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ENGRANAJES Pantoja, Mario., Villota, Danilo.

[email protected] Autónoma de Nariño

Resumen: Conforme al desarrollo de la ciencia y tecnología el avance en cuanto a la fabricaciónde engranajes ha ido evolucionando. En este documento haremos una breve reseña de la historiade los engranajes, evolución de los materiales de construcción, y la fabricación haciendoreferencia a los procesos más comunes para su elaboración, curvas de engranajes.

Índice de Términos— aplicaciones, desgastes, engranajes, historia, procesos, evolución.

1. Definición

Un engranaje es un mecanismo paratransmitir potencia de un componente a otropor medio de un movimiento circular en unmecanismo o maquina que requiera dedicha aplicación. Un engranaje no es másque una rueda dentada, clasificadageneralmente por tamaño; dondegeneralmente a la de mayor tamaño sellama engrane y a la de menor tamañopiñón. La aplicación más común es la detrasferir el movimiento desde el eje de lafuente principal, la cual puede ser un motor,hasta otro eje de salida que es quienrealizara el trabajo para el que ha sidoideada la maquina.

Esta transferencia de movimiento sepuede realizar de la manera más simple, quees acoplando 2 engranajes: uno de entradallamado engranaje motor o piñón y otro desalida quien recibe el movimiento del motory al que se le llama engrane conducido. Laotra forma más compleja es la de transmitirel movimiento a partir de más de un par deengranes a las cuales se les llama “tren deengranes” que no es otra cosa que lainteracción de varios componentes altiempo.

2. Historia

Desde tiempos de la antigüedad se habuscado la manera más eficiente detrasportar, impulsar, elevar etc. Objetos pormedio de cuerdas, trozos de madera,herramientas de piedra, y otros cuantoselementos con la finalidad de disminuir elesfuerzo humano; es quizás de estasnecesidades de donde surge el invento delengranaje, puesto que no se ha podidoestablecer un origen cierto de donde nicuando fue inventado. Algunasinvestigaciones han podido establecer queen la literatura China, Grecia, Turquía yDamasco mencionan engranajes, pero nohay mayores detalles de estos.

Universidad Autónoma de Nariño. Pantoja, Villota. Engranajes

Por su parte Aristóteles en el siglo IV a.Cmenciona en sus escritos el uso de ruedasdentadas. El tornillo sin fin mientras tantose atribuye a Arquímedes siglo II a.C.

Leonardo da Vinci, muerto en Francia en1519, dejo numerosos dibujos y esquemasde algunos de los mecanismos utilizadoshoy diariamente incluidos varios tipos deengranajes de tipo sin fin corona.

Los primeros datos que existen sobre latransmisión de rotación con velocidadangular uniforme por medio de engranajes,corresponden al año 1674, cuando elfamoso astrónomo danés Olaf Roemer(1644-1710) propuso la forma o perfil deldiente en epicicloide.

Es muy posible que fuera el francés Phillipede Lahire el primero en concebir el dientede perfil en evolvente en 1695, muy pocotiempo después de que Roemer concibierael epicicloidal.


3. Materiales para construcción deengranajes

Los primeros engranajes de acuerdo a laliteratura antigua estaban hechos de madera,aunque es muy difícil llegar a saber qué tipode madera utilizaron puesto que este es unmaterial que se degrada fácilmente y lasevidencias son nulas, por este motivovamos a remitirnos a los materialesactuales.

Los engranajes pueden fabricarse demuchos materiales teniendo en cuenta eluso que van a tener, desde el punto de vistamecánico hay gran variedad de propiedadesen los materiales que influyen en ladecisión a la hora de elegir, pero quizás lasdos propiedades más sobresalientes son: laresistencia y la durabilidad. Sin embargohay que tener muy en cuenta también querecursos se posee a la hora de fabricarlos,puesto que habrá materiales cuyaspropiedades presenten más o menosventajas dependiendo de variables como loscostos, la maquinaria para moldeo, Etc.

A continuación se mencionan algunosmateriales con los cuales se fabrican losengranajes en la actualidad.

3.1 Aceros: Los aceros más utilizados eneste proceso son los de medio carbono.Entre la gran variedad de acerosubicados en esta categoría se puedemencionar: AISI 1020, AISI 1040, AISI1050, AISI 3140, AISI 4140, AISI4150, AISI 4340, AISI 6150, AISI8650.

3.2 Aceros endurecidos en formasuperficial

Los dientes de engranaje endurecidosmediante flama y por inducción,implican el calentamiento a nivel local de lasuperficie del engranaje a altastemperaturas sean por medio de flama obobinas de inducción eléctrica. Los dientesde engranaje endurecidos mediante flamay por inducción, implican el calentamientoa nivel local de la superficie del engranaje aaltas temperaturas sean por medio de flamao bobinas de inducción eléctrica. Alcontrolar el tiempo y la entrada de energía,es posible controlar la profundidad delcalentamiento y la profundidad de la durezaque se obtiene como resultado. Esfundamental que el calentamiento tengalugar alrededor de todo el diente para quese obtenga la superficie dura en la cara deldiente y en las áreas del chaflán y de la raíz.Las especificaciones para dientes deengranajes de acero endurecidos por flamao por inducción, exigen una durezaresultante de HRC 50 a 54. Debido a queestos procesos recurren a la capacidadinherente de los aceros para serendurecidos, debe especificar un materialque puede endurecerse a estos niveles. Porlo regular, se especifican aceros conaleaciones al medio carbón,aproximadamente de 0.4 % a 0.6% decarbón.


3.3 Carburización y nitruración

La carbonización produce una durezasuperficial de 55 a 64 HRC y da porresultado una de las durezas masconsiderables de uso común paraengranajes. Mediante la nitruración seobtiene una superficie muy dura pero muydelgada (aprox. 0.6mm). Se especifica paraaplicaciones en las que las cargas sonligeras y se conocen bien. La nitruración sedebe evitar cuando es probable que sepresenten cargas o choques excesivosporque la superficie no es losuficientemente resistente o no está bienapoyada para resistir tales cargas.

3.4 Hierro fundido y bronce comomateriales para fabricar engranajes

Tres tipos de hierro que se emplean parafabricar engranajes son: hierro gris fundido,hierro nodular conocido también comohierro dúctil y el hierro maleable. Se debetener en cuenta que el hierro gris esquebradizo, por tanto, hay que tenercuidado cuando sea probable que sepresente carga por choque. El hierro dúctilaustemperado se utiliza en algunasaplicaciones importantes en la industriaautomotriz, sin embargo, los valores deesfuerzo permisible estandarizados aun nose han especificado. En lo que a los broncesse refiere, hay cuatro tipos que se utilizanpara fabricar engranajes: bronce con fosforoo estaño, bronce con manganeso, broncecon aluminio y bronce con sílice. Casitodos los bronces son fundidos, sinembargo, se puede disponer de algunosforjados. La resistencia a la corrosiónbuenas propiedades en cuanto a desgaste ycoeficientes de fricción bajos son algunasrazones para optar por los bronces parafabricar engranajes.

3.5 Materiales plásticos para engranajes

Los plásticos se desempeñan bien enaplicaciones donde se desea peso ligero,operación silenciosa, baja fricción,resistencia a la corrosión aceptable ybuenas propiedades en cuanto a desgaste.Debido a que las resistencias sonsignificativamente más bajas que las de casitodos los materiales metálicos para fabricarengranajes, los plásticos se emplean endispositivos que se someten a cargasligeras. A menudo, los materiales plásticospueden moldearse para darles su formafinal sin el maquinado subsecuente lo cualrepresenta ventajas en lo relativo al costo.Algunos de los materiales plásticos que seutilizan para fabricar engranajes son:· Fenólico (baquelita)· Poliamida· Poliéster· Policarbonato· Acetal, etc.Estos y otros plásticos pueden fabricarsemediante muchas formulas y puedenrellenarse con gran variedad de productospara mejorar resistencia al desgaste,resistencia al impacto, limite detemperatura, moldeabilidad y otraspropiedades.


4 FABRICACIÓN DE ENGRANES

Los procedimientos de producción deengranes se pueden dividir en dos grandesfamilias como se muestra en la figura.

4.4 FABRICACIÓN DE ENGRANESSIN ARRANQUE DE VIRUTA

4.4.1 Conformado por fundición

La fabricación de los dientes del engranajepor fundición se realiza por variosprocedimientos, entre los cuales seencuentran: colado en arena, moldeo encascara, fundición por revestimiento, coladaen molde permanente, colada en matriz.

El problema principal es que se sueleemplear para grandes series de produccióndebido al coste de los moldes. Otroproblema es que posteriormente losengranajes se tienen que rectificar o pulir,ya que las superficies obtenidas de lafundición dejan mucho que desear paraaplicaciones en las que se requiera ciertaprecisión.

4.4.2 Conformado por troquelado

Este tipo de procedimiento para obtenciónde ruedas dentadas tiene aplicación bastante

limitada en el entorno industrial.Normalmente se fabrican así, grandes seriesde ruedas dentadas de característicasmecánicas bajas y de limitada precisión;especialmente demandadas por los sectoresjugueteros, fotográficos, artículos paraoficina etc.

4.4.3 Conformado por pulvimetalurgia

pulvimetalurgia se encarga de fabricarpiezas de formas complejas con excelentestolerancias y de alta calidad de formarelativamente barata. En resumen, lapulvimetalurgia toma polvos metálicos conciertas características como tamaño, formay empaquetamiento para luego crear unafigura de alta dureza y precisión. Los pasosclaves que incluye son: la compactación delmaterial polvo y la subsiguiente unióntermal de las partículas por medio de lasinterización.


4.4.4 Extrusión

En este procedimiento se requieren lasherramientas de menor costo para laproducción en masa de engranes y ofreceuna versatilidad extraordinaria, ya que poreste método puede producirse casi cualquierforma deseada. Como lo indica el nombremismo este procedimiento, el material tieneque pasar a través de varias matrices endonde la última de estas tiene la formaexacta del acabado final del engranecorrespondiente y una vez que el materialva pasando por esta serie de dados, puededecirse que se le va exprimiendo, para darlela forma de la herramienta. Como elmaterial es desplazado por presión, sussuperficies exteriores quedan duras y tersas.

4.4.5 Prototipado rápido

El prototipado rápido es cada vez masempleado en la producción de objetos enplástico, cerámica y metal, parte deprincipios básicos de tecnología aditiva queconsisten en la impresión o adición delmaterial capa por capa de abajo hacia arribasin moldes o matrices en base a unprototipo modelado digitalmente conanterioridad mediante software.

El método consiste básicamente en elsinterizado por capas del material en polvoo desmenuzado, mediante un rayo laser deinfrarrojos, con el cual se pueden creardiferentes estructuras o configuraciones enzonas determinadas de la pieza, Antes deproceder al mecanizado de los dientes enlos engranajes, la pieza en bruto debe pasarpor otras maquinas-herramientas comotornos o fresadoras, donde se mecanizan susdimensiones exteriores y agujeros si lostuviera, dejando los excedentes necesariosen caso de que el engranaje necesitararecibir tratamiento térmico y posteriormecanizado.

5. PRODUCCIÓN DE ENGRANAJESPOR TALLADO

Los procedimientos de tallado de ruedasdentadas consisten en la utilización de unaherramienta de corte para efectuar el talladode los dientes de los engranajes a partir deun cilindro base. Los dientes de losengranajes se mecanizan por fresado,cepillado o formado con sin fin y puedenser acabados por cepillado, bruñido,esmerilado o pulido con ruedaLos procedimientos de producción deengranajes por talla se dividen, a su vez, endos grupos:


5.1 Procedimientos de talla porreproducción o copia.

5.1.1 Procedimientos de talla porgeneración.

En los procedimientos de tallado de ruedasdentadas por reproducción, el bordecortante de la herramienta es una copiaexacta de cierta parte de ella (por ejemplo,del hueco entre dientes Contiguos). Comoconsecuencia de ello, los métodos de tallapor reproducción precisan de un númeroelevado de herramientas ya que, inclusopara fabricar ruedas dentadas con el mismohace falta una herramienta para cadanumero de dientes, puesto que el huecointerdental varia. A estas herramientas decorte se les denomina “cortadoresconformadores”, generalmente, el cortadortiene la forma exacta del hueco interdental.Hay que distinguir dos procedimientos,según la máquina herramienta utilizada.

5.2 CEPILLADO

La herramienta, en la sección perpendiculara la dirección de su movimiento tieneperfiles cortantes, que se correspondenperfectamente con el contorno del huecointerdental del engranaje a tallar.Actualmente se suele emplear para dientesno normalizados por lo que se encuentracada vez más en desuso.

5.3 FRESADO

Es un método muy difundido, similar a latalla por cepillado, pero en lugar de unacuchilla con una forma determinada seutiliza como herramienta una fresa especialestandarizada la "fresa de modulo" cuyosdientes tienen perfiles idénticos a la formadel hueco interdental que se persigue. Alfinal de cada operación de fresado, la fresavuelve a su posición inicial y la pieza brutagira un ángulo igual a 1/z de vuelta parapoder fresar el siguiente hueco.

La principal desventaja de esteprocedimiento es que se necesitan una fresadistinta para cada combinación de y numerode dientes. Como es imposible tener unjuego de fresas para cada caso, además delelevado precio de una "fresa de modulo " yla rapidez con la que se desgastan, obliga arecurrir a una cierta inexactitud en eltallado, pues se emplea una misma fresapara ruedas con un numero de dientescercano a aquel para el que esta diseñada lafresa.

2.4 Procedimientos de talla porgeneración

El procedimiento de talla de ruedasdentadas por generación o rodamientopermite, aprovechando las propiedades dela evolvente, la "generación del perfil del


diente" de un engranaje. Los dientes deperfil de evolvente se pueden tallar deforma sencilla y muy exacta empleandoherramientas de perfil rectilíneo. Laherramienta de corte va avanzando amedida que la rueda gira sobre su centro.Esta es la principal ventaja de este tipo deperfiles, cuya talla puede realizarse con unaprecisión elevadísima, cualquiera que sea elnúmero de dientes, asegurando así unfuncionamiento perfecto y silencioso, aun agrandes velocidades.Existen diversas formas de lograr el perfildel diente: con un piñón generador, portallado con fresa madre, por tallado concremallera etc.

2.4.1 Generación con fresa madre

Se utiliza una herramienta de corte tambiénconocida como fresa madre. Estaherramienta se utiliza en maquinasdenominadas generadoras de engranes. Esuna herramienta cilíndrica que tiene dientescon filos cortantes que siguen una o variasespirales, todos y cada uno de los dientesson idénticos.

2.4.2 Brochado

La brocha es una herramienta de corte y secaracteriza por tener dientes con filoscortantes los cuáles van incrementando sualtura en forma consecutiva hasta alcanzarla forma o profundidad requerida. Elbrochado es una operación en la cual la

brocha, es forzada a pasar por el interior oexterior de la pieza de trabajo para obteneruna forma específica.

Dentro de las ventajas que esta herramientaproporciona se pueden mencionar:· Existen brochas tanto para interiores comopara exteriores.· Es un proceso muy rápido.· Son herramientas de forma, lo cualsignifica que la geometría que tiene laherramienta será transmitida a la pieza.· Son herramientas que se pueden re-afilardependiendo del tipo de herramienta yproceso hasta 15 veces.

2.4.3 Generación con piñóngenerador

La operación de tallado se basa en elprincipio de dos engranes que sonhermanados, con la variante de que uno deellos recorre el espesor del otro engrane deun extremo al otro y viceversa. El que semueve de un extremo al otro corresponde alcortador el cual se denomina “tallador”.

Esta operación es en forma vertical, el cortede los dientes se realiza durante elmovimiento o carrera hacia abajo. Eltallador es alimentado contra la pieza detrabajo reduciendo la distancia entre centrosentre ellos. Una vez que la herramienta haalcanzado la profundidad total de trabajo,


tanto la pieza de trabajo como el talladorcomienzan a girar en sincronía y basta unasola vuelta completa para terminar elengrane. Esta operación podría no realizarseen una sola vuelta ya que dependiendo de laprofundidad total de trabajo, en ocasionesson necesarias 2 o 3 pasadas.

Con este método es posible fabricarengranes rectos y helicoidales, tantoexternos como internos. Este tipo deoperación es utilizado cuando restriccionesen la geometría de la pieza de trabajoimpiden el uso de otro tipo de herramienta,como puede ser en piezas que presentanhombros muy cercanos al engrane.

Los talladores son fabricados en acerosrápidos (M2, M35) y si se pretende obtenerun mejor rendimiento, se utiliza en acerosinterizado (FAX31) en combinación conrecubrimiento de TiN.

2.4.4 Desbarbado o Rasurado

Se utiliza una herramienta de corte que secaracteriza por su forma de engrane condientes rectificados, esta herramienta

hermanara perfectamente con el engrane aser procesado.Los dientes del desbarbador tienenserraciones con forma rectangular a lo largodel perfil los cuales al entrar en contactocon el engrane, cortan pequeñas cantidadesde material en forma de hilos delgados; deahí proviene el nombre de “desbarbador”,se conoce también como “afeitador” o“rueda de rasurado”.

Principalmente, el desbarbador se utilizapara obtener un mejor acabado superficial alos dientes de los engranes y además, paraproporcionarles las tolerancias ydimensiones finales requeridas. Estaherramienta se utiliza posterior a losprocesos de generado o tallado en donde lassuperficies en los dientes son obtenidas conun acabado burdo y por consecuencia, lastolerancias no están bien definidas.

Los desbarbadores se fabrican en acerosrápidos (M2, M4) y también se utiliza elacero sinterizado (PMM4) para obtenermejor desempeño se encuentra el uso deaceros fundidos con estructura mashomogénea (FM23A) el cual permiteobtener mayor vida útil.


2.4.5 Rolado

Un peine de rolado tiene forma rectangular,cada peine un inicio en donde los dientescomienzan a “aparecer” y conforme seavanza por la longitud del peine estos sevan haciendo más grandes hasta que al finalya tienen la forma final que se busca en elengrane.

Los peines se utilizan en pares, cada uno deellos es idéntico al otro. Se usan en unamaquina especial de rolado, esta máquinapuede ser horizontal o vertical y siempre sehace referencia al centro del husillo que esdonde se coloca la pieza. Los peines seutilizan en pares, cada uno de ellos esidéntico al otro. Se usan en una máquinaespecial de rolado, esta máquina puede serhorizontal o vertical y siempre se hacereferencia al centro del husillo que es dondese coloca la pieza, cada vez que avanzan“penetran” más en la pieza deformándolapara darle la forma requerida.

El proceso de rolado es el mas rápido quese conoce para la fabricación de engranes,estrías, cuerdas y ranuras de lubricación.Así mismo, es un proceso que provee unacabado superficial excelente evitando lanecesidad de procesos de rectificadofinales.

2.5 PROCESOS DE ACABADOSUPERFICIAL

2.5.1 Rectificado

Para realizar este proceso habrá que hacerun tratamiento a la pieza con anterioridadpara lograr una alta dureza y así poderresistir enormes cargas aplicadas, losengranajes sufren grandes distorsionesinadmisibles desde el punto de vista deoperación en su aplicación final, que nopueden ser eliminadas con maquinasTalladoras de Engranajes Dichasdistorsiones, se eliminan en maquinasespeciales rectificadoras de engranajes demuy alto costo, y se puede realizar porrectificación por generación y rectificaciónde perfiles O con una capa galvanizada,obteniéndose una precisión dimensionalmuy alta del orden de 5 am (0.005 mm o0.0002”) y excelentes acabadossuperficiales del orden de 0.4 am (0.0004mm o 0.00002”).

2.5.2 Pulido

Se debe utilizar el pulido para dar la formafinal a los dientes después del termotratamiento. Se pueden corregir los erroresde distorsión debidos al templado. Cuandose tallan, debe dejarse suficiente material


sobre la superficie del diente. Algunosengranajes de dentadura fina se hacen apartir de lingotes de acero fundido.

2.5.3 Bruñido

Es un proceso de moldeado plástico queresulta de la presión de rozamiento, la cualaplana y extiende las pequeñasirregularidades superficiales. Se utiliza unaherramienta bruñidora templadaespecialmente,. Este proceso no corrige loserrores debidos a un tamaño erróneo.

5 CURVAS DE ENGRANAJES

5.4 Cicloidal

Fue estudiada por Nicolás de Cussa,Una cicloide es una curva generada por unpunto perteneciente a unacircunferencia generatriz al rodar sobre unalínea recta directriz, sin deslizarse.

3.2 Epicicloide

Descubierta por Alberto Durero,La epicicloide es la curva generada por latrayectoria de un punto deuna circunferencia que rueda, sindeslizamiento, por el exterior de otracircunferencia directriz. Es un tipo deruleta cicloidal.

3.3 Hipocicloide

Una curva hipocicloide es la trayectoria

descrita por un punto situado sobre una

circunferencia generatriz que rueda sin

deslizar por el interior de otra

circunferencia directriz, sin deslizamiento.

Es un tipo de ruleta cicloidal.


La curva hipocicloide es comparable a

la cicloide, donde la circunferencia

generatriz rueda sobre una línea directriz (o

circunferencia de radio infinito).

3.4 Involuta

La evolvente del círculo, a veces

llamada involuta, es una curva plana de

desarrollo, cuyas normales son tangentes de

la circunferencia.

A menudo se traza sin saberlo: cuando un

hilo tenso o un cable se desenrollan de una

bobina circular sus puntos describen la

evolvente de la circunferencia de esa

bobina.

Fue estudiada originalmente por Christian

Huygens, que trataba de diseñar relojes de

péndulo para uso marino. Huygens utilizó

la cicloide para forzar la oscilación regular

del péndulo. Cuando un hilo tenso se

enrolla en una cicloide cada uno de sus

puntos describe un cicloide, es decir, la

curva de desarrollo de una cicloide es una

cicloide, como la de una circunferencia es

una evolvente. La aplicación a los perfiles

de las ruedas dentadas fue propuesta

por Leonhard Euler.

6. REFERENCIAS

[1] Dudley, Darle W. Manual deengranajes. Cia. Edit. Continental S.A.México. 1980.

[2] Niernann. G Tratado teorico practico deelementos de maquinas. Labor.Barcelona 1973.

[3] A. L. Casillas, “Máquinas, cálculos detaller,” copyright by ediciones“MAQUINAS”.

[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Engranaje

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