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ENGRANAJES: (Ver más)

Los engranajes han sido usados desde la antigüedad clásica, los engranajes y los trenes de engranajes están entre las grandes invenciones de la mecánica. El desarrollo y el mejoramiento de los sistemas de engranajes es un proceso continuo donde los aportes de diversas líneas de investigación juegan un papel importante. Hoy en día los engranajes son usados en un sin número de aplicaciones en diversos campos, sea en actuadores de automotores, en electrodomésticos, en la industria, electrónica, medicina, hogar, jardinería,
etc.

Los engranajes son de los trasmisores de par de torsión más fuertes y resistentes. Su eficiencia de transmisión de potencia puede ser tan alta como de 98 %. Por otro lado, usualmente los engranes son más costosos que otros trasmisores de par de torsión, tales como los de transmisión por cadena y por banda. Los engranajes están altamente estandarizados respecto a la forma de los dientes y a su tamaño. La American Gear Manufacturers Association (AGMA) publica normas para el diseño, manufactura y ensamblado de engranajes.

Se presentan los engranajes helicoidales y se precisa su estudio considerándolos como engranajes rectos con ciertas características especiales. Se mostrará la geometría, la nomenclatura y las formulas para los cálculos de los engranajes helicoidales así como discutir las ventajas y desventajas de éstos. Adicionalmente se muestra el tornillo sin fin, una variación del engranaje helicoidal, como un tornillo que engrana con un engrane helicoidal especial, igualmente, se discutirán la importancia, los usos, la geometría y nomenclatura, de éste.

Muchas máquinas usan conjuntos de engranajes para transmitir el movimiento a otros componentes de la máquina. Los engranajes y las cajas de engranajes tienen marcas únicas de vibración que identifican tanto su funcionamiento normal como anormal. La caracterización de las señales de vibración de una caja de engranajes es difícil de establecer, pero resulta ser una valiosa herramienta para diagnosticar problemas en la máquina. La dificultad estriba fundamentalmente en dos factores:

* Resulta extremadamente difícil, cuando no imposible, montar los necesarios transductores de vibración en el interior de una caja de engranajes cerca de los engranajes individuales.

* El número de fuentes de vibración en un accionamiento de engranajes múltiples se compone de una compleja colección de engranes, modulación y frecuencias de velocidades de giro.

Grandes vibraciones en las cajas de engranajes son debidas, usualmente, a la existencia de un fenómeno de resonancia entre alguna frecuencia natural del sistema y las velocidades del eje. Las máquinas complejas tienen, generalmente, muchas frecuencias de resonancia dentro de su gama de velocidades de operación. En la resonancia, estas excitaciones cíclicas pueden causar grandes amplitudes de vibración y esfuerzos ya que, bajo condiciones de resonancia, la amplitud torsional originada está restringida solamente por el amortiguamiento del modo de vibración correspondiente. En cajas de engranajes típicas, este amortiguamiento es frecuentemente pequeño y permite al par excitado generar grandes amplitudes de vibración bajo condiciones de resonancia. Por todo ello, los espectros en frecuencia de la vibración asociada a este tipo de elementos mecánicos resulta extremadamente compleja.

La siguiente descripción de engranajes típicos dará alguna idea de la dinámica operativa normal de cada tipo de engranajes. Para la implantación de un programa de mantenimiento predictivo de engranajes y cajas de engranajes basado en vibraciones es muy importante un conocimiento básico de las fuerzas dinámicas que ellos generan. Como mínimo deberán identificarse las siguientes fuerzas y sus correspondientes vibraciones:

* FRECUENCIA DE ENGRANE (GMF): Es la frecuencia más comúnmente asociada con engranajes y es igual al producto del nº de dientes por la velocidad del eje. Una caja de engranajes normal contiene múltiples engranajes y, por tanto, múltiples frecuencias de engrane. Una señal de un engranaje normal tendrá una frecuencia de engrane de baja amplitud con una serie de bandas laterales simétricas, espaciadas a la velocidad de rotación del eje, a ambos lados.

La separación y amplitud de estas bandas serán exactamente simétricas si la caja de engranajes funciona normalmente. Cualquier desviación de la simetría de la señal indica un incipiente problema en el engranaje.

Vibración de un par de engrane para un comportamiento anormal

* FRECUENCIA DE EXCITACIÓN: Los engranajes pueden ser fabricados con tal alto grado de precisión que pequeñas imperfecciones pueden generar componentes de vibración anormales. Estas imperfecciones pueden aparecer durante la fabricación o en las operaciones de montaje. Los desajustes en el montaje pueden producir, por otra parte, que engranajes perfectos funcionen imperfectamente. La medición de errores revela esquemas complejos de defectos geométricos que dan por resultado frecuencias de vibración anormales.

Para el análisis de funcionamiento de cajas de engranaje, son de gran interés los armónicos de baja frecuencia, ya que estos componentes excitan las frecuencias normales de funcionamiento más destructivas. Los armónicos altos, tales como los errores diente a diente y las fluctuaciones de desplazamiento del eje debido a la flexibilidad de los dientes, generan ruidos, más que vibraciones, en las cajas de engranajes.
* HOLGURA: La holgura o juego es un factor importante en el funcionamiento correcto del engranaje. Todos los engranajes deben disponer de una serie de holguras para permitir las tolerancias de concentricidad y forma de los dientes. Una insuficiente holgura o juego causa un rápido fallo debido a sobrecarga. Una holgura excesiva incrementará la fuerza de contacto reduciendo, también, la vida del engranaje.
Las holguras anormales alterarán el espaciamiento de las bandas laterales que rodean la señal de frecuencia de engrane. En vez de mantener un espaciado uniforme, a la velocidad de rotación del eje, el espaciado será errático.
En el control de las condiciones mecánicas de engranajes y cajas de engranajes usando técnicas de análisis vibratorio deben considerarse también las fuerzas unitarias generadas por el engranaje específico. Por ejemplo, un engranaje helicoidal general una carga de empuje axial alta creada por el engrane de la pareja de ruedas. La degradación de las condiciones de engrane incrementará la fuerza axial y su correspondiente amplitud de vibración.

Las técnicas de control de banda estrecha son ideales para detectar problemas incipientes del tipo de los aquí descritos. Deberá establecerse una banda estrecha que incluya, al menos, cinco bandas laterales a cada lado de la frecuencia de engrane. Por ejemplo un montaje de engranajes con un eje girando a una velocidad de 20 Hz y una frecuencia a 200 Hz deberá tener una banda estrecha con un límite inferior fijado a 100 Hz (20 Hz x 5) y un límite superior fijado a 300 Hz. Este tipo de banda estrecha permitirá detectar automáticamente cualquier incremento en la energía generada en el montaje de engranajes y, por lo tanto, cualquier cambio en sus condiciones de funcionamiento. No obstante, estos datos no siempre determinarán la causa raíz del fallo, haciendo necesario un análisis manual completo.
El análisis del aceite de lubricación con técnicas espectrográficas o de partículas desprendidas añadirá información útil del funcionamiento de las cajas de engranajes y pueden incluirse en un programa de monitorizado de vibraciones. Sin embargo, el costo añadido no justifica, normalmente, la inclusión de estas técnicas, a menos que se haya identificado un serio problema en el programa de vibraciones.

GEOMETRÍA BÁSICA PARA EL CÁLCULO DE RESISTENCIA DE LOS ENGRANAJES CILÍNDRICOS .

Las transmisiones por engranajes es el grupo de transmisiones mecánicas más difundido e importante desde los inicios de la Revolución Industrial hasta nuestros días. Este mecanismo de tres miembros, en el cual dos elementos engranados son móviles y forman con el elemento fijo pares de rotación o traslación, es empleado en los más diversos campos y condiciones de trabajo: desde relojes y equipos de precisión hasta máquinas de grandes dimensiones.
Según una encuesta realizada, por los editores de la revista estadounidense Gear Technology en el año 1996, se afirma que: la rueda dentada más pequeña en uso actualmente fue producida en Albuquerque (EUA) para un micromotor de sílicon y tiene un diámetro de cresta de 0,05 mm1, en cambio la mayor rueda dentada en explotación esta instalada en el accionamiento final de un agitador en Toronto (Australia) y presenta un diámetro de referencia de 93 m2.

Lo anterior brinda una medida del amplio uso que en la actualidad tienen las transmisiones por engranajes las cuales son capaces de soportar fuerzas circunferenciales comprendidas entre 0,001 N y miles de kN, con posibilidad de trasmitir momentos torsores de hasta miles de kN-m o potencias de hasta decenas de miles de kW en las transmisiones mayores.

Tipos de Engranajes:

De las numerosas formas de clasificar los engranajes, quizás la más empleada sea la que corresponda a la disposición espacial que presentan los ejes geométricos de rotación de las ruedas, pues es muy fácil apreciar el arreglo para el montaje que presentan los árboles que soportan las ruedas dentadas y de esta forma realizar la agrupación de los engranajes para su estudio.

Clasificación de los engranajes según la disposición de los ejes en el espacio.

Ejes paralelos.
* Engranajes de ruedas cilíndricas con dientes rectos.
* Engranajes de ruedas cilíndricas con dientes helicoidales.
* Engranajes de ruedas cilíndricas con dientes bihelicoidales.
* Engranajes de ruedas elípticas.
* Engranajes de linterna.
* Engranajes beveloide.

Ejes concurrentes.
* Engranajes de ruedas cónicas con dientes rectos.
* Engranajes de ruedas cónicas con dientes tangenciales.
* Engranajes de ruedas cónicas con dientes circulares.
* Engranajes de ruedas cónicas con dientes cicloidales.
* Engranajes de ruedas cónicas con dientes evolventes.
* Engranajes de ruedas cónicas con dientes bihelicoidales.
* Engranajes de rueda cónica plana y rueda cilíndrica.

Ejes cruzados.
* Engranajes helicoidales.
* Engranajes de tornillo sinfín cilíndrico.
* Engranajes de tornillo sinfín globoidal.
* Engranajes hipoidales.
* Engranajes espiroid
* Engranajes helicón.

COMPROBACIÓN DE LA CAPACIDAD DE CARGA DE LOS ENGRANAJES CILÍNDRICOS
Para la verificación de la capacidad de carga de los engranajes cilíndricos han sido dos los criterios más difundidos y estudiados: resistencia a los esfuerzos de contacto y resistencia a las tensiones en la base del diente, los cuales han servido de base a diversas normas de comprobación de este tipo de engranaje.
El criterio de resistencia a los esfuerzos de contacto analiza la capacidad de trabajo de los flancos activos de los dientes considerando que no ocurra un deterioro por fatiga superficial (picadura) antes de un plazo de tiempo previsto. En cambio, el criterio de resistencia a los esfuerzos en la base (fondo) del diente verifica que no ocurra la fractura de los diente por fatiga volumétrica y pueda ser cumplido el plazo de tiempo esperado para el servicio en explotación.
Los criterios de resistencia a la picadura y a la fractura de los dientes, aplicados a modelos adecuados de cálculo, permiten la obtención de ecuaciones básicas que una vez mejoradas con la introducción de algunos coeficientes teóricos y prácticos, permiten que su aplicación al cálculo de los engranajes sea un reflejo más fiel de la realidad. Por lo tanto, la verificación de la capacidad de carga de los engranajes se basan en las confrontaciones de los esfuerzos de contacto calculados con los admisibles que dependen de las condiciones de contacto de los dientes en los puntos de posibles deterioros, y de los esfuerzos en la base del
diente con los admisibles a la flexión.
Un ejemplo del planteamiento anterior, es la Norma ISO 6336:96, para el cálculo de la capacidad de carga de engranajes cilíndricos, la cual toma en consideración las particularidades de las actuales transmisiones por engranajes cilíndricos y el estado del conocimiento derivado de la experiencia y estudios realizados.