Transmisión por fricción vs. transmisión por engrane: Diferencias clave explicadas

Una máquina es un conjunto de mecanismos que requiere una fuente de energía para realizar una tarea específica de manera predefinida. Las máquinas domésticas e industriales se accionan principalmente mediante motores primarios (como motores eléctricos, molinos de viento, turbinas hidráulicas o de vapor, motores de combustión interna, etc.). Generalmente, este motor primario se encuentra alejado de la unidad de la máquina y gira a una velocidad superior a la requerida. Un sistema de transmisión mecánica de potencia se utiliza para transmitir la potencia desde el motor primario hasta la unidad de la máquina. Dicho sistema cumple propósitos básicos como: (i) transmitir movimiento, par y potencia del eje motor al eje conducido, (ii) invertir el sentido de rotación (por ejemplo, de horario a antihorario o viceversa) y (iii) aumentar o reducir la velocidad de rotación.

El sistema de transmisión mecánica de potencia consta de cuatro tipos de transmisiones y varios elementos. Las cuatro transmisiones son: transmisión por engranajes, por correa, por cadena y por cuerda. Cada una ofrece ventajas específicas. Participan directamente en la transmisión y manipulación del movimiento y la potencia para satisfacer los requisitos exactos. Básicamente, obtienen la potencia del eje motor y la transfieren al eje conducido. Estas transmisiones pueden emplearse desde aplicaciones de baja velocidad y baja potencia (relojes mecánicos, juguetes) hasta aplicaciones de alta velocidad y servicio pesado (transmisiones marinas, centrales eléctricas, diferenciales de vehículos, etc.). Por otro lado, los elementos de transmisión de potencia incluyen ejes, chavetas, acoplamientos, frenos, embragues, piñones, poleas, etc. Estos elementos se utilizan junto con las transmisiones para facilitar una transmisión de potencia fácil y eficiente.

Las cuatro transmisiones del sistema de transmisión mecánica de potencia pueden clasificarse de diversas maneras. Un criterio es el medio de transmisión de potencia. Según esta base, las cuatro transmisiones se agrupan en dos categorías: transmisión por fricción y transmisión por engrane. En todas las transmisiones donde la potencia se transmite por medio de la fricción se denominan transmisiones por fricción. La transmisión por correa y la transmisión por cuerda pertenecen a esta categoría. Su capacidad de transmisión de potencia está limitada por las características friccionales de las dos superficies en contacto. La pérdida de potencia también es mayor debido a la fricción. Sin embargo, poseen la capacidad inherente de proteger el sistema contra sobrecargas. Por otro lado, en las transmisiones por engrane, la transmisión de potencia se produce mediante el engrane y desengrane sucesivo de dos partes sólidas. La fuerza de fricción no juega ningún papel en estas transmisiones. La transmisión por engranajes y la transmisión por cadena entran en esta categoría. A continuación se presentan en formato de tabla las diversas diferencias entre la transmisión por fricción y la transmisión por engrane.

Tabla: Diferencias entre transmisión por fricción y transmisión por engrane

Medio de transmisión de potencia

El objetivo básico de las transmisiones mecánicas es transmitir movimiento y potencia del eje motor al eje conducido. Esta transmisión puede realizarse ya sea por medio de la fricción o por medio de engrane. A aquellas transmisiones mecánicas donde el movimiento y la potencia se transmiten por medio de la fricción se les llama transmisión por fricción. Por ejemplo, la fuerza de fricción entre la polea y la correa ayuda a accionar un eje obteniendo potencia de otro. Además de la transmisión por correa, la transmisión por cuerda también entra en esta categoría. Por otro lado, cuando la transmisión de potencia se produce por medio del engrane y desengrane sucesivo de ruedas dentadas, esa transmisión mecánica se clasifica como transmisión por engrane. Aquí la fuerza de fricción no juega ningún papel directo en la transmisión de potencia. Por ejemplo, en la transmisión por cadena, el engrane de los dientes del piñón con las correspondientes ranuras de la cadena ayuda a transmitir la potencia. Del mismo modo, la transmisión por engranajes es otro ejemplo de transmisión por engrane.

Deslizamiento y relación de velocidad

La relación entre la velocidad del eje motor y la del eje conducido se denomina relación de velocidad. Diversos fenómenos como el deslizamiento, el reptamiento y el efecto poligonal pueden alterar la relación de velocidad. Una transmisión mecánica que proporciona una relación de velocidad constante se llama transmisión positiva. La transmisión por correa, al ser una transmisión por fricción, es propensa al deslizamiento. El deslizamiento en este contexto indica uno o ambos de dos casos: (i) el eje motor gira pero la correa no gira, y (ii) la correa gira pero el eje conducido no gira. Toda transmisión por fricción es propensa al deslizamiento y, por tanto, no puede proporcionar una relación de velocidad constante (transmisión no positiva). Las transmisiones por engrane están libres de deslizamiento; sin embargo, no necesariamente proporcionan una relación de velocidad constante. La transmisión por cadena no se ve afectada por el deslizamiento, pero el efecto poligonal en la cadena puede alterar la relación de velocidad en pequeña medida. La transmisión por engranajes puede considerarse la única transmisión positiva.

Protección contra sobrecargas

A veces, la carga en el eje motor aumenta bruscamente más allá del límite permitido. Esto puede ocurrir por diversas razones, como rotura de la herramienta de corte, error de cálculo, atasco repentino en una parte de la máquina, etc. El deslizamiento inherente en las transmisiones por fricción puede proteger al elemento motor (motor eléctrico) de una sobrecarga en el eje conducido. Siempre que la carga aumenta más allá del límite máximo capaz, se produce deslizamiento automáticamente. Esta facilidad de aislamiento no está disponible en las transmisiones por engrane. Por tanto, existe una alta probabilidad de que algún elemento se dañe permanentemente. Por ejemplo, la cadena puede romperse o los dientes del engranaje pueden romperse catastróficamente. En casos extremos, el motor primario también puede dañarse.

Capacidad de transmisión de potencia

La capacidad de toda transmisión por fricción está limitada por la fuerza de fricción que actúa entre las dos superficies de contacto. En consecuencia, las características friccionales de las superficies de contacto, la tensión inicial y el ángulo de envoltura juegan un papel crucial en la definición del límite de transmisión de potencia. El deslizamiento ocurre inherentemente cada vez que se supera este límite. Por tanto, las transmisiones por fricción no son adecuadas para la transmisión de alta potencia. Por otro lado, la resistencia de los elementos concernientes (como los dientes de los engranajes o los dientes del piñón) define principalmente el límite de transmisión de potencia en las transmisiones por engrane. La fuerza de fricción no tiene ningún papel aquí. Estas transmisiones pueden utilizarse ventajosamente para la transmisión de alta potencia.

Lubricación

Las transmisiones por fricción requieren solo lubricación ocasional. De hecho, una lubricación superior a la deseada no se recomienda, ya que aumenta el deslizamiento, lo que resulta en fluctuaciones innecesarias de la relación de velocidad y de la fuerza sobre los rodamientos. La generación de calor y el desgaste no son factores significativos en estas transmisiones. Por el contrario, las transmisiones por engrane generan calor suficiente y sufren desgaste gradual. Por tanto, la lubricación es altamente deseable aquí. La transmisión por cadena requiere lubricación frecuente; mientras que la transmisión por engranajes generalmente requiere lubricación completa. En consecuencia, el costo de mantenimiento es mayor en las transmisiones por engrane.

Pérdida de potencia y eficiencia

La pérdida de potencia debido a la fricción y al deslizamiento hace que las transmisiones por fricción sean menos eficientes. Típicamente, la transmisión por correa o cuerda puede proporcionar una eficiencia del 92–96% en una sola etapa. Las transmisiones por engrane pueden proporcionar mayor eficiencia debido a la lubricación adecuada (fricción reducida) y menor pérdida de potencia. Una transmisión por cadena puede proporcionar una eficiencia del 95–97%; mientras que la transmisión por engranajes puede proporcionar hasta un 99% de eficiencia en una sola etapa.

En este artículo se presenta una comparación científica entre la transmisión por fricción y la transmisión por engrane. El autor también sugiere consultar las siguientes referencias para una mejor comprensión del tema.

1. Design of Machine Elements por V. B. Bhandari (Cuarta edición; McGraw Hill Education).
2. Machine Design por R. L. Norton (Quinta edición; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design por R. S. Khurmi y J. K. Gupta (S. Chand; 2014).