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• Kevin Monarrez

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Engrane Se denomina engranaje al mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Engranaje es un par de ruedas dentadas que transmiten movimiento giratorio de un eje a otro. Cuando dos engranes se acoplan para formar un mecanismo de engranes, resulta convencional referirse al más pequeño de los dos como el piñón y al otro como engrane. Tipos de engranes Engranes rectos: Son aquellos en los cuales los dientes son paralelos al eje de simetría del engrane. Son más simples y de menor costo de fabricación. Solo pueden conectarse si sus ejes de rotación son paralelos

Engranes helicoidales: Son aquellos los cuales sus dientes están en un ángulo ψ respecto al eje del engrane. Los engranes helicoidales son derechos o izquierdos. Sus ejes son paralelos. Dos engranes helicoidales cruzados de la misma orientación se conectan con sus ejes formando un ángulo. Los ángulos de hélice se diseñan de modo que permitan cierto ángulo de desvió entre los ejes de rotación que no se intersecan.

Los engranes helicoidales son más costosos que los rectos, pero ofrecen algunas ventajas. Son de operación más silenciosa que estos, debido al contacto más suave y gradual entre las superficies anguladas de los dientes cuando entran en contacto. En los engranes rectos, los dientes entran de inmediato en contacto sobre todo el ancho de la cara. El impacto repentino de un diente con otro produce vibración particular que se oye como el “chillido” característico de los engranes rectos en operación, el cual no se percibe en los engranes helicoidales. También, los mismos diámetros del engrane y diámetro de paso, un engrane helicoidal resulta más resistente por la forma ligeramente más gruesa del diente en un plano perpendicular al eje de rotación. Engranes espinales: Se constituyen al unir cara a cara o adosar dos engranes helicoidales de idéntico paso y diámetro, pero con orientaciones opuestas, montados sobre el mismo eje. Los dos conjuntos de dientes suelen formarse en la misma pieza base de engrane. Su ventaja respecto a los helicoidales simples es la cancelación interna del empuje axial, pues en cada “mitad” helicoidal de un engrane espinal se presenta una carga axial opuesta a la de la otra. De modo que no se necesitan cojinetes contra el empuje axial para el eje, sino de soporte transversal. Este tipo de engranaje es mucho más costoso que uno helicoidal y tiende a utilizarse en aplicaciones de gran potencia de transmisión, como en la impulsión de

barcos, en la cual, las perdidas por fricción derivadas de cargas axiales resultan prohibitivas. Su vista de frente es la misma que la del helicoidal. Eficiencia: Es la potencia de salida entre la potencia de entrada expresada como un porcentaje. Un engranaje recto puede tener un eficiencia de 98% a 99%. Uno helicoidal es menos eficiente que uno recto por la fricción deslizante a lo largo del ángulo de la hélice. Presenta también fuerza de reacción a lo largo del eje de rotación, lo que no ocurre en un engranaje recto. Así, una transmisión de engranes helicoidales se debe montar en cojinetes de empuje además de los radiales para evitar que sus ejes de soporte se desplacen axialmente. Se presenta también algunas perdidas por rozamiento en los cojinetes de empuje axial. Un engrane helicoidal paralelo tendrá una eficiencia de cerca de 96% a 98%, y uno cruzado, una de 50 a 90%. El juego paralelo helicoidal (con orientación opuesta pero con el mismo ángulo de hélice) tiene contacto lineal entre los dientes y opera con cargas elevadas a altas velocidades. El cruzado helicoidal tiene contacto puntual y un gran componente de deslizamiento que limita su aplicación en situaciones de carga ligera. Si los engranajes se han de conectar y desconectar del engranado mientras están en movimiento, los engranes rectos son más convenientes que los helicoidales, ya que el ángulo de la hélice interfiere con el movimiento axial de separación y de contacto. (Por supuesto, los engranes espinales no se desconectan axialmente.) Por la razón, las trasmisiones en las camionetas suelen tener engranes rectos, en tanto que las transmisiones de los automóviles estándar usan engranes helicoidales de conexión que permite el desplazamiento. Tales aplicaciones de los engranajes se describirán en una sección posterior.

Engranes de tornillas sin fin Si el ángulo de hélice se aumenta lo suficiente, el engrane helicoidal se convierte en un mecanismo de tornillo sin fin, el cual tiene solo un diente dispuesto continuamente alrededor de la pieza cilíndrica, con varias vueltas, igual que en la rosca de un tornillo. Este mecanismo de tornillo sin fin se conecta a un elemento especial llamado engrane de gusano (o corona sin fin), cuyo eje de rotación es perpendicular al del mecanismo de tornillo sin fin. Como el mecanismo de tornillo sin fin impulsor tiene solo un diente, la relación de engranaje es igual a uno dividido entre el número de dientes del engranaje del mecanismo de tornillo sin fin. Estos dientes no son de involuta sobre toda la cara, lo que significa que la distancia central debe mantenerse exactamente fija para garantizar la acción conjugada. Los tornillos sin fin y las ruedas se fabrican y remplazan por conjuntos específicos. Tiene la ventaja de poseer relaciones de engranaje muy altas en un pequeño volumen de conjunto y pueden soportar cargas muy elevadas, especialmente en sus formas de envolventes simple o doble. De envolvente simple significa que los dientes del engrane recubre periféricamente al tornillo sin fin. De envolvente doble indica también que el

tornillo sin fin envuelve el engranaje, lo que hace que el tornillo sin fin tenga forma de reloj de arena. Ambas técnicas aumentan el área de contacto entre el tornillo sin fin y la rueda, incrementando así la capacidad de carga y también el costo. Una desventaja en cualquier conjunto de tornillo sin fin es que tiene muy altos deslizamientos y cargas de empuje, lo que hace que su eficiencia baje de 40 a 85%. Quizá la ventaja principal de un mecanismo de tornillo sin fin es que puede diseñarse para que sea imposible el movimiento de retroceso. Un engranaje recto o uno helicoidal puede impulsarse desde uno u otro eje, a manera de un dispositivo de elevación o reducción de velocidad. Aunque esto resulta deseable en muchos casos, si la carga impulsada debe permanecer en su lugar una vez que la potencia motriz se interrumpe, no puede emplearse engranaje recto o helicoidal porque la “retrocederían”. Lo anterior los vuelve inadecuados en aplicaciones como en un gato para levantar un automóvil, a menos que se agregue al diseño un freno que sostenga la carga en la posición detenida. Por otro lado, el mecanismo de tornillo sin fin solo puede sin impulsado desde el sin fin. La fuerza de fricción llega a ser tan alta como para impedir el retroceso desde la rueda. Por ello este dispositivo se usa sin freno en sistemas sostenedores de carga, como los gatos mecánicos, y los montacargas. Engranes cónicos e hipoidales Engranes cónicos: En las transmisiones de engranes en ángulo recto se usan los engranajes helicoidales cruzados o los conjuntos de tornillos sin fin. Para cualquier ángulo entre ejes, incluso el de 90 grados, los engranes cónicos representan la solución. Así como los engranes rectos se basan en cilindros rodantes, los engranes cónicos están basados en conos rodantes. El ángulo entre los ejes de los conos y los ángulos en el vértice de estos tienen cualquier valor compatible, en tanto coincidan los vértices de las superficies cónicas. Si no lo hacen, ocurre un desacoplamiento de velocidad de interfaz. El vértice de cada cono tiene un radio de rotación nulo y, por lo tanto, velocidad igual a cero. Engranes cónicos espirales: Si los dientes se encuentran paralelos al eje del engrane se tendrá un engrane cónico recto. Si los dientes están angulados respecto al eje se tendrá un engrane cónico espiral análogo al engrane helicoidal. Los ejes de los conos y los vértices deben intersecase en ambos casos. Las ventajas y desventajas de los engranes cónicos rectos y espirales son semejantes a las de los engranes cilíndricos rectos y helicoidales, respectivamente, en lo respecta a resistencia, silenciosidad, y costo. El perfil de los dientes de los engranes cónicos no es de involuta, sino que se basa en una curva llamada “octoidal”. Deben adquirirse o remplazarse en pares (engranajes), pues no son universalmente intercambiables y sus distancias intercentrales se deben mantenerse con exactitud. Engranes hipoidales: Si los ejes entre los engranes no son paralelos no se intersecan, no se usan los engranes cónicos. Un engranaje hipoidal permitirá esa conexión. Sus engranes se basan en superficies llamadas hiperboloides de revolución. (El término

“hipoidal” es una contracción de hiperboloidal.) El perfil de los dientes no tiene involuta. En la impulsión final de un automóvil con motor al frente y tracción trasera en las ruedas traseras se usa un engranaje hipoidal, con la finalidad de descender el eje geométrico del árbol impulsor por debajo del centro del eje trasero y reducir la “joroba del árbol” del asiento trasero. Engranes no circulares: Estos engranes se basan en los centrodos de un eslabonamiento de cuatro barras de doble manivela de Grashof. Los centrodos son los lugares geométricos de los centros instantáneos del eslabonamiento.