Dominar los tipos de engranajes:aplicaciones, diseño y conocimientos de fabricación

Los engranajes son la columna vertebral del movimiento en los sistemas mecánicos. Estos componentes dentados transfieren velocidad y par en una amplia variedad de aplicaciones, desde relojes hasta automóviles. A pesar de su simplicidad, los engranajes pueden resolver una serie de problemas mecánicos, permitiendo la transferencia de potencia, la conversión de par y velocidad y cambios de dirección, pero solo cuando se selecciona y diseña el tipo correcto de engranaje de manera adecuada.

Este artículo analiza los principales tipos de engranajes en ingeniería, que abarcan engranajes rectos, engranajes helicoidales, engranajes helicoidales y más, y analiza sus principales beneficios y aplicaciones. El artículo también analiza cómo fabricar engranajes, incluidos los principales procesos de mecanizado de engranajes y los mejores materiales.

¿Qué son los engranajes?

Los engranajes son piezas mecánicas que transmiten movimiento y fuerza al girar entre sí. Lo que los hace especiales son sus dientes:bordes pequeños y espaciados uniformemente que se bloquean en otro engranaje y mantienen todo en movimiento sin problemas. Cuando varios engranajes trabajan juntos, forman lo que se llama un tren de engranajes, lo que permite transferir y ajustar el movimiento a través de un sistema.

Los engranajes funcionan transmitiendo movimiento de rotación y torque de un eje a otro. Esto sucede cuando los dientes de un engranaje se entrelazan con los dientes de otro, lo que hace que el segundo engranaje gire en la dirección opuesta. La transmisión de engranajes funciona mediante el uso de engranajes de diferentes tamaños dentro de un tren de engranajes:un engranaje más pequeño que impulsa uno más grande aumenta el par, mientras que un engranaje más grande que impulsa uno más pequeño aumenta la velocidad. El engranaje más pequeño de un tren de engranajes se llama piñón.

En la ingeniería mecánica y en los sistemas industriales, los engranajes son increíblemente importantes. Permiten a los ingenieros controlar la velocidad, el par y la dirección en una gran variedad de sistemas, desde relojes de pulsera hasta maquinaria pesada. Los engranajes bien fabricados ofrecen un alto nivel de precisión y pueden facilitar los cambios de eje en configuraciones específicas.

Tipos de equipo Disposición del eje

Antes de profundizar en los diferentes tipos de engranajes (categorizándolos principalmente por su forma y características), es útil examinar las diferentes disposiciones posibles de los ejes para los engranajes.

Las disposiciones de los ejes de los engranajes definen cómo se colocan los engranajes en sus ejes giratorios para transferir potencia. En otras palabras, su orientación:paralela, intersectante o ninguna de las dos. Estas diferentes configuraciones afectan factores como la velocidad de entrada/salida, el par y la dirección.

A continuación se muestran las tres configuraciones principales de ejes de engranajes y sus características clave. Tenga en cuenta que la columna de Ejemplos describe los engranajes tanto por su forma como por su disposición.

Disposición del eje Descripción Aplicaciones Beneficios Ejemplos Engranajes de eje paralelo Engranajes que operan con ejes paralelos entre sí• Transportadores industriales
• Elevación y maquinaria pesada
• Mezclado y procesamiento Alta eficiencia, transferencia de potencia y capacidad de carga, así como diseño compacto • Engranajes rectos
• Engranajes helicoidales
• Cremallera y piñónEngranajes de ejes que se cruzan Engranajes que conectan ejes que se cruzan en un ángulo (por ejemplo, 90°)• Accionamientos diferenciales
• Taladros manuales
• Equipos industriales Alta eficiencia, flexibilidad direccional, ahorro de espacio para configuraciones complejas • Engranajes cónicos rectos
• Engranajes cónicos en espiral
• Engranajes de ingleteEngranajes de eje no paralelos y sin intersección Engranajes que operan sobre ejes torcidos o cruzados en el espacio• Transportadores y elevadores (sinfín)
• Diferenciales automotrices (hipoides)
• Flexibilidad de diseño robótico, altas relaciones de reducción y funcionamiento silencioso y suave para usos con cargas elevadas. • Engranajes helicoidales.
• Engranajes hipoides
• Engranajes helicoidales cruzados (engranajes de tornillo)

La sección anterior analizó las formas en que se pueden colocar los engranajes entre sí para afectar su uso. Esta sección analiza los engranajes en términos de su forma, características y función inherentes.

Engranajes rectos

Los engranajes rectos cilíndricos, también conocidos como engranajes rectos o engranajes de corte recto, son un estilo de engranaje común que comprende dientes rectos paralelos al eje del eje. Estos dientes pueden ser internos o externos, y la potencia se transmite en un eje paralelo cuando un engranaje recto se engrana con otro.

Los engranajes rectos funcionan bien a velocidades moderadas, pero pueden resultar ruidosos a altas velocidades. Se encuentran en sistemas transportadores, máquinas cortadoras, cabrestantes y bienes de consumo.

Engranajes helicoidales

Los engranajes helicoidales son otro tipo de engranaje que se encuentra en una configuración de eje paralelo o cruzado. Se diferencian de los engranajes rectos en que las paredes de sus dientes están en ángulo, en lugar de paralelas al eje de rotación.

Debido a que los dientes en ángulo se acoplan más gradualmente que los dientes rectos, los engranajes helicoidales tienen la ventaja de funcionar de manera suave y silenciosa, produciendo vibraciones mínimas. Por lo tanto, son populares en aplicaciones de alta velocidad o aplicaciones de bajo ruido, incluidas transmisiones, turbinas y bombas de automóviles.

Engranajes cónicos

Los engranajes cónicos tienen forma cónica (o de cono truncado), con dientes que recorren la superficie cónica del cono. Están diseñados para configuraciones de ejes que se cruzan, normalmente en un ángulo de 90°.

Los subtipos de engranajes cónicos incluyen:

• Engranajes cónicos rectos :dientes rectos que recorren la superficie cónica
• Engranajes cónicos en espiral :dientes curvos y oblicuos que recorren la superficie cónica
• Engranajes de inglete :juegos de engranajes cónicos con ejes de 90° y el mismo número de dientes

La principal ventaja de los engranajes cónicos es su capacidad para cambiar la dirección de rotación y al mismo tiempo ofrecen una transmisión de potencia de alta eficiencia. Se utilizan ampliamente en diferenciales de automóviles (permiten que las ruedas giren a diferentes velocidades en las curvas), transmisión de potencia, herramientas manuales y otros sistemas mecánicos.

Engranajes hipoides

Un engranaje hipoide es una variante del engranaje cónico en espiral, que comprende dientes helicoidales curvados pero en ejes no paralelos ni que se cruzan (inclinados). En un engranaje hipoide, el eje del piñón se coloca encima o debajo del centro de la corona.

Las ventajas de los engranajes hipoides incluyen un funcionamiento suave y silencioso, alta resistencia y permitir una ubicación más baja del eje de transmisión. Se encuentran más comúnmente en diferenciales de automóviles y cajas de cambios multietapa.

Engranajes helicoidales

Un engranaje helicoidal es un mecanismo de dos partes que consta de un “gusano” con forma de tornillo y una “rueda helicoidal” dentada que transmite el movimiento en un ángulo de 90°. Estos engranajes destacan por aumentar significativamente el par y reducir la velocidad.

Las ventajas de los engranajes helicoidales incluyen capacidades de autobloqueo que evitan la marcha atrás (giran en reversa) y aumentan la seguridad, así como su compacidad y funcionamiento silencioso. Debido a esto, los engranajes helicoidales se utilizan a menudo en aplicaciones críticas, como equipos de elevación de servicio pesado (ascensores, montacargas) y transportadores.

Piñón y cremallera

Una cremallera y piñón es una configuración de engranaje mecánico que convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal. La cremallera es una barra dentada recta y el piñón es un engranaje circular.

Los beneficios de los engranajes de piñón y cremallera incluyen simplicidad y confiabilidad. La aplicación más común de piñón y cremallera son los sistemas de dirección de automóviles. Aquí, el piñón está conectado a la columna de dirección y su rotación hace que la cremallera se mueva hacia la izquierda o hacia la derecha, lo que permite que las ruedas delanteras giren.

Conjuntos de engranajes planetarios

Más una configuración que un tipo de engranaje individual, un sistema de engranajes planetarios (o engranaje epicicloidal) es una disposición de engranajes compacta que consta de un engranaje “solar” central, múltiples engranajes “planetarios” que giran a su alrededor y un engranaje anular exterior. La configuración crea una alta densidad de par y se pueden lograr diferentes velocidades bloqueando diferentes elementos.

Los juegos de engranajes planetarios se encuentran en transmisiones automáticas, mecanismos reductores industriales, engranajes de bicicletas, impresoras 3D, robots y otros sistemas.

Materiales del equipo

Los materiales comunes para los engranajes incluyen metales como el acero y el bronce, así como ciertos plásticos de alta resistencia. El acero es el material de engranaje más común en general.

Engranajes metálicos

El metal es la categoría de material principal para los engranajes debido a su mayor resistencia y durabilidad, así como a su buena resistencia al calor. Los engranajes de alto par y alta velocidad suelen estar hechos de metal y no de otros materiales.

Los tipos comunes de engranajes metálicos incluyen:

• Engranajes de acero al carbono :El acero al carbono es un metal resistente con una buena relación resistencia-peso y durabilidad.
• Engranajes de acero aleado :Los engranajes de acero aleado son ideales para aplicaciones industriales que requieren mayor resistencia y resistencia al impacto.
• Engranajes de acero inoxidable :Se prefieren los engranajes de acero inoxidable por su mayor resistencia a la corrosión.
• Engranajes de hierro fundido :Para aplicaciones pesadas y de baja velocidad que necesitan una buena resistencia al desgaste, se pueden utilizar engranajes de hierro fundido.
• Engranajes de bronce y latón :El bronce y otras aleaciones de cobre suelen ser el material elegido para engranajes helicoidales y aplicaciones de baja fricción.

Engranajes de plástico

Aunque los engranajes metálicos dominan el paisaje, una cantidad sorprendentemente grande de engranajes están hechos de plástico. Los engranajes de plástico tienen la ventaja de pesar muy poco, generar un ruido mínimo y costar menos que los de metal. Algunos plásticos también tienen propiedades autolubricantes.

Los tipos comunes de engranajes de plástico incluyen:

• Engranajes de nailon :Los engranajes de nailon livianos ofrecen buena resistencia al desgaste, propiedades autolubricantes y una alta relación resistencia-peso.
• Engranajes de acetal (Delrin) :Los engranajes de acetal proporcionan estabilidad dimensional, baja absorción de humedad, alta resistencia y baja fricción.
• Engranajes de policarbonato :Los engranajes de PC ofrecen excelente tenacidad y resistencia al impacto, resistencia al calor y estabilidad dimensional.

Métodos de fabricación de engranajes

Los tipos de métodos de fabricación de engranajes varían según el tipo de engranaje, el tipo de material del engranaje, el volumen de fabricación y otros factores. La fabricación de engranajes normalmente implica tanto un proceso de corte mediante una forma de mecanizado CNC (para establecer la forma general de la pieza) como una etapa de posprocesamiento.

Procesos de corte de engranajes

Las técnicas de corte de engranajes son procesos especializados de mecanizado de engranajes para crear engranajes a partir de espacios en blanco. La siguiente tabla muestra los tipos de corte de engranajes más comunes.

Proceso Descripción Ventajas Limitaciones Usado frecuentemente para Tallado de engranajesUtiliza una herramienta de corte helicoidal (fresa) para crear continuamente dientes de engranajesEficiente y económicoHerramientas complejasEngranajes rectos, engranajes helicoidalesConformación de engranajesUtiliza cortador en forma de piñón que se mueve hacia arriba y hacia abajo mientras el cortador y el engranaje giran juntosVersátil, precisoEngranajes internos lentos, perfiles de dientes especializadosFresado de engranajesUtiliza fresadora horizontal o vertical para cortar el perfil del engranajeBaja inversión inicial, flexibleLento, mayor costo por unidadBajos volúmenes de engranajes rectos, engranajes helicoidales, tornillos sin fin Brochado de engranajes Utiliza una herramienta dentada (una brocha) para eliminar material de manera eficiente Muy rápido Alta inversión inicial Engranajes internos o externos, engranajes rectos, engranajes helicoidales Rebajado de engranajes Combina tallado y conformado de engranajes; utiliza herramienta de corte y pieza de trabajo en ángulo para raspar metal Muy rápido, especialmente bueno para engranajes internos Alta inversión inicial, programación compleja Engranajes internos como juegos de engranajes planetarios Gear InvoMilling Proceso patentado de Sandvik Coromant que utiliza cortadores de plaquita indexables en CNC de 5 ejes Flexible, reduce los tiempos de mecanizado Lento para volúmenes muy altos Perfiles de engranajes personalizados

Moldeo por inyección de engranajes de plástico

El moldeo por inyección es un proceso popular para la producción de gran volumen de piezas mecánicas termoplásticas, como engranajes. Los engranajes de plástico generalmente no requieren lubricación, cuestan menos que los de metal, pesan muy poco y ofrecen otros beneficios como resistencia a la corrosión y absorción de vibraciones.

Para cantidades de engranajes de plástico de aproximadamente 5000 unidades o más, recomendamos el moldeo por inyección de plástico como una alternativa más económica al mecanizado. En cantidades de decenas o cientos de miles, es mucho más barato. (Por otro lado, en cantidades muy pequeñas el alto costo de las herramientas de moldeo por inyección no se justifica). Sin embargo, las desventajas de los engranajes moldeados por inyección incluyen una menor resistencia y un nivel de inestabilidad dimensional.

Postprocesamiento y acabado

Después de que se utilizan los procesos de corte o conformado para fabricar los engranajes, los procesos de posprocesamiento y acabado ayudan a completar las piezas. A continuación se detallan algunas de las principales técnicas de posprocesamiento de engranajes utilizadas por empresas como 3ERP:

Engranaje G descortezado

En el proceso de rectificado de engranajes, un proceso de mecanizado abrasivo que utiliza muelas abrasivas para eliminar pequeñas cantidades de material, lo que mejora la precisión y el acabado superficial de los dientes mecanizados de los engranajes.

Los dos tipos principales de rectificado de engranajes son:

• Remolcado de formas :Un proceso de rectificado en el que la muela coincide con el espacio entre dientes
• Generación de molienda :Un proceso de rectificado más rápido que utiliza una rueda helicoidal abrasiva para rectificar el engranaje a medida que engrana con él

Pulido de engranajes

El proceso de bruñido de engranajes se diferencia del rectificado en que utiliza una herramienta de bruñido especializada para realizar ajustes precisos a la forma del engranaje. Es más lento que el rectificado pero crea menos estrés térmico.

Lapeado de engranajes

El proceso de lapeado de engranajes implica el uso de una pasta abrasiva y herramientas acopladas para terminar los dientes del engranaje. El proceso es muy preciso y se utiliza para mejorar el contacto de apareamiento, aunque es bastante caro.

Tratamiento térmico

Después del mecanizado de los engranajes, se aplica un tratamiento térmico para aumentar la resistencia y la dureza, lo que da como resultado engranajes con una vida útil más larga.

Los tipos de tratamiento térmico para engranajes incluyen:

• Carburación :Añade carbono al engranaje a altas temperaturas para crear una superficie resistente al desgaste
• Nitruración :Utiliza temperaturas más bajas y nitrógeno para aumentar la resistencia a la fatiga sin causar distorsión
• Endurecimiento por inducción :Utiliza un campo electromagnético para calentar y endurecer áreas específicas del equipo

Otros tratamientos superficiales

Se pueden aplicar a los engranajes varios procedimientos de acabado de superficies para piezas mecanizadas de metales. Estos incluyen niquelado, revestimiento de óxido negro y tratamiento de lubricación.

Servicios de fabricación de engranajes personalizados por 3ERP

Cuando los componentes disponibles en el mercado no pueden satisfacer las necesidades específicas del usuario, se deben buscar servicios de fabricación de engranajes personalizados de un proveedor confiable como 3ERP.

3ERP se especializa en producir engranajes de alta calidad en volúmenes bajos a medianos, ofreciendo una amplia gama de materiales, procesos de fabricación y opciones de posprocesamiento de alta calidad. Como expertos en creación de prototipos y producción de puentes, podemos ayudar durante todo el proceso de creación de engranajes personalizados.

Nuestros servicios de fabricación de engranajes personalizados incluyen:

• Servicios rápidos de creación de prototipos, incluida asistencia en el diseño
• Servicios de fabricación de bajo volumen para convertir prototipos en productos
• Servicios expertos de mecanizado CNC que incluyen mecanizado de 5 ejes, rectificado de precisión y más para la producción de engranajes de metal y plástico
• Servicios rápidos de herramientas y moldeo por inyección de plástico para la producción de engranajes de plástico a bajo costo

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Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los tipos de engranajes más comunes en ingeniería mecánica?

Algunos de los engranajes de ingeniería mecánica más comunes incluyen engranajes rectos, engranajes helicoidales y engranajes cónicos. Los mecanismos un poco más complejos incluyen engranajes helicoidales y engranajes de piñón y cremallera.

¿Cuáles son los diferentes tipos de dientes de engranajes?

Los dientes de los engranajes pueden tener diferentes perfiles y diferentes disposiciones u orientaciones. Las formas de los dientes de los engranajes incluyen involuta, cicloide y trocoide, y pueden ser rectas, helicoidales, de doble hélice (en espiga) o posicionadas de otras maneras.

¿Cuáles son algunos tipos de engranajes o tipos de conexiones de engranajes?

El modo de engrane de los engranajes depende tanto de la forma del engranaje como de la orientación del eje. Por ejemplo, los engranajes helicoidales en ejes paralelos hacen contacto engranando a lo largo de una línea, mientras que los engranajes helicoidales en ejes cruzados solo hacen contacto en un punto.

¿Cómo se fabrican los engranajes?

La producción de engranajes comienza con una pieza en bruto (generalmente hecha mediante forjado o fundición si los engranajes son metálicos) antes de cortar los dientes mediante un proceso de mecanizado especializado. Los procesos de mecanizado de uso general, como el fresado CNC, son más lentos que los procesos que utilizan engranajes, como el tallado con fresado y el biselado.

Los engranajes de plástico se pueden fabricar con métodos similares o mediante moldeo por inyección, utilizando un molde metálico con una cavidad en forma de engranaje.

¿Cuáles son los mejores materiales para los engranajes?

Los engranajes pueden estar hechos de metal para obtener la mayor resistencia y durabilidad, o de plástico para obtener la mayor autolubricación y el menor ruido y peso. Los metales comunes incluyen acero, hierro fundido y bronce, mientras que los plásticos comunes incluyen nailon, acetal y policarbonato.