Engranes

Transmisiones de Engranes

Tipos de transferencia de

energa en sistemas mecnicos En los sistemas mecnicos tenemos 3 tipos principales de transferencia de energa: Transmisin por engranes. Transmisin por piones de cadena Transmisin por poleas

El principal tipo de transferencia de energa mecnica es la transmisin por engranes debido a que: No patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la

relacin de transmisin y por tanto la cantidad de energa transferida es mas constante.

Al no patinar hay menos perdidas por friccin y de realizar trabajo innecesario.

Adems, hay mayor control del posicionamiento angular que en algunas maquinas herramienta es importante.

De los sistemas de transmisin mecnica son los mas resistentes y duraderos

Los engranes son componentes mecnicos redondos con un arreglode dientes en sus perimetros, los cuales trabajan conjugadamentepara poder transferir energa y movimiento entre ellos de un lugar a otro en una maquina. Normalmente en un par de engranes, el engrane de mayor dimetro se le denomina rueda y al de menor dimetro se le denomina pin

Que es un engrane?

Que es una trasmisin de engranes?

La trasmisin de engranes son al menos 2 engranesconjugados, donde uno de los engranes esta conectado a la fuente de energa y es conocido como engranaje conductor y los otros estn conectada a los ejes que debe recibir el movimiento y que se denominan como engranes conducido.

Donde la relacin de velocidades de rotacin de ellos estn relacionados por la relacin de trasmisin.

Conductora Rueda que mueve a otra

Conducida Rueda que es movida



Por la ley de conservacin de la energa si un sistema de trasmisin de engranes incrementa la velocidad disminuye su torque y viceversa. Estos cambios se logran por medio de la relacin de trasmisin

=2

1, 1: , 2

Pero, cual es la relacin entre el nmero de dientes y el incremento en velocidad o torque?

Supongamos 2 engranes uno con dimetro D1 y otro D2. Los dientes de cada engrane estn distribuidos geomtricamente alrededor de todo el dimetro y esta distribucin por tanto depende del dimetro del engrane y el paso de los dientes o modulo (distancia entre un diente y otro). Por consiguiente estn relacionados de la siguiente manera:

=

Cuando se combinan 2 engranes estos tienen que tener el mismo paso de los dientes para poder engranar por tanto:

1 = 1 1

1=

2

2

2

1=

2

1


Posteriormente, al girar los 2 engranes en conjunto la velocidad lineal o tangencia es la misma en ambos, sin embargo por la diferencia de dimetros cada engrane gira a una velocidad angular diferente, por tanto:

1 = 1 1 2 = 2 2

1 = 2, 1 1 = 2 2 12

=21

=21

Adicionalmente, como la energa es trasmitida del engrane impulsor al impulsado, el engrane impulsor le trasmite una fuerza al engrane impulsado y por tanto este recibe una fuerza de igual magnitud pero de direccin contraria, por consiguiente los torque y las fuerzas para los engranes serian:

1 = 1 1 1 =11

2 = 2 2 2 =22

1 = 2, 11

= 22

12=

12

= 12

Finalmente, relacionando los resultados anteriores se tiene que:

2

1=

2

1=

12

= 21

En conclusin, como los dimetros y el nmero de dientes no cambia, si aumenta la velocidad angular (w) disminuye el torque ()

Ejemplo

Usos de los engranes Los 5 principales usos de los engranes son:

Cambiar la direccin de rotacin.

Incrementar o decrecer la velocidad de rotacin de un eje.

Incrementar o decrecer el torque de un eje.

Trasmitir movimiento de un eje a otro.

Sincronizar movimiento circular entre ejes.

Tener presente que por la ley de conservacin de la energia (E= Pot = ), los engranes pueden incrementar el torque mientras se reduce la velocidad y viceversa, mientras se se conserva la energia.

Clasificacin y seleccin trasmisiones de engranes

Los engranes pueden clasificarse por muchos criterios, dentro de los cuales estn:

1. La relacin geomtrica entre los ejes de movimiento.

2. Nmero de etapas

3. Condicin de trabajo

4. La velocidad de rotacin

5. La precisin de fabricacin


1. Clasificacin por la relacin geomtrica entre los ejes de movimiento:

Engranes de ejes paralelos Cilndricos de dientes rectos. Cilndricos de dientes helicoidales. Cilndricos de dientes doble helicoidal.

Engranes de ejes perpendiculares Cnicos de dientes rectos. Cnicos de dientes helicoidales.

Engranes de ejes no paralelos y no perpendiculares Cnicos hipoides. Engranes de tornillo sin fin.


1. Clasificacin por la relacin geomtrica entre los ejes de movimiento: Engranes de ejes paralelos cilndricos de dientes rectos:

Al ser los dientes rectos es el engranaje ms comn y simple.

Durante el movimiento solo hay un diente de cada engrane en contacto.

Son muy barato de fabricar y se utilizan en la mayora de las transmisiones industriales, pero hacen mucho ruido.

Se utilizan para torques bajos en funcin del material y volumen y velocidades bajas en funcin de la precisin.

Solo hay fuerzas radiales. (rodamientos)


1. Clasificacin por la relacin geomtrica entre los ejes de movimiento: Engranes de ejes paralelos cilndricos de dientes helicoidales

Al ser los dientes en ngulo el contacto entre ellos se genera de forma gradual, por lo que el movimiento es menos ruidoso.

El ngulo tiene que ser igual para los 2 engranes pero de orientacin contraria. Genera fuerzas radiales y axiales. (rodamientos)

Durante el movimiento mas de un diente de cada engrane esta en contacto, lo que permite distribuir el esfuerzo y que se puedan utilizar para torques altos y velocidades en funcin de la precisin. (20 m/s)

Se desgastan ms que los engranes rectos, son ms caros de fabricar.



Engranes de ejes paralelos cilndricos de doble helicoidal

Tiene las mismas ventajas de los engranes helicoidales solo que adicionalmente se consiguen eliminar las fuerzas axial que tienen los engranajes helicoidales. (rodamientos)

Son muy caros de fabricar debido a la complicada geometra de los dientes.

Estn diseados para trabajar hacia un sentido de giro especfico y no bidireccional, a diferencia de los engranes rectos y helicoidales.



Engranes de ejes perpendiculares cnicos de dientes rectos.

Se utilizan normalmente para reducir velocidad.

Efectan la transmisin de movimiento de ejes perpendiculares. La direccin de los dientes y de los ejes se interceptan sobre la lnea de centro de los engranes.

Estos engranajes generan mucho ruido y son muy poco usados.

Se utilizan para torques bajos (por el numero de dientes en contacto) y velocidades en funcin de la precisin.

Genera fuerzas radiales y axiales. (rodamientos)



Engranes de ejes perpendiculares cnicos helicoidales.

Se utilizan normalmente para reducir velocidad.

Efectan la transmisin de movimiento de ejes perpendiculares, que se interceptan en la lnea de centro de los engranes.

Estos engranajes generan menos ruido que los rectos.

Se utilizan para torques altos (por el numero de dientes en contacto) y velocidades alta en funcin de la precisin.

Genera fuerzas radiales y axiales, pero la fuerza axial generada es mayor que en los engranes cnicos rectos (rodamientos)



Engranes de ejes no paralelos y no perpendiculares hipoides

Es muy similar a los engranes cnicos helicoidales excepto que los ejes de rotacin NO se interceptan en la lnea de centro de los engranes o vindolo de otra forma el pin de ataque esta descentrado con respecto al eje de la corona.

Los hipoides siempre estn diseados para trabajar perpendiculares entre s (90 grados).

Se utilizan en maquinas industriales, donde es necesario que los ejes no estn al mismo nivel por cuestiones de espacio. (centro masa)



Engranes de ejes no paralelos y no perpendiculares tornillo sin fin

Los engranes de tornillo sin fin permite la transmisin de movimiento entre dos ejes de rotacin perpendiculares colocadas en dos planos diferentes y los ejes de rotacin NO se interceptan en la lnea de centro de los engranes.

Se caracteriza en aplicaciones de una alta velocidad, un alto torque y alta relacin de transmisin.

Una caracterstica muy importante de estos engranajes es que son autobloqueantes, sea solo gira cuando el sin fin es el que gira. Lo cual es muy importante para algunas maquinas, por ejemplo levantamiento de cargas.


2. Clasificacin por estaciones:

1 estacin: dos engranajes se combinan uno con el otro.

2 estaciones: tres engranajes se combinan uno con el otro.

3 estaciones: cuatro engranajes estn combinados uno con el otro


3. Clasificacin por condicin de trabajo:

Transmisin abierto: los engranajes no estn encerrados con una cubierta protectora y se exponen a condiciones ambientales tales como polvo, humedad, etc.

Transmisin cerrada: los engranajes estn integrados dentro de un recinto cerrado que protege la transmisin de los engranajes del polvo, humedad, etc.


4. Clasificacin por velocidad de rotacin:

Baja velocidad - la velocidad de rotacin del engranaje lineal es ms lento que 3 m / s.

Velocidad media - la velocidad de rotacin del engranaje lineal est en el intervalo de 3 - 15 m / s.

Alta velocidad - la velocidad de rotacin lineal del engranaje es ms rpido de 15 m / s.


5. Clasificacin por la precisin de fabricacin:

La calidad de los calidad es definida por una norma internacional de calidad que determinan 12 grados de calidad de fabricacin de engranajes, cuando el grado es 1 indica el engrane mas preciso.

Aplicaciones Los encontramos en las centrales de produccin de energa elctrica

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.

De que materiales se fabrican? Requiere

tratamiento superficial?Debe haber diferencia de materiales entre corona y pion? Para que? De ser

as cuanto tiene que ser la diferencia?

Materiales Hierro negro

Hierro fundido nodular

Acero

Bronce y aleaciones

Aleaciones de aluminio

Polmeros

Procesos de manufactura

El proceso de manufactura general consta de las siguientes partes:

Los procedimientos de tallado de los dientes, que se dividen en dos grandes familias:

1) Procedimientos de copiado o con preforma: donde el borde cortante de la herramienta es una copia exacta del engrane a tallar o de cierta parte de ella. Por lo que requiere de una gran cantidad de moldes y herramientas, una para cada engrane a fabricar.

2) Procedimientos de generacin rodamiento: para los diferentes tipos de engranes a obtener hay que desarrollar los movimientos de la herramienta para poder generar la forma, por tanto hay que establecer los movimiento relativos combinados entre pieza y herramienta

Tratamientos trmicos

Operaciones de acabado

1) Procesos de copiado o con preforma:

Fundicin

Forjado

Pulvimetalrgia

Estampado

Extrusin

Mecanizado con fresa modular por cepillado o fresado.

Inconvenientes: al no desarrollarse el proceso de giro simultaneo durante el proceso de manufactura hace que el engrane presente inexactitudes, ya que no se puede generar perfectamente la involuta, principalmente en la raz, adems este tipo de mtodos no permite correcciones del diente ya que la herramienta de corte tiene exactamente la forma del diente

Esos procesos de manufactura puedo utilizarlos con cualquier material?


Los engranes helicoidales pueden fabricarse por estampado, extrusin, fundicin? Los engranes cnicos pueden fabricarse por estampado, extrusin, fundicin? Como puedo diferenciar un engrano fabricado por un proceso? Y a nivel microestructural?


2) Procesos de generacin o rodamiento

Sistema Fellows: generacin por pin mortajador(engranajes cilndricos)

Sistemas Maag: generacin por peine creador cremallera mortajadora (engranajes cilndricos)

Sistema Rhenania Pfauter: generacin por fresa madre (engranajes cilndricos)

Gleason: generacin con cuchilla de corte (engranajes cnicos)

Klingelnberg: para tallado de engranajes hipoidales.


Procesos de acabado del engrane

Bruido

Cepillado, afeitado o desbarbado

Rectificado y pulido (endurecidos)

Deposicin de lubricante seco

Deposicin de xidos


Tratamientos trmicos:

Templado y revenido del engrane completo

Carburizado y nitrurizado de superficies

Templado y revenido de superficies


Tolerancias de engranesDP es el dimetro de paso y todas las medidas estn en pulgadas.

La medida del dimetro externo de los engranes puede variar en un rango mximo de la mitad del juego recomendado.

Y para engranes de bombas cuales seria los juegos?

Esfuerzos sobre engranesEn un engrane correctamente diseo se encuentran principalmente los siguientes esfuerzos:

Esfuerzos de flexin y concentradores de esfuerzo

Esfuerzos de fatiga

Esfuerzos de contacto y aplastamiento.

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Modos de falla de engranes

Fractura del diente.

Picadura.

Abrasin.

Arrastre o desplazamientos de materiales.

Modos de falla de engranes

Como podemos evitar o disminuir que se den esos

modos de falla?

Caracterizacin de trasmisin de engranes

Que es la caracterizacin de engranes?

Para que es importante la caracterizacin de engranes?


Que es la caracterizacin de engranes?

Es la determinacin geomtrica de los engranes.

Para que es importante la caracterizacin de engranes?

Es importante para que cuando se genera un plano para la fabricacin de un engrane este cuente con toda la informacin necesaria para asegurar la calidad que se requiere.

Tambin, para poder solicitar adecuadamente un engrane a un proveedor.

Adems, para poder determinar la caractersticas de un engrane que fallo y poder sustituirlo por uno que asegure un funcionamiento correcto de la maquina.

Inventor y solidwoks?


Dimetro de paso o dimetro primitivo (Dp): es un crculo terico donde 2 engranes conjugados estn en contacto de forma tangencial. Por lo general, los clculos de engranes se basan en este dimetro.

Paso circular (Pc): es la distancia medida sobre el dimetro de paso desde un punto de un diente a un punto correspondiente de un diente adyacente.

Modulo (m): es la relacin entre el dimetro de paso y el nmero de dientes de un engrane. = (mm)

Paso diametral (P): es la relacin entre el nmero de dientes y el dimetro de paso de un engrane. = (in)

Altura del diente (h): es la suma de la cabeza ms la raz del diente.

Holgura de altura (a): es la distancia libre entre la cresta de un diente de un engrane y la raz del diente del otro engrane, en un par de engranes conjugados.

Holgura radial (c): es el espacio libre entre las 2 envolventes en 2 engranes conjugados.


Una caracterstica importante que tienen que tener los engranes es que trabajen en accin conjugada o manteniendo sus velocidades angulares constantes en el tiempo. Para lograr esto los engranes tienen que tener:

Un perfil envoluta que permita que el punto de contacto entre las 2 superficies sean tangentes entre si (punto c) y por tanto la fuerza actu siempre perpendicular a este punto (lnea ab). Donde, el ngulo de esta lnea con respecto a la horizontal se le conoce como ngulo de presin ().

Para que las velocidades angulares se mantengan constantes siempre la aplicacin de la fuerza debe darse sobre el mismo ngulo de presin y por tanto en cualquier instante de tiempo deben de pasar siempre por el punto P, que se encuentra sobre el dimetro primitivo.


El ngulo de presin de un engrane es de suma importancia, ya que define en parte su geometra, debido a que el dimetro base es tangente a lnea de accin de la fuerza. Por tanto, en una trasmisin de engrane si cambia el ngulo de presin cambia el dimetro base y as la distancia entre centros, por medio de la siguiente formula:

= cos()

Distancia entre centros (c): suma de los radios de paso de los engranes.

Dimetro base (Db): es el dimetro que se genera en el punto donde inicia el contacto de trasmisin entre los dientes de 2 engranes.

ngulos de presin comunes 14,5/20/22,5/25

Que pasa si se pone a trabajar 2 engranes con diferentes ngulos de presin? Cuando se da esto en la prctica?Que impacto tiene el tipo de ngulo de presin sobre el diseo del engrane? Interferencia, espesor del diente

Ejemplo: Procedimiento de seleccin de engranes


Frmulas de caracterizacin de engranes rectos:

Modulo m =Dext

z+2Dext: diametro externo.

Distancia entre centros C =Dp(1)+Dp(2)

2=

m(z1+z2)

2

Diametro base Db = Dp cos : angulo de presin.

Espesor circular del diente s =m

2

Paso circular Pc = m

Diametro primitivo Dp = m z

Diametro de raz Dint = Dp 2 m (a + c)

Altura del diente h =DextDint

2


Frmulas de caracterizacin de engranes rectos:

Longitud terica de la tangente base medida en K dientes:

Wkt = m cos k 0,5 + z ev()

k: es el nmero de dientes tomados para la tangente base.

Funcin evolvente ev = tan con en radianes.

Para determinar el ngulo de presin de un engrane se calcula el Wktpara diferentes ngulos de presin normados y se compara con el Wkk. En el que se presente la menor diferencia corresponde al ngulo de presin del engrane.


Frmulas de caracterizacin de engranes helicoidales

Modulo m =Dextcos()

z+2: ngulo de la helice.

Distancia entre centros C =m(z1+z2)

2cos()

Diametro base Db = Dp cos t

ngulo de presin en el plano transversal t = tan1 tan()

cos()

Espesor normal circular del diente s =m

2+ 2 tan()

Paso normal circular Pc = m cos()

Diametro primitivo Dp =mz

cos()

Diametro de raz Dint = Dp 2 m (a + c)

Altura del diente h =DextDint

2


Frmulas de caracterizacin de engranes helicoidales:

Longitud terica de la tangente base medida en K dientes:

Wkt = m cos k 0,5 + z ev()

k: es el nmero de dientes tomados para la tangente base.

Funcin evolvente ev = tan con en radianes.

Para determinar el ngulo de presin de un engrane se calcula el Wktpara diferentes ngulos de presin normados y se compara con el Wkk. En el que se presente la menor diferencia corresponde al ngulo de presin del engrane.


Modulo o dimetro de paso Numero de dientes Relacin de trasmisin (cuando se quiere fabricar ambos) Material. (si no se conoce se requiere potencia o torque y rpm) Direccin de rotacin. Angulo de hlice. Angulo de presin. Dimetro del eje. Elementos de montaje y posicionamiento del engrane. Distancia entre centros. (cuando se quiere fabricar ambos) Dimetro externo e interno. Ancho de cara.

De las variables anteriores cuales son las ms crticas y que por lo tanto influyen significativamente en la funcional y calidad de la trasmisin de engranes? Por que? La informacin anterior es suficiente para comprar una trasmisin de engranes?

Ejemplo

Reductores de velocidad De engranes rectos.

De engranes helicoidales.

De tornillo sin fin.

Lab de caracterizacin de engranes

Marco terico formulas de caracterizacin engranes cnicos restos y helicoidales

Identifique los tipos de engranes vistos en el laboratorio y defina por cuales procesos de fabricacin y maquinas pudieron haberse desarrollado cada uno.

Caractericen 2 engranes diferentes para lo cual utilice las formulas vistas (uno recto y uno helicoidal)

Para el caso del engrane recto determine en el catalogo cual engrane se ajustara a este, si no existe indquelo.

Para caso del engrane helicoidal genere un plano con toda la informacin necesaria para si fabricacin.

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