por los equipos de las mquinas. Adems de reducir se deben contemplar las posiciones de los ejes de entrada y salida y la potencia mecnica a transmitir.Para potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos formados por un motor elctrico y un conjunto reductor integrado.Para potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor. Los reductores consisten en pares de ruedas dentadas con gran diferencia de dimetros, de esta forma el engrane de menor dimetro debe dar muchas vueltas para que el de dimetro mayor de una vuelta, de esta forma se reduce la velocidad de giro. Para obtener grandes reducciones se repite este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno a continuacin del otro.El reductor bsico est formado por mecanismo de tornillo sinfn y corona. En este tipo de mecanismo el efecto del rozamiento en los flancos del diente hace que estas ruedas dentadas tengan los rendimientos ms bajos de todas las transmisiones; dicho rendimiento se sita entre un 40 y un 90% aproximadamente, dependiendo de las caractersticas del reductor y del trabajo al que est sometido. Factores que elevan el rendimiento: ngulos de avance elevados en el tornillo. Rozamiento bajo (buena lubricacin) del equipo. Potencia transmitida elevada. Relacin de transmisin baja (factor ms determinante).Existen otras disposiciones para los engranajes en los reductores de velocidad, estas se denominan conforme a la disposicin del eje de salida (eje lento) en comparacin con el eje de entrada (eje rpido). As pues seran los llamados reductores de velocidad de ruedas dentadas coaxiales, paralelos, ortogonales y mixtos (paralelos + sin fin corona). En los trenes coaxiales, paralelos y ortogonales se considera un rendimiento aproximado del 97-98%, en los mixtos se estima entre un 70% y un 90% de rendimiento.Adems, existen los llamados reductores de velocidad de disposicon epicicloidal, tcnicamente son de ejes coaxiales y se distinguen por su formato compacto, alta capacidad de trasmisin de par y su extrema sensibilidad a la temperatura.Las cajas reductoras suelen fabricarse en fundicin gris dotndola de retenes para que no salga el aceite del interior de la caja.Caractersticas de los reductores Potencia, en Kw o en Hp, de entrada y de salida. Velocidad, en RPM, de entrada y de salida. Velocidad a la salida.(RPM) Relacin de transmisin Factor de seguridad o de servicio (Fs) Par transmitido (Mn1- Eje rpido) (Mn2-Eje lento)Mecanizado de ruedas dentadasTallado de dientes

Tallado de una rueda dentada helicoidal con fresa madre.

Fresa para tallar ruedas dentadasComo los ruedas dentadas son unos mecanismos que se incorporan en la mayora de mquinas que se construyen y especialmente en todas las que llevan incorporados motores trmicos o elctricos, hace necesario que cada da se tengan que mecanizar millones de ruedas dentadas diferentes, y por lo tanto el nivel tecnolgico que se ha alcanzado para mecanizar ruedas dentadas es muy elevado tanto en las mquinas que se utilizan como en las herramientas de corte que los conforman.Antes de proceder al mecanizado de los dientes los ruedas dentadas han pasado por otras mquinas 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 trmico y posterior mecanizado de alguna de sus zonas.El mecanizado de los dientes de los ruedas dentadas a nivel industrial se realizan en mquinas talladoras construidas ex-profeso para este fin, llamadas fresas madres.Caractersticas tcnicas de la talladora LC-500 LIEBHERR (Ejemplo)

Caractersticas tcnicas talladora ruedas dentadasMdulo: 12/14Dimetro engranaje: 500 mmRecorrido axial: 1000 mmCurso schift: 220/300 mmDimetro fresa de corte: 210 mmLongitud fresa de corte: 260 mmVelocidad de giro: 1000 r.p.m.

Fresa modular para tallado de dientes en fresadora universal

Mecanismo divisor para el tallado de engranaje en fresadora universalEl tallado de ruedas dentadas en fresadora universal con mecanismo divisor, prcticamente no se utiliza, sin embargo el fresado de ejes estriados con pocas estras tales como los palieres de las ruedas de camiones, si se puede hacer en fresadora universal pero con un mecanismo divisor automtico y estando tambin automatizado todo el proceso de movimientos de la fresadora.Las ruedas dentadas normales cilndricas tantas rectas como helicoidales se mecanizan en talladoras de gran produccin y precisin, cada talladora tiene sus constantes y sus transmisiones adecuadas para fabricar el engranaje que se programe. Tipo Liebherr, Hurth, Pfauter, etc.Los ruedas dentadas interiores no se pueden mecanizar en la talladoras universales y para ese tipo de mecanizados se utilizan unas talladoras llamadas mortajadoras por generacin, tipo Sykes.Para los ruedas dentadas cnicos hipoides se utilizan mquinas talladoras especiales tipo Gleason. Para el mecanizado de tornillos sinfn y corona se pueden utilizar mquinas especiales tipo Fellows.Chaflanado y redondeado de dientesEsta operacin se realiza especialmente en los ruedas dentadas desplazables de las cajas de velocidad para facilitar el engrane cuando se produce el cambio de velocidad. Hay mquinas y herramientas especiales (Hurth) que realizan esta tarea. Rectificado de los dientes de los ruedas dentadasEl rectificado de los dientes cuando es necesario hacerlo, se realiza despus de haber sido endurecida la pieza en un proceso de tratamiento trmico adecuado y se puede realizar por rectificacin por generacin y rectificacin de perfiles o con herramientas CBN repasables o con capa galvanizada.Los rectificados de ruedas dentadas con muelas y de perfiles es una tecnologa muy avanzada y ha logrado una capacidad notoria con la utilizacin de modernas herramientas de corindn aglutinado. BruidoEl bruido de los ruedas dentadas se aplica a aquellos que estn sometidos a grandes resistencias, por ejemplo el grupo pin-corona hipoide de las transmisiones de los camiones o tractores. El bruido genera una geometra final de los dientes de alta calidad en los ruedas dentadas que han sido endurecidos, al mismo tiempo que mejora el desprendimiento y las estructuras de las superficies.Afilado de fresas Las fresas que se utilizan para tallar ruedas dentadas son de perfil constante, lo que significa que admiten un nmero muy elevado de afilados cuando el filo de corte se ha deteriorado. Existe en el mercado una amplia gama de afiladoras para todos los tipos de herramientas que se utilizan en el mecanizado de los ruedas dentadas.[26] La vida til de las herramientas es uno de los asuntos ms significativos con respecto a los costos y a la disponibilidad de produccin. Las afiladoras modernas estn equipadas, por ejemplo, con accionamientos directos, motores lineares y sistemas digitales de medicin.[27]Tcnicas de recorrido del material En las industrias modernas y automatizadas de mecanizados la tcnica de recorrido de material comprende la manipulacin automtica de piezas de trabajo en los sistemas de produccin incluso la carga y descarga de mquinas-herramientas as como el almacenamiento de piezas.Gestin econmica del mecanizado de ruedas dentadas Cuando los ingenieros disean una mquina, 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 tecnolgico ha tenido como objetivo conseguir la mxima calidad posible de los componentes as como el precio ms bajo posible tanto de la materia prima como de los costes de mecanizado.Para reducir el coste del mecanizado de los ruedas dentadas se ha actuado en los siguientes frentes: Conseguir materiales cada vez mejor mecanizables, materiales que una vez mecanizados en blando son endurecidos mediante tratamientos trmicos que mejoran de forma muy sensible sus prestaciones mecnicas de dureza y resistencia principalmente. Conseguir herramientas de corte de una calidad extraordinaria que permite aumentar de forma considerable las condiciones tecnolgicas del mecanizado, o sea, ms revoluciones de la herramienta de corte, ms avance de trabajo, y ms tiempo de duracin de su filo de corte. Conseguir talladoras de ruedas dentadas ms robustas, rpidas, precisas y adaptadas a las necesidades de produccin que consiguen reducir sensiblemente el tiempo de mecanizado as como conseguir piezas de mayor calidad y tolerancia ms estrechas.Para disminuir el ndice de piezas defectuosas se ha conseguido automatizar al mximo el trabajo de las talladoras, construyendo talladoras automticas muy sofisticadas o guiadas por control numrico que ejecutan un mecanizado de acuerdo a un programa establecido previamente.Clculo de ruedas dentadas Artculo principal: Clculo de ruedas dentadasSe llama clculo de ruedas dentadas a las operaciones de diseo y clculo de la geometra de una rueda dentada, para su fabricacin. Principalmente los dimetros y el perfil del diente. Tambin se consideran los clculos de las transmisiones cinemticas que hay que montar en las mquinas talladoras de acuerdo a las caractersticas que tenga el engranaje, y que est en funcin de las caractersticas de la mquina talladora que se utilice.Relaciones de transmisin Artculo principal: Velocidad de transmisin

Transmisin compuestaHay tres tipos de transmisiones posibles que se establecen mediante ruedas dentadas:[28] Transmisin simple Transmisin con pin intermedio o loco Transmisin compuesta por varios ruedas dentadas conocido como tren de ruedas dentadas.La transmisin simple la forman dos ruedas dentadas, el sentido de giro del eje conducido es contrario al sentido de giro del eje motor, y el valor de la relacin de transmisin es:Ecuacin general de transmisin:

La transmisin con pin intermedio o loco est constituida por tres ruedas dentadas, donde la rueda dentada intermedia solamente sirve para invertir el sentido de giro del eje conducido y hacer que gire en el mismo sentido del eje motor. La relacin de transmisin es la misma que en la transmisin simple.La transmisin compuesta se utiliza cuando la relacin de transmisin final es muy alta, y no se puede conseguir con una transmisin simple, o cuando la distancia entre ejes es muy grande y sera necesario hacer ruedas dentadas de gran dimetro. La transmisin compuesta consiste en ir intercalando pares de ruedas dentadas unidas entre el eje motor y el eje conducido. Estas ruedas dentadas giran de forma libre en el eje que se alojan pero estn unidos de forma solidaria los dos ruedas dentadas de forma que uno de ellos acta de rueda dentada motora y el otro acta como rueda dentada conducida. La relacin de transmisin de transmisiones compuestas es:Ecuacin general de transmisin:

Tratamiento trmico de los ruedas dentadasTratamiento trmicoLos ruedas dentadas estn sometidos a grandes presiones tanto en la superficie de contacto y por eso el tratamiento que la mayora de ellos recibe consiste en un tratamiento trmico de cementacin o nitruracin con lo cual se obtiene una gran dureza en la zona de contacto de los dientes y una tenacidad en el ncleo que evite su rotura por un sobreesfuerzo.La cementacin consiste en efectuar un calentamiento prolongado en un horno de atmsfera 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 friccin a que se someten los ruedas dentadas.Los ruedas dentadas que se someten a cementacin estn fabricados de aceros especiales adecuados para la cementacin.Otra veces el tratamiento trmico que se aplica a los ruedas dentadas es el de nitruracin, que est basado en la accin que ejercen sobre la superficie exterior de las piezas la accin del carbono y del nitrgeno. La nitruracin reduce la velocidad crtica 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 automocin, se estn supliendo aceros aleados por aceros ms sencillos dadas las grandes ventajas tcnicas que ofrece la nitruracin (elevadas durezas, regularidades de temple, menos deformaciones...). En los procesos de nitruracin se puede obtener capas entre 0.1-0.6mm., siendo las durezas en la periferia del orden de los 60-66 HRC.La nitruracin es un proceso para endurecimiento superficial que consiste en penetrar el nitrgeno en la capa superficial. La dureza y la gran resistencia al desgaste proceden de la formacin de los nitruros que forman el nitrgeno y los elementos presentes en los aceros sometido a tratamiento.A veces hay ruedas dentadas que se les aplica un temple por induccin 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.La ausencia de todo contacto entre el inductor y la pieza sometida a calentamiento permite la obtencin de concentraciones del orden de los 25.000 W cm-2. La velocidad de calentamiento es casi unas 15 veces ms rpida que por soplete. Para templar una pieza por induccin ser necesario que tenga un espesor por lo menos unas diez veces superior al espesor que se desea templar. El xito de un buen temple reside en acertar con la frecuencia de corriente de calentamiento, para que sta produzca una concentracin suficiente de corriente inducida en la zona a templar.

El sistema que se emplea en el calentamiento es en dos ciclos. 10.000 ciclos para el calentamiento de la base de los dientes y 375.000 para el calentamiento de la periferia. Despus de efectuados los dos calentamientos el engrane es sumergido en agua o aceite en funcin del tipo de acero que sea.Una posibilidad que existe para solucionar los problemas que aparecen en los ruedas dentadas ha sido el nquel qumico. Los depsitos de nquel le confieren a la pieza tratada una buena resistencia a la corrosin, una gran resistencia a la friccin y una gran dureza con ayuda de unos precipitados concretos. El niquelado qumico se consigue que las capas sean uniformes, siempre y cuando todas las partes de la pieza estn en contacto con la solucin y la composicin de esta se mantenga constante, y el espesor de esta capa vara segn el tiempo de tratamiento y la composicin. Las piezas antes de ser tratadas deben de pasar por otras fases como pueden ser el decapado, ataque, para garantizar su adhesin, y otra cosa a tener en cuenta es que el niquelado qumico reproduce en la superficie la rugosidad de la pieza tratada.[29]Verificacin de ruedas dentadasLa verificacin de ruedas dentadas consiste en poder controlar los distintos parmetros que lo definen.Para medir el espesor cordal se utilizan pie de rey de doble nonio y micrmetros de platillo.La medicin del espesor de los dientes mediante pie de rey de doble nonio, slo se utiliza por lo general cuando se trata ruedas dentadas de mdulo grande y mecanizado de desbaste.Para medir el espesor de ruedas dentadas de precisin se utiliza un micrmetro de platillo y se selecciona el nmero de dientes a abrazar para que el contacto entre los flancos de los dientes y los platillos se produzca en la circunferencia primitiva.La medicin mediante comparadores se utiliza con patrones de puesta a punto para cada operacin de control.La verificacin en proyector de perfiles se utiliza para medir sobre la imagen amplificada o verificar utilizando plantillas adecuadas todas las caractersticas del engranaje.La medicin de la excentricidad de una rueda dentada que es el descentramiento del dimetro primitivo respecto al eje de referencia de la pieza, se puede verificar: Con comparador y varilla calibrada Por rodadura contra un perfil patrn.Los ruedas dentadas maestros se clasifican en varias calidades de acuerdo con DIN3790 y 58420. Sus dientes una vez mecanizados pasan por un proceso de sper acabado. Durante la medicin segn este principio los ruedas dentadas a controlar se hacen engranar con ruedas dentadas maestros.[30]Lubricacin de ruedas dentadas Artculo principal: LubricanteLas transmisiones por ruedas dentadas principalmente las que estn sometidas a un gran esfuerzo y funcionamiento de gran velocidad tienen que tener el lubricante adecuado para poder contribuir a conservar sus propiedades mecnicas durante el uso:[31]La clasificacin de los lubricantes de transmisin de uso industrial se realiza segn diferentes criterios:[32]

Especificaciones tcnicas de los lubricantes Las especificaciones de los lubricantes de transmisin difieren ligeramente segn el ente que las haya emitido.En Europa las especificaciones ms conocidas son las que la norma DIN 51517 define como LUBRICANTES tipo CLP. A los propsitos de esta norma, LUBRICANTES CLP son aquellos basados en aceite mineral incluyendo aditivos diseados para aumentar las propiedades anticorrosivas (Smbolo C), aumentar la resistencia al envejecimiento (Smbolo L), y disminuir el desgaste (Smbolo P)". Esta norma define las viscosidades para los grados ISO 68, 100, 150, 220, 380, 460, y 680.Eleccin del lubricante y su viscosidad ms adecuada El primer indicador del lubricante a utilizar en un determinado equipo debe ser siempre la recomendacin del fabricante que lo ha diseado y conoce sus necesidades. La eleccin de la adecuada viscosidad para un sistema de ruedas dentadas de dientes rectos o helicoidales es dependiente de potencia expresada en Kw o HP reducciones mltiples o simples velocidad expresada en rpm tipo de lubricacin (circulacin o salpicado)Mantenimiento preventivo de las transmisionesEl cambio de lubricantes y el mantenimiento de los niveles en las cajas de transmisiones por ruedas dentadas forma parte del mantenimiento preventivo que hay que realizar a todo tipo de mquinas despus de un periodo de funcionamiento. Este mantenimiento puede tener una frecuencia en horas de funcionamiento, en kilmetros recorridos o en tiempo cronolgico, semanal, mensualmente o anualmente.Deterioro y fallo de los ruedas dentadas

Muestra animada de una rotura por fatiga.Como todo elemento tcnico el primer fallo que puede tener una rueda dentada es que no haya sido calculado con los parmetros dimensionales y de resistencia adecuada, con lo cual no es capaz de soportar el esfuerzo al que est sometido y se deteriora o rompe con rapidez.El segundo fallo que puede tener una rueda dentada es que el material con el que ha sido fabricado no rene las especificaciones tcnicas adecuadas principalmente las de resistencia y tenacidad.Tambin 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 una rueda dentada 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 tengaOtra causa de deterioro es que por un sobresfuerzo del mecanismo se superen los lmites de resistencia del engranaje

La capacidad de transmisin de una rueda dentada viene limitada: Por el calor generado, (calentamiento) Fallo de los dientes por rotura ( sobreesfuerzo sbito y seco) Fallo por fatiga en la superficie de los dientes (lubricacin deficiente y dureza inadecuada) Ruido como resultante de vibraciones a altas velocidades y cargas fuertes.Los deterioros o fallas que surgen en los ruedas dentadas estn relacionadas con problemas existentes en los dientes, en el eje, o una combinacin 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 desalineacin o desequilibrado del mismo produciendo vibraciones y ruidos.