Cómo funcionan los engranajes

Los engranajes se utilizan en toneladas de dispositivos mecánicos. Lo más importante es que proporcionan una reducción de marchas en equipos motorizados. Esto es clave porque a menudo un pequeño motor que gira muy rápido puede proporcionar suficiente potencia para un dispositivo, pero no suficiente par, la fuerza que hace que un objeto gire sobre un eje o se tuerza. Por ejemplo, un destornillador eléctrico tiene una reducción de engranaje muy grande (reducción en la velocidad de una máquina rotativa como un motor eléctrico) porque necesita mucho torque para girar los tornillos. Pero el motor sólo produce una pequeña cantidad de par a alta velocidad. Con una reducción de engranajes, la velocidad de salida se puede reducir mientras se aumenta el par.

Los engranajes también cambian la dirección de rotación. Por ejemplo, en el diferencial entre las ruedas traseras de su automóvil, la potencia se transmite por un eje que corre por el centro del automóvil, y el diferencial tiene que girar esa potencia 90 grados para aplicarla a las ruedas.

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Hay muchas complejidades en los diferentes tipos de engranajes. En este artículo, aprenderemos exactamente cómo funcionan los dientes de los engranajes y hablaremos sobre los diferentes tipos de engranajes que se encuentran en todo tipo de dispositivos mecánicos.

Probablemente hayas oído hablar de las relaciones de transmisión, especialmente cuando se trata de automóviles. La relación de transmisión es el número de vueltas que da el eje de salida mientras que el eje de entrada gira una vez. Si la relación de transmisión es 2:1, entonces el engranaje más pequeño gira dos veces mientras que el engranaje más grande gira solo una vez. También significa que el engranaje más grande tiene el doble de dientes que el engranaje más pequeño. El engranaje más grande se llama simplemente "engranaje", mientras que el engranaje más pequeño también se llama piñón.

Uno de los tipos de engranajes más primitivos que podríamos observar sería una rueda con clavijas de madera sobresaliendo de ella. El problema con este tipo de engranaje es que la distancia desde el centro de cada engranaje hasta el punto de contacto cambia a medida que giran los engranajes. Esto significa que la relación de transmisión cambia a medida que gira el engranaje, lo que significa que la velocidad de salida también cambia. Si usaras una marcha como esta en tu auto, sería imposible mantener una velocidad constante: estarías acelerando y desacelerando constantemente.

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Muchos engranajes modernos utilizan un perfil de diente especial llamado involuta. Este perfil tiene la importante propiedad de mantener una relación de velocidad constante entre los dos engranajes. Al igual que la rueda de clavijas de arriba, el punto de contacto se mueve, pero la forma del diente del engranaje involuto compensa este movimiento.

Ahora veamos algunos de los diferentes tipos de engranajes.

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Los engranajes rectos son el tipo más común de engranajes. Tienen dientes rectos y están montados sobre ejes paralelos. A veces, se utilizan muchos engranajes rectos a la vez para crear reducciones de engranajes muy grandes.

Los engranajes rectos se utilizan en muchos dispositivos que puede ver en HowStuffWorks, como el destornillador eléctrico, el monstruo danzante, el aspersor oscilante, el despertador de cuerda, la lavadora y la secadora de ropa. Pero no encontrarás muchos en tu coche.

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Esto se debe a que el engranaje recto puede hacer mucho ruido. Cada vez que un diente de un engranaje engancha un diente del otro engranaje, los dientes chocan y este impacto produce un ruido. También aumenta la tensión sobre los dientes del engranaje.

Para reducir el ruido y la tensión en los engranajes, la mayoría de los engranajes de tu coche son helicoidales, lo cual explicaremos a continuación.

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Los dientes de los engranajes helicoidales están cortados en ángulo con respecto a la cara del engranaje. Cuando se engranan dos dientes en un sistema de engranajes helicoidales, el contacto comienza en un extremo del diente y aumenta gradualmente a medida que los engranajes giran, hasta que los dos dientes estén completamente engranados.

El engranaje gradual de los engranajes helicoidales hace que funcionen de manera mucho más suave y silenciosa que los engranajes rectos. Por este motivo, los engranajes helicoidales se utilizan en casi todas las transmisiones de automóviles.

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Debido al ángulo de los dientes de los engranajes helicoidales, crean una carga de empuje en el engranaje cuando engranan. Los dispositivos que utilizan engranajes helicoidales tienen cojinetes que pueden soportar esta carga de empuje.

Los dientes doblados de los engranajes helicoidales significan que deben estar escalonados, con los dientes del siguiente engranaje yendo en la dirección opuesta para que puedan engranar. Cada engranaje se denomina "diestro" o "zurdo" cuando engrana con otro engranaje en ejes paralelos. Si los ángulos de los dientes de los engranajes son correctos, los engranajes helicoidales también se pueden montar sobre ejes perpendiculares, ajustando el ángulo de rotación en 90 grados.

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Los engranajes cónicos son útiles cuando es necesario cambiar la dirección de rotación de un eje. Tienen forma de cono y generalmente están montados en ejes separados 90 grados, pero también pueden diseñarse para funcionar en otros ángulos.

Los dientes de los engranajes cónicos pueden ser rectos, espirales o hipoides. Los dientes rectos de los engranajes cónicos en realidad tienen el mismo problema que los dientes rectos de los engranajes rectos: cuando cada diente encaja, impacta al diente correspondiente de una sola vez.

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Al igual que con los engranajes rectos, la solución a este problema es curvar los dientes del engranaje. Estos dientes en espiral se engranan como dientes helicoidales: el contacto comienza en un extremo del engranaje y aumenta progresivamente a lo largo de todo el diente.

En engranajes cónicos rectos y en espiral, los ejes deben estar perpendiculares entre sí y en el mismo plano. Si extendieras los dos ejes más allá de los engranajes, se cruzarían. El engranaje hipoide, por el contrario, puede engranar con los ejes en diferentes planos.

Esta característica se utiliza en muchos diferenciales de automóviles. La corona del diferencial y el piñón de entrada son hipoides. Esto permite que el piñón de entrada se monte más bajo que el eje de la corona dentada. La figura de la izquierda muestra el piñón de entrada que engrana la corona del diferencial. Dado que el eje de transmisión del automóvil está conectado al piñón de entrada, esto también baja el eje de transmisión. Esto significa que el eje de transmisión no invade tanto el habitáculo del coche, dejando más espacio para personas y carga.

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Los engranajes helicoidales son cilindros con un hilo en espiral enrollado alrededor del exterior que se engrana con otro engranaje para girarlo. Se utilizan cuando se necesitan grandes reducciones de marcha. Es común que los engranajes helicoidales tengan reducciones de 20:1, e incluso hasta 300:1 o más.

Muchos engranajes helicoidales tienen una propiedad interesante que ningún otro conjunto de engranajes tiene: el gusano puede girar fácilmente el engranaje, pero el engranaje no puede hacerlo. Esto se debe a que el ángulo del gusano es tan pequeño que cuando el engranaje intenta hacerlo girar, la fricción entre el engranaje y el gusano lo mantiene en su lugar.

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Esta característica es útil para máquinas como sistemas transportadores, en las que la función de bloqueo puede actuar como freno para el transportador cuando el motor no está girando. Los engranajes helicoidales también se utilizan en el diferencial Torsen, que aumenta el par en algunos automóviles y camiones de alto rendimiento.

Anteriormente mencionamos que cuando dos engranajes engranan, el más pequeño se llama piñón. Una cremallera es una barra recta con dientes dentados que engrana con el piñón. Probablemente puedas imaginar cómo se utilizan los engranajes de piñón y cremallera para convertir la rotación en movimiento lineal. Un ejemplo perfecto de esto es el sistema de dirección de muchos automóviles. El volante hace girar un engranaje que engrana la cremallera. A medida que el engranaje gira, desliza la cremallera hacia la derecha o hacia la izquierda, dependiendo de en qué dirección gire la rueda.

En algunas básculas también se utilizan engranajes de cremallera y piñón para girar el dial que muestra su peso.

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Cualquier conjunto de engranajes planetarios tiene tres componentes principales:

Cada uno de estos tres componentes puede ser la entrada o la salida, o pueden mantenerse estacionarios. La elección de qué pieza desempeña cada función determina la relación de transmisión del juego de engranajes. Echemos un vistazo a un solo juego de engranajes planetarios.

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Uno de los engranajes planetarios de nuestra transmisión tiene una corona dentada de 72 dientes y un engranaje planetario de 30 dientes. Podemos obtener muchas relaciones de transmisión diferentes con este juego de engranajes.

Bloquear dos de los tres componentes juntos bloqueará todo el dispositivo con una reducción de engranajes de 1:1. Observe que la primera relación de transmisión enumerada anteriormente es una reducción: la velocidad de salida es más lenta que la velocidad de entrada. El segundo es un overdrive: la velocidad de salida es más rápida que la velocidad de entrada. El último es nuevamente una reducción, pero la dirección de salida se invierte. Hay varias otras relaciones que se pueden obtener de este juego de engranajes planetarios, pero estas son las que son relevantes para nuestra transmisión automática.

Este conjunto de engranajes puede producir todas estas relaciones de transmisión diferentes sin tener que engranar o desacoplar ningún otro engranaje. Con dos de estos engranajes seguidos, podemos conseguir tantas marchas adelante y una marcha atrás como necesite nuestra transmisión. Juntaremos los dos juegos de engranajes en la siguiente sección.

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En un diente de engranaje de perfil involuto, el punto de contacto comienza más cerca de un engranaje y, a medida que el engranaje gira, el punto de contacto se aleja de ese engranaje y se acerca al otro. Si siguieras el punto de contacto, describiría una línea recta que comienza cerca de una marcha y termina cerca de la otra. Esto significa que el radio del punto de contacto aumenta a medida que encajan los dientes.

El diámetro primitivo se define como "el diámetro imaginario para el cual los anchos de las roscas y las ranuras son iguales", según ScienceDirect. Dado que el diámetro de contacto no es constante, el diámetro de paso es en realidad la distancia de contacto promedio. Cuando los dientes comienzan a engranar por primera vez, el diente del engranaje superior hace contacto con el diente del engranaje inferior dentro del diámetro de paso. Pero la parte del diente del engranaje superior que hace contacto con el diente del engranaje inferior es muy estrecha en este punto. A medida que los engranajes giran, el punto de contacto se desliza hacia la parte más gruesa del diente superior del engranaje. Esto empuja la marcha superior hacia adelante, por lo que compensa el diámetro de contacto ligeramente más pequeño.

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A medida que los dientes continúan girando, el punto de contacto se aleja aún más, saliendo del diámetro primitivo, pero el perfil del diente inferior compensa este movimiento. El punto de contacto comienza a deslizarse sobre la parte estrecha del diente inferior, restando un poco de velocidad del engranaje superior para compensar el aumento del diámetro de contacto. El resultado final es que aunque el diámetro del punto de contacto cambia continuamente, la velocidad sigue siendo la misma. Entonces, un diente de engranaje de perfil involuto produce una relación constante de velocidad de rotación.