6. Engranajes.pdf - Cap\u00edtulo 6 Engranajes CAP\u00cdTULO 6 ENGRANAJES Fundamentos del KBE(Knowledge Based Engineering Aplicaci\u00f3n al dise\u00f1o de engranajes

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Unformatted text preview: Capítulo 6 Engranajes. CAPÍTULO 6 ENGRANAJES Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 189 Capítulo 6 Engranajes. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 190 Capítulo 6 Engranajes. 6.1. INTRODUCCIÓN La aplicación con Catia v5 al diseño de engranajes de ejes paralelos, exige la compresión de estos mecanismos. En este capítulo se hará un repaso de la evolución de los engranajes a lo largo de la historia, se clasificarán y entraremos de lleno en los engranajes de ejes paralelos y cilíndricos, mostrando su geometría y sus parámetros más importantes. En un último apartado se hace una breve descripción de los esfuerzos más importantes que soporta un engranaje cilíndrico. Todo este apartado corresponde al conocimiento sobre los engranajes que almacenaremos más adelante en la aplicación con Catia v5. 6.2. DEFINICIÓN Se denomina engranaje al mecanismo utilizado para transmitir potencia mecánica entre las distintas partes de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales a la mayor se le denomina corona y a la menor piñón. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido. Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 191 Capítulo 6 Engranajes. Figura 6.1. Piñón y corona La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la relación de transmisión. 6.3. HISTORIA Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados en madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento. Nadie sabe a ciencia cierta dónde ni cuándo se inventaron los engranajes. La literatura de la antigua China, Grecia, Turquía y Damasco mencionan engranajes pero no aportan muchos detalles de los mismos. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 192 Capítulo 6 Engranajes. Figura 6.2. Mecanismo de Anticitera El mecanismo de engranajes más antiguo de cuyos restos disponemos es el mecanismo de Anticitera. Se trata de una calculadora astronómica datada entre el 150 y el 100 a.C. y compuesta por al menos 30 engranajes de bronce con dientes triangulares. Presenta características tecnológicas avanzadas como por ejemplo trenes de engranajes epicicloidales que, hasta el descubrimiento de este mecanismo se creían inventados en el siglo XIX. Por citas de Cicerón se sabe que el de Anticitera no fue un ejemplo aislado sino que existieron al menos otros dos mecanismos similares en esa época, construidos por Arquímedes y por Posidonio. Por otro lado, a Arquímedes se le suele considerar uno de los inventores de los engranajes porque diseñó un tornillo sin fin. En China también se han conservado ejemplos muy antiguos de máquinas con engranajes. Un ejemplo es el llamado "carro que apunta hacia el Sur" (120-250 dC), un ingenioso mecanismo que mantenía el brazo de una figura humana apuntando siempre hacia el Sur gracias al uso de engranajes diferenciales epicicloidales. Algo anteriores, de en torno a 50 d.C., son los engranajes helicoidales tallados en madera y hallados en una tumba real en la ciudad china de Shensi. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 193 Capítulo 6 Engranajes. Figura 6.3. Transmisión antigua No está claro cómo se transmitió la tecnología de los engranajes en los siglos siguientes. Es posible que el conocimiento de la época del mecanismo de Anticitera sobreviviese y, con el florecimiento de la cultura del Islam los siglos XI-XIII y sus trabajos en astronomía, fuera la base que permitió que volvieran a fabricarse calculadoras astronómicas. En los inicios del Renacimiento esta tecnología se utilizó en Europa para el desarrollo de sofisticados relojes, en la mayoría de los casos destinados a edificios públicos como catedrales. Leonardo da Vinci, muerto en Francia en 1519, dejó numerosos dibujos y esquemas de algunos de los mecanismos utilizados hoy diariamente, incluido varios tipos de engranajes por ejemplo de tipo helicoidal. Los primeros datos que existen sobre la transmisión de rotación con velocidad angular uniforme por medio de engranajes, corresponden al año 1674, cuando el famoso astrónomo danés Olaf Roemer (1644-1710) propuso la forma o perfil del diente en epicicloide. Robert Willis (1800-1875), que fue considerado uno de los primeros Ingenieros Mecánicos cuando era profesor de Cambridge, fue el que obtuvo la primera aplicación práctica de la epicicloide al emplearla en la construcción de una serie de engranajes intercambiables. De la misma manera, de los primeros matemáticos fue la idea del empleo de la evolvente de círculo en el perfil del diente, pero también se deben a Willis las realizaciones prácticas. A Willis se le debe la creación del odontógrafo, aparato que sirve para el trazado simplificado del perfil del diente de evolvente. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 194 Capítulo 6 Engranajes. Es muy posible que fuera el francés Phillipe de Lahire el primero en concebir el diente de perfil en evolvente en 1695, muy poco tiempo después de que Roemer concibiera el epicicloidal. La primera aplicación práctica del diente en evolvente fue debida al suizo Leonhard Euler (1707). Figura 6.4. Engranaje helicoidal de Leonardo En 1856, Christian Schiele descubrió el sistema de fresado de engranajes rectos por medio de la fresamadre, pero el procedimiento no se lleva a la práctica hasta 1887, a base de la patente Grant. En 1874, el norteamericano William Gleason inventa la primera fresadora de engranajes cónicos y gracias a la acción de sus hijos especialmente su hija Kate Gleason (18651933) ha convertido a su empresa Gleason Works radicada en Rochester N. Y. en una de los fabricantes de máquinas herramientas más importantes del mundo. En 1897, el inventor alemán Robert Hermann Pfauter (1885-1914), inventa y patenta una máquina universal de dentar engranajes rectos y helicoidales por fresamadre. A raíz de este invento y otras muchos inventos y aplicaciones que realizó sobre el mecanizado de engranajes fundó la empresa Pfauter Company que, con el paso del tiempo se ha convertido en una multinacional fabricante de todo tipo de maquinasherramientas. En 1906 el ingeniero y empresario alemán Friedrich Wilhelm Lorenz (1842-1924) se especializó en crear maquinaria y equipos de mecanizado de engranajes y en 1906 fabricó una talladora de engranajes capaz de mecanizar los dientes de una rueda de 6 m de diámetro, módulo 100 y una longitud del dentado de 1,5 m. A finales del siglo XIX coincidiendo con la época dorada del desarrollo de los engranajes, el inventor y fundador de la empresa Fellows Gear Shaper Company, Edwin R. Fellows (1846-1945) inventó un método revolucionario para mecanizar tornillos sinfín glóbicos tales como los que se montaban en las cajas de dirección de los vehículos antes que fuesen hidráulicas. En 1905, M. Chambon, de Lyon, fue el creador de la máquina para el dentado de engranajes cónicos por procedimiento de fresa madre. Por esas fechas aproximadamente André Citroën fue el inventor de los engranajes helicoidales dobles. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 195 Capíttulo 6 En ngranajes. 6 6.4. CLA ASIFICACIO ON DE ENG GRANAJES La princiipal clasifica ación de loss engranaje es se efectú úa según la a disposición de sus ejes de rotación n y según lo os tipos de dentado. Según estos criterios exxisten los siiguientes tiposs de engrana ajes: 6.4.1. E Engranajes s de ejes pa aralelos: Se fabriccan a partir de un discco cilíndrico cortado de e una plancha o de un trozo de a maciza re edonda. Esste disco se s lleva al proceso de e fresado, en donde se retira barra mate erial para fo ormar los die entes. La fa abricación de d estos engranajes ess más simple, por lo tanto o reduce suss costos. 6.4.1 1.1. Cilín ndricos de dientes rec ctos Los engranajes cilín ndricos recctos son el tipo de eng granaje máss simple y corriente que existe. Se utilizan ge eneralmente e para velo ocidades pe equeñas y medias; a grandes veloccidades, si no son recctificados, o ha sido ccorregido su u tallado, producen ruido cuyo nivel depende d de la velocid dad de giro que tengan n. Figu ura 6.5. Piñó ón Recto 6.4.1 1.2. Cilín ndricos de dientes he elicoidales Los eng granajes cilíndricos de e dentado helicoidal están cara acterizados s por su denta ado oblicuo o con relacción al eje de d rotación n. En estoss engranaje es el movim miento se transsmite de m modo igual que en los cilíndrico os de denta ado recto, pero con mayores venta ajas. Los ejes e de loss engranajjes helicoid dales pueden ser paralelos o cruzarse, c gene eralmente a 90º. Para a eliminar el empuje axial el dentado d puede hacersse doble helic coidal. Fund damentos deel KBE (Know wledge Bassed Engineeering) Apliccación al diseño de engrranajes de ejjes paraleloss con Catia v v5 196 Capítulo 6 Engranajes. Los engranajes helicoidales tienen la ventaja que transmiten más potencia que los rectos, y también pueden transmitir más velocidad, son más silenciosos y más duraderos; además, pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. De sus inconvenientes se puede decir que se desgastan más que los rectos, son más caros de fabricar y necesitan generalmente más engrase que los rectos. Lo más característico de un engranaje cilíndrico helicoidal es la hélice que forma, siendo considerada la hélice como el avance de una vuelta completa del diámetro primitivo del engranaje. De esta hélice deriva el ángulo β que forma el dentado con el eje axial. Este ángulo tiene que ser igual para las dos ruedas que engranan pero de orientación 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 transmisión, los datos orientativos de este ángulo son los siguientes: Velocidad lenta: β = 5º - 10º Velocidad normal: β = 15º - 25º Velocidad elevada: β = 30º - 45º Las relaciones de transmisión que se aconsejan son más o menos parecidas a las de los engranajes rectos. Figura 6.6. Engranaje helicoidal Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 197 Capítulo 6 Engranajes. 6.4.1.3. Dobles helicoidales Este tipo de engranajes fueron inventados por el fabricante de automóviles francés André Citroën, y el objetivo que consiguen es eliminar el empuje axial que tienen los engranajes helicoidales simples. Los dientes de los dos engranajes forman una especie de V. Figura 6.7. Vehículo Citroën con el logotipo de rodadura de engranajes helicoidales dobles Los engranajes dobles son una combinación de hélice derecha e izquierda. El empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los engranajes helicoidales es una desventaja de ellos y ésta se elimina por la reacción del empuje igual y opuesto de una rama simétrica de un engrane helicoidal doble. Un engrane de doble hélice sufre únicamente la mitad del error de deslizamiento que el de una sola hélice o del engranaje recto. Toda discusión relacionada a los engranes helicoidales sencillos (de ejes paralelos) es aplicable a los engranajes helicoidales dobles, exceptuando que el ángulo de la hélice es generalmente mayor para los helicoidales dobles, puesto que no hay empuje axial. Con el método inicial de fabricación, los engranajes dobles, conocidos como engranajes de espina, tenían un canal central para separar los dientes opuestos, lo que facilitaba su mecanizado. El desarrollo de las máquinas talladoras mortajadoras por generación, tipo Sykes, hace posible tener dientes continuos, sin el hueco central. Como curiosidad, la empresa Citroën ha adaptado en su logotipo la huella que produce la rodadura de los engranajes helicoidales dobles. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 198 Capítulo 6 Engranajes. Figura 6.8. Engranajes dobles helicoidales 6.4.2. Engranajes de ejes perpendiculares Se fabrican a partir de un tronco de cono, formándose los dientes por fresado de su superficie exterior. Estos dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan. Los datos de cálculos de estos engranajes están en prontuarios específicos de mecanizado. 6.4.2.1. Cónicos de dientes rectos Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un mismo plano, generalmente en ángulo recto, por medio de superficies cónicas dentadas. Los dientes convergen en el punto de intersección de los ejes. Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°. Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas y lentas. En la actualidad se usan muy poco. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 199 Capítulo 6 Engranajes. Figura 6.9. Engranaje cónico recto 6.4.2.2. Cónicos de dientes helicoidales 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. Además pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. Los datos constructivos de estos engranajes se encuentran en prontuarios técnicos de mecanizado. Se mecanizan en fresadoras especiales. Figura 6.10. Engranaje cónico helicoidal Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 200 Capítulo 6 Engranajes. 6.4.2.3. Cónicos hipoides Parecidos a los cónicos helicoidales, se diferencian en que el piñón de ataque esta descentrado con respecto al eje de la corona. Esto permite que los engranajes sean más resistentes. Este efecto ayuda a reducir el ruido del funcionamiento. Se utilizan en maquinas industriales y embarcaciones, donde es necesario que los ejes no estén al mismo nivel por cuestiones de espacio. Este tipo de engranajes necesita un tipo de aceite de extrema presión para su lubricación. Figura 6.11. Engranaje cónico hipoide 6.4.2.4. De rueda y tornillo sinfín Es un mecanismo diseñado para transmitir grandes esfuerzos, y como reductores de velocidad aumentando la potencia de transmisión. Generalmente trabajan en ejes que se cortan a 90º. Tiene la desventaja de no ser reversible el sentido de giro, sobre todo en grandes relaciones de transmisión y de consumir en rozamiento una parte importante de la potencia. En las construcciones de mayor calidad la corona está 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 esté muy bien lubricado para matizar los desgastes por fricción. El número de entradas de un tornillo sin fin suele ser de una a ocho. Los datos de cálculo de estos engranajes están en prontuarios de mecanizado. Figura 6.12. Tornillo sin fin de montacargas Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 201 Capítulo 6 Engranajes. 6.4.2.5. Tornillo sin fin y corona glóbicos Con el fin de convertir el punto de contacto en una línea de contacto y así distribuir mejor la fuerza a transmitir, se suelen fabricar tornillos sin fin que engranan con una corona glóbica. Otra forma de distribuir la fuerza a transmitir es utilizar como corona una rueda helicoidal y hacer el tornillo sin fin glóbico, de esta manera se consigue aumentar el número de dientes que están en contacto. Finalmente también se produce otra forma de acoplamiento donde tanto el tornillo sin fin como la corona tienen forma glóbica consiguiendo mejor contacto entre las superficies. Figura 6.13 Tornillo sin fin y corona glóbica 6.4.3. Aplicaciones especiales 6.4.3.1. Interiores Los engranajes interiores o anulares son variaciones del engranaje recto en los que los dientes están tallados en la parte interior de un anillo o de una rueda con reborde, en vez de en el exterior. Los engranajes interiores suelen ser impulsados por un piñón, un engranaje pequeño con pocos dientes. Este tipo de engrane mantiene el sentido de la velocidad angular. El tallado de estos engranajes se realiza mediante talladoras mortajadoras de generación. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 202 Capítulo 6 Engranajes. Figura 6.14. Mecanismo de engranajes interiores 6.4.3.2. Planetarios Un engranaje planetario o engranaje epicicloidal es un sistema de engranajes (o tren de engranajes) consistente en uno o más engranajes externos o satélites que rotan sobre un engranaje central o planeta. Típicamente, los satélites se montan sobre un brazo móvil o portasatélites que a su vez puede rotar en relación al planeta. Los sistemas de engranajes planetarios pueden incorporar también el uso de un engranaje anular externo o corona, que engrana con los satélites. El engranaje planetario más utilizado se encuentra dentro de la transmisión de un vehículo. Figura 6.15. Planetario 6.4.3.3. De cremallera El mecanismo de cremallera aplicado a los engranajes lo constituyen una barra con dientes la cual es considerada como un engranaje de diámetro infinito y un engranaje de diente recto de menor diámetro, y sirve para transformar un movimiento de rotación del piñón en un movimiento lineal de la cremallera. Quizás la cremallera más conocida sea la que equipan los tornos para el desplazamiento del carro longitudinal. Fundamentos del KBE (Knowledge Based Engineering) Aplicación al diseño de engranajes de ejes paralelos con Catia v5 203 Capítulo 6 Engranajes. Figura 6.16. Cremallera 6.4.4. Transmisión mediante cadena o polea dentada 6.4.4.1. Mecanismo piñón cadena Este mecanismo es un método de transmisión muy utilizado porque permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes paralelos, que estén bastante separados. Es el mecanismo de transmisión que utilizan las bicicletas, motos, y en muchas máquinas e instalaciones industriales. También se emplea en sustitución de los reductores de velocidad por poleas cuando lo importante sea evitar el deslizamiento entre la rueda conductora y el mecanismo de transmisión (en este caso una cadena). El mecanismo consta de una cadena sin fin (cerrada) cuyos eslabones engranan con ruedas dentadas (piñones) que están unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido. Figura 6.17. Juego de piñones de bicicleta Las cadenas empleadas en esta transmisión suelen tener libertad de movimiento solo en una dirección y tienen que engranar de manera muy precisa con los dientes de los piñones. Las partes básicas de las cadenas son: placa lateral, rodillo y pasador. Las ruedas dentadas suelen ser una placa de acero sin cubo (aunque también las hay de materiales plásticos). 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  • Spring '18
  • PEDRO GARCIA GONZALES
  • Máquina, Diámetro, Círculo, Rueda, Engranaje, Caja de cambios

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