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TRABAJO DE MECANISMOS

TEMA:

ENGRANAJE CONICO Y TORNILLO SIN FIN

PRESENTADO POR:

PROFESOR:

GRUPO:

M2

UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBE

2019

Engranajes cónicos Para poder hablar sobre los engranajes cónicos primero debemos saber la definición de engranaje y cuál es su historia. ¿Qué es un engranaje?

Se denomina ruedas dentadas o engranaje a el mecanismo el cual es utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina, un engranaje sirve para transmitir un movimiento circular mediante contacto de unas ruedas dentadas. Los engranajes se encuentran conformados por dos ruedas dentadas las cuales la mayor se denomina corona y el menor piñón. De las aplicaciones mas importantes de los engranajes tenemos la de transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, la cual puede ser de un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha realizado un trabajo. De tal manera que una de las ruedas esta conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido. Si el sistema con el que trabajamos este compuesto por más de un par de ruedas dentadas este es denominado como ´´tren´´.

Fig. 1. Engranaje cónico de dientes rectos (Tomado de Google imágenes)

Historia de los engranajes. Desde las épocas muy remotas se han utilizado elementos fabricados de madera y cuerdas para solucionar problemas de impulsión, elevación, transporte y movimiento. No se sabe donde ni cuando se inventaron los engranajes. Hay diferentes literaturas de diferentes lugares que mencionan sobre los engranajes, pero no aportan muchos detalles acerca de estos. El mecanismo de engranaje más antiguo que se conoce es el mecanismo de Antikyithera. El cual se trata de una calculadora astronómica datada entre 150 y el 100 a.c. esta compuesta por unos 30 engranajes de bronce y posee unos dientes triangulares. Este tipo de engranaje sorprende ya que presenta características avanzadas como por ejemplo trenes de engranajes epicicloidales los cuales hasta el descubrimiento de estos mecanismos se creían inventados en el siglo XIX. Se sabe que el Antikyithera no era el único mecanismo que existía para esa época gracias a citas de Cicerón, sino que también existieron al menos otros dos

mecanismos muy similares en esa época los cuales fueron construidos por Arquímedes y por Posidonio. También se puede saber por la historia que a Arquímedes se le suele considerar uno de los inventores de los engranajes ya que el diseño un tornillo sin fin.

Fig. 2. Mecanismo Antikythera (Tomado de Google imágenes)

También podemos encontrar ejemplos muy claros de máquinas con engranajes como por ejemplo en china con el llamado ´´carro que apunta hacia el sur´´ que data de 120 – 250 d.c. el cual era un mecanismo que mantenía el brazo de una figura humana apuntando siempre hacia el sur, esto gracias al uso de engranajes diferenciales epicicloidales.

No se tiene muy en claro cómo se transmitió el conocimiento y tecnología de los engranajes en los siglos siguientes. Puede ser posible que los conocimientos acerca del mecanismo Antikyithera sobrevivieran y contribuyeran al desarrollo de la tecnología en los engranajes. Se conoce que hay manuscritos andalusís del siglo XI menciona por primera vez el uso de relojes mecánicos de engranajes epicíclicos y de engranajes segmentados. Leonardo da Vinci, dejo numerosos dibujos y esquemas de mecanismos los cuales son utilizados hoy diariamente, incluidos varios tipos de engranaje de tipo helicoidal. Los primeros datos que se conocen sobre transmisión de rotación con velocidad angular uniforme por medio de engranajes corresponden al año 1674 el cual fue el famoso astrónomo Olaf Roemer el cual propuso la forma o perfil de diente epicicloide. Otro de los grandes inventores fue Robert Willis el cual fue considerado unos de los primeros ingenieros mecánicos obtuvo la primera aplicación practica de la epicicloide al emplearla en la construcción de una serie de engranajes intercambiables.

En 1856, Christian Schiele descubrió el sistema de fresado en engranajes rectos por medio de la fresa madre, el cual no se llevaría a la practica hasta 1887, a base de la patente Grant. En 1874 el norteamericano William Gleason fue el inventor de la primera fresadora de engranajes cónicos. En 1897 Robert Hermann invento y patento una maquina universal de dentar engranajes rectos y helicoidales por fresa madre. En 1906 Friedrich Wilhelm ingeniero y empresario se especializo en crear maquinas y equipos con un mecanizado de engranajes y mas adelante fabrico una talladora de engranajes que podía mecanizar los dientes de una rueda de 6 m de diámetro, modulo 100 y una longitud del dentado de 1,5 m El final del siglo XIX fue la época dorada del desarrollo de engranajes, Edwin R. Fellows inventor y fundador de la empresa Fellows Gear Shaper invento un método para mecanizar tornillos sin fin glóbicos tales como los que se montaban en las cajas de dirección de los vehículos antes de que fuesen hidráulicas, este invento fue muy revolucionario. En 1905 M. Chambon creo una máquina para el dentado de engranajes cónicos por procedimiento de fresa madre. Además, aproximadamente para esas fechas André Citroën invento los engranajes helicoidales dobles.

¿Qué es un engranaje cónico? Un engranaje cónico es un tipo de engranaje el cual cuanta con dos ruedas dentadas cónicas. Este tipo de engranaje es el encargado de transmitir la potencia entre los ejes que se llegan a cortar en el espacio además de esto este tipo de engranajes puede tener los dientes de dos formas, rectos o en forma helicoidal. En este tipo de engranajes los distintos ejes pueden trabajar en un ángulo, de normal, a 90°. Poseen una forma de tronco en cono además de esto mientras que los dientes rectos hacen que exista mas ruido y vibración, los dientes en helicoidal tienen más precisión y no bailan tanto entre los rodamientos.

Tipos de engranajes cónicos Engranaje cónico recto Transmiten movimiento de ejes que se cortan en un mismo ángulo recto. Se utilizan para reducir la velocidad en ejes de 90º. Tienen como desventaja que hacen mucho ruido.

Fig. 3. Engranaje cónico recto (Tomado de Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquina) Engranaje cónico helicoidal

Se utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90°. La diferencia con el cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un funcionamiento relativamente silencioso. Los datos constructivos de estos engranajes se encuentran en prontuarios técnicos de mecanizado. Muy utilizados en las transmisiones traseras de camiones y automóviles.

Fig. 4. Engranaje cónico helicoidal (Tomado de Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquina)

Engranaje cónico hipoide Es un tipo especial de engranajes cónicos helicoidales. Están formados por un piñón reductor de pocos dientes y una rueda de muchos dientes. Por otra parte, la disposición helicoidal del dentado permite un mayor contacto de los dientes del piñón con los de la corona, obteniéndose mayor robustez en la transmisión.

Fig. 5. Engranaje cónico hipoide (Tomado de Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquina)

Engranaje cónico espirales

Tipo de engranaje con dientes curvos e inclinados con respecto a la superficie del cono de paso. Los ángulos de espiral utilizados son de 20° a 40° siendo los de 35° los mas utilizados. Se caracterizan por tener un ancho de los dientes superior al de la corona a la cual se acoplan, siendo los dientes más largos. Esta característica permite que puedan transmitir elevados torques sin que se produzcan desgastes prematuros ya que cada diente del piñón al acoplarse con varios dientes de la corona está sometidos a mayores esfuerzos, este fenómeno se da en todas las transmisiones donde uno de los engranajes es menor que el otro.

Fig. 6. Engranaje cónico espirales (Tomado de Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquina)

Engranaje cónico zerol

El tipo de dientes de este engranaje son curvados de una forma parecida a los de espiral, pero el ángulo de espiral es 0°. Este tipo de engranaje funciona con más suavidad.

Fig. 7. Engranaje cónico zerol (Tomado de Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquina) Partes de engranaje cónico

Fig. 8. Partes de un engrane (Tomado de Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquina)

¿Cómo se fabrican los engranajes cónicos?

Los engranajes cónicos se pueden fabricar de distintos materiales como lo son: plástico, bronce y acero. El maquinado de los engranajes cónicos es el siguiente: 1. Se toma el eje base y se mecaniza en el torno hasta alcanzar la conicidad deseada. 2. Se ubica el eje mecanizado en el cabezal divisor y se maquina el primer diente. 3. Se debe hacer el cálculo de la cantidad de vueltas que debe dar la manivela para maquinar cada uno de los dientes. 4. Se verifica la inclinación del cabezal divisor 5. Se monta una fresa de perfil constante para maquinar cada uno de los dientes del engranaje

Ventajas de engranaje cónico 1. Este engranaje hace que sea posible cambiar el ángulo de funcionamiento. 2. A diferencia del número de dientes de cada rueda permite ventajas mecánicas para ser cambiado. Al aumentar o disminuir la relación de dientes entre el accionamiento y las ruedas impulsadas uno puede cambiar la relación de rotaciones entre los dos, lo que significa que la unidad de rotación y el par de la segunda rueda se pueden cambiar en relación con la primera, con el aumento de velocidad y par de torsión decreciente o disminuir la velocidad y al aumento del par de torsión.

3. La ventaja de la transmisión por engranajes respecto a la transmisión de poleas es que no resbalan como las poleas, con lo que Se tiene exactitud en la relación de transmisión Desventaja de engranaje cónico 1. Una de las ruedas de dicho engranaje está diseñado para trabajar con su rueda complementaria y no otra. 2. Debe ser montado con precisión

3. Los cojinetes de los ejes deben ser capaces de soportar fuerzas significativas

¿En que se usan los engranajes cónicos? En todos los procesos industriales son necesarias máquinas, sistemas de automoción o cadenas de producción que no podrían funcionar sin engranajes o cremalleras que se encargaran de trasladar el movimiento de los elementos que los forman. Sus aplicaciones llegan a las industrias de todo tipo: alimentos, minas, transportes, agrícolas, petroleras, bodegas, aeronáuticas, fabricas textil, calzado, química, farmacéutica.

Fig. 9. Maquina expendedora que usa engranajes cónicos rectos (Tomada de Google imágenes)

Normas de engranajes AGMA (American Gear Manufacturers Association) Establece todos los estándares de Estados Unidos en lo que concierne a engranajes. ASA (American standard Association) Es la entidad encargada de regir el sistema americano usado en todos los países bajo la influencia industrial estadounidense. DIN (Organismo nacional de normalización de Alemania) elabora estándares para el aseguramiento de calidad en los engranajes. CEN (Comité de normalización francés) fomenta la economía europea en el mercado global. Realizando estandarizaciones de piezas basadas en el mejoramiento de calidad. Tornillo sin fin

¿Qué es un tornillo sin fin?

El tornillo sin fin es un mecanismo de transmisión circular compuesto por dos elementos: el tornillo sinfín, que actúa como elemento de entrada o motriz y la rueda dentada, que actúa como elemento de salida o conducido y que algunos autores llaman corona. La rosca del tornillo engrana con los dientes de la rueda de modo que los ejes de transmisión de ambos son perpendiculares entre sí.

Fig. 10. Tornillo sin fin en la tracción de un camión (Tomado de Google imágenes)

Historia

El tornillo sin fin también llamado Tornillo de Arquímedes es una máquina gravimétrica helicoidal utilizada para la elevación de agua, harina, cereales o material excavado. Fue inventado en el siglo III antes de Cristo por el pensador griego Arquímedes de Siracusa, del que recibe su nombre, aunque hay hipótesis que demuestran que ya era utilizado en el Antiguo Egipto. También se dice hay un supuesto de que esta aplicación fuera realizada en el siglo VI a. C. por el rey babilonio Nabucodonosor, fueron refutadas por falta de pruebas documentales y arqueológicas del tornillo antes del 250 a. de C. Se basa en un tornillo que se hace girar dentro de un cilindro hueco, situado sobre un plano inclinado, que permite elevar un cuerpo o fluido situado por debajo del eje de giro. Desde sus inicios hasta ahora se ha empleado sobre todo para el bombeo. Los tornillos se empezaron a aplicar a principios del siglo XX en automóviles, en la tracción trasera se los vehículos en los mecanismos diferenciales, aunque después fue variando eso y se podía observar un sinfín en la parte de arriba del diferencial eso fue en la década de 1910, aunque se dice que se utilizaron también en los barcos de vela estos se utilizaban para controlar el timón. Con el pasar del tiempo el sin ha ido adquiriendo campos en los cuales se ve empleado como en prensas, laminadores en instrumentos musicales, sistemas de compuerta automáticas

Tipos de tornillo sin fin 1. Tornillo sin fin sin garganta Este tipo de tornillo sin fin se caracteriza porque las caras exteriores de los dientes coinciden con las superficies iniciales en las que se mecanizan: la del cilindro en el que se inscribe el tornillo, y la de la banda exterior del disco en el que se talla el engranaje. Es decir, estas son superficies regladas, con sección recta según la dirección de las generatrices del cilindro y del disco. 2. Tornillo sin fin con una garganta En una operación adicional se talla un surco adicional de perfil circular en la cara exterior de los dientes del engranaje. Con esta disposición, los dientes del engranaje se hacen encajar en el diámetro interior de la hélice tallada en el tornillo mejorando el contacto entre estas dos piezas. 3. Tornillo sin fin con doble garganta Como en el caso de el tornillo sin fin de una garganta, se dispone una garganta en los dientes del engranaje, y además se adapta el contorno del tornillo al del engranaje con el que encaja, adoptando la característica forma de reloj de arena, de manera que se incrementa de manera notoria la superficie de contacto entre las dos piezas dentadas.

Fig. 11. Tipos de tornillos sin fin (Tomado de Google imágenes) ¿Cómo se fabrican los tornillos sin fin? La fabricación de los tornillos sin fin está constituida por unas hélices montadas sobre un eje que se encuentra suspendido en un canal, estas generalmente en forma de U, las cuales son piensas circulares a que se les hace un corte y estas posteriormente son dobladas. Como tal un tornillo sin fin o tornillos helicoidales se le tallan los dientes y posteriormente se ajustan a sus dimensiones dependiendo el uso que se le dará.

Geometría del tornillo sin fin Cada vez que el tornillo sin fin da una vuelta completa engranaje avanza un número de dientes igual al número de entradas del sinfín. La velocidad de giro del eje conducido depende del número de entradas del tornillo y del número de dientes de la rueda. Se puede entender el número de entradas del tornillo como el número de hélices simples que lo forman. En la práctica la mayoría de los tornillos son de una sola entrada, por lo que cada vez que esté de una vuelta, el engranaje avanza un solo diente.

La expresión por la que se rige este mecanismo es similar a la de las ruedas dentadas teniendo en cuenta el número de entradas del tornillo como elemento motor en este caso: (n1) (e2) = (n2) (z2) Donde: • n = número de vueltas. • z= número de dientes de la rueda conducida. • e= número de entradas del tornillo sin fin. Teniendo en cuenta que (e) siempre es mucho menor que (z), la relación de transmisión siempre será menor por lo que actuará como un reductor de velocidad. En el caso habitual de una sola entrada (e= 1), el tornillo sin fin se hace equivalente a un engranaje que tuviese un solo diente, siendo la relación de reducción directamente igual al número de dientes del engranaje.

Fig. 12. Geometría del tornillo sin fin (tomado de Google imágenes)

Ventajas del tornillo sin fin 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Son compactos Tienen Diseño modular de fácil instalación. Sus Soportes y apoyos son simple Soportan altas temperaturas. Fácil hermeticidad. Extremadamente versátiles.

7. Varias zonas de carga y descarga.

Desventajas tornillo sin fin 1. 2. 3. 4.

No tienen grandes tamaños (hasta 50 m). No se pueden transportar materiales frágiles, delicados o abrasivos. Mayores requerimientos de potencia. Al quedar resto de materiales transportados con anterioridad existen riesgos de contaminación. 5. Volumen de material bajo.

¿En que se usan los tornillos sin fin?

1. Sistema de puertas automáticas Uno de los principales usos de los tornillos sin fin. En estos sistemas es necesario un movimiento en una dirección (derecha e izquierda) y un bloqueo en el sistema de final de carrera. Gracias a este mecanismo es posible el sistema de apertura y cierres de las puertas, ya que cada vez que los dos tornillos se encuentran la puerta queda cerrada. Concretamente, el sistema queda bloqueado gracias al engrane helicoidal.

2. Instrumentos musicales Los sinfines son habituales en sistemas de ajuste de guitarras, violines y otros instrumentos de cuerda. Su gran fuerza mecánica permite tensionarlas con muy poco esfuerzo.

3. Mecanismos sinfín de plástico como reductores de velocidad de pequeños motores Este recurso suele utilizarse para ofrecer una gran reducción de velocidad en pequeñas dimensiones. 4. Elevadores Los tornillos sinfín corona también se aplican en elevadores o transportadores helicoidales. Estos equipos incluyen un tornillo helicoidal de paso amplio, fijo o

variable que gira dentro de una carcasa desplazando el producto desde la boca de entrada a la compuerta de salida. Más detalles en esta presentación.

5. Sistemas de dirección en automoción Uno de los mecanismos de dirección del automóvil tiene al sinfín como uno de sus componentes básicos. En estos sistemas el tornillo engrana constantemente con una rueda dentada. A su vez, el sinfín se une al volante mediante la «columna de dirección», y la rueda lo hace al brazo de mando. Gracias a este mecanismo, por cada vuelta del volante, la rueda del coche gira un cierto ángulo, que depende según la relación de reducción efectuada.

6. Reductores de velocidad Los reductores tipo sinfín corona o de 90º tienen gran presencia en diferentes aplicaciones industriales debido a que ofrecen importantes ratios de reducción en poco espacio. Por otro lado, la transmisión del movimiento se hace a 90º, lo que permite realizar la transmisión en un ángulo recto. Cómo desventaja, los reductores de engranaje tornillo sinfín están sometidos a una mayor fricción por su deslizamiento lo que provoca altas temperaturas de operación y mayores gastos energéticos.

Bibliografía https://www.academia.edu/34159733/Dise%C3%B1o_de_Elementos_de_M%C3% A1quinas_4ta_Edici%C3%B3n_Robert_L._Mott http://blog.hunabsys.com/engranes-conicos/ https://datosparamecanicos.blogspot.com/2016/12/tipos-de-engranajes-y-susaplicaciones.html https://57grupo.com/que-es-un-engranaje-conico/ http://palaciosytocarruncho.blogspot.com/p/historia-de-los-engranajes.html https://clr.es/blog/es/aplicaciones-tornillos-sinfin/ https://prezi.com/dme4px3v9dcf/el-tornillo-sin-fin/