Guía completa de engranajes rectos:definiciones, tipos, perfiles, cálculos y aplicaciones

Un engranaje recto es el tipo más común de engranaje mecánico, con un diseño simple. ¿Cuál es el perfil de un engranaje recto y cómo funciona? Aquí, aprendamos sobre la definición, funciones, aplicaciones, fabricación, tipos, perfil de diente, módulo, terminología, fórmulas de cálculo, tabla de dimensiones y engranaje recto versus engranaje helicoidal de los engranajes rectos.

¿Qué es un engranaje recto?

El engranaje recto es un tipo de engranaje clásico que consta de un cilindro o disco con dientes rectos que sobresalen radialmente y paralelos al eje de rotación central. Los dientes de un engranaje recto pueden ubicarse en el exterior o en el interior del cilindro. Un engranaje externo puede engranar con otro engranaje externo o con un engranaje interno. Un engranaje interno sólo puede engranar con un engranaje externo. Los engranajes rectos son ampliamente reconocidos por su forma sencilla y su facilidad de fabricación. Pueden variar ligeramente en la forma o el grosor del cubo, pero estas diferencias no afectan la cara básica del engranaje ni el diseño de los dientes.

La característica más notable de un engranaje recto son sus dientes rectos, que engranan suavemente con los dientes de otro engranaje recto. Este diseño garantiza una transmisión de potencia eficiente y confiable entre ejes paralelos. Dado que los engranajes rectos sólo funcionan con ejes paralelos, no generan ningún empuje axial durante el funcionamiento. Los perfiles de los dientes suelen ser curvas envolventes, lo que ayuda a mantener una relación de velocidad constante a medida que giran los engranajes. Los engranajes rectos suelen estar hechos de materiales como acero, latón, bronce o plástico y pueden endurecerse para mejorar su resistencia y durabilidad.

¿Qué hace un engranaje recto?
Funcionalmente, los engranajes rectos transmiten movimiento mecánico y potencia entre dos ejes paralelos. Al acoplar los dientes rectos de un engranaje con otro (con el mismo paso y ángulo de presión), los engranajes rectos transfieren el movimiento de rotación de manera eficiente, controlando la velocidad, el torque y la potencia dentro del sistema. Dependiendo de su tamaño y disposición, los engranajes rectos pueden aumentar o disminuir la velocidad de rotación y ajustar el par en consecuencia.

Aplicaciones y usos de engranajes rectos
Los engranajes rectos se utilizan ampliamente en diversas industrias, incluida la automoción, la maquinaria industrial y los productos de consumo, debido a su simplicidad, rentabilidad y confiabilidad. Por ejemplo, en las transmisiones de vehículos, los engranajes rectos ayudan a transferir potencia del motor a las ruedas, permitiendo el movimiento. Su distribución uniforme de la carga de los dientes conduce a un funcionamiento suave y una larga vida útil. Además, los engranajes rectos se pueden personalizar con diferentes perfiles y tamaños de dientes para adaptarse a las necesidades de aplicaciones específicas.

Proceso y materiales de fabricación de engranajes rectos

• Recalcado:Este es el método más común para cortar los dientes de engranajes rectos externos. Un cortador cilíndrico giratorio llamado fresa corta gradualmente los dientes del engranaje a medida que el engranaje y la fresa giran en sincronización. El tallado con fresado crea perfiles dentales precisos de manera eficiente.
• Conformación:La conformación de engranajes utiliza un cortador alternativo con forma de engranaje para cortar dientes en la pieza en bruto. Es especialmente útil para engranajes internos o engranajes con perfiles especiales.
• Cepillado:El cepillado implica un cortador en forma de cremallera que se mueve linealmente contra el engranaje giratorio para cortar los dientes. Es menos común, pero se utiliza para tamaños y formas de engranajes específicos.
• Brochado:esta técnica se utiliza principalmente para cortar dientes internos de engranajes. Se tira o empuja una herramienta de brocha con dientes cada vez más grandes a través del engranaje en bruto, lo que produce perfiles internos precisos con acabados suaves.
• Fresado:el fresado elimina el exceso de material del engranaje en bruto para prepararlo o para cortar dientes de engranaje en producción personalizada o de bajo volumen. Las fresadoras CNC utilizan cortadores rotativos para dar forma al engranaje.
• Perforación:la perforación se utiliza para crear agujeros centrales o agujeros de montaje en el engranaje en bruto.
• Desbarbado:después del corte, las rebabas de los dientes del engranaje se eliminan mediante desbarbado mecánico o manual para garantizar un funcionamiento suave y reducir el desgaste.

En cuanto a los materiales, el acero al carbono es el más utilizado para la fabricación de engranajes porque ofrece un excelente equilibrio entre maquinabilidad, resistencia al desgaste, resistencia y rentabilidad. El acero al carbono está disponible en grados como acero dulce, medio y alto en carbono, cada uno adecuado para diferentes requisitos de resistencia y dureza. Dependiendo de la aplicación, también se pueden utilizar otros materiales como aceros aleados, latón, bronce o plásticos para fabricar engranajes rectos.

Diferentes tipos de engranajes rectos

Las principales categorías de engranajes rectos son externos e internos. También existen otros tipos de engranajes rectos para fines específicos, como antijuego, buje de pasador, piñón y cremallera, buje de pasador, buje dividido, etc.

1. Engranaje recto externo
El engranaje recto externo es el tipo más común y simple, con dientes rectos cortados en la superficie exterior de un engranaje cilíndrico. Estos engranajes engranan con otros engranajes rectos externos para transmitir el movimiento giratorio entre ejes paralelos, con los engranajes girando en direcciones opuestas. Su diseño simple los hace altamente eficientes y fáciles de fabricar, razón por la cual se encuentran en innumerables cajas de cambios, motores, temporizadores y reductores de velocidad en muchas industrias.

2. Engranaje recto interno
Los engranajes rectos internos tienen los dientes cortados en la superficie interior de un anillo cilíndrico. Estos engranajes engranan con engranajes externos más pequeños, lo que hace que ambos engranajes giren en la misma dirección. Esta configuración se utiliza a menudo en sistemas de engranajes planetarios compactos y transmisiones especializadas donde el espacio es limitado. Los engranajes rectos internos proporcionan una transmisión de par suave y son comunes en reductores de engranajes compactos y dispositivos de sincronización.

3. Engranaje recto anti-retroceso
Los engranajes rectos anti-contragolpe están diseñados para minimizar el juego, o contragolpe, entre los dientes de los engranajes que engranan entre sí. Generalmente se necesita juego para permitir la deflexión de los dientes, la expansión térmica, la tolerancia a los errores del perfil de los dientes y una lubricación adecuada. Sin embargo, en aplicaciones que requieren alta precisión, es importante un juego mínimo o nulo. Los fabricantes de engranajes han desarrollado engranajes anti-juego para satisfacer estas demandas, ajustando la cantidad de juego de acuerdo con los requisitos de carga. En el caso de los engranajes rectos, el juego ajustable se logra superponiendo y desplazando ligeramente dos engranajes idénticos para controlar el grosor de los dientes. Estos engranajes se utilizan habitualmente y son una forma rentable de reducir las imprecisiones en trenes de engranajes de bajo par.

Los engranajes rectos anti-contragolpe normalmente constan de dos engranajes rectos montados uno al lado del otro en un eje, unidos por resortes. Los resortes tiran de los engranajes entre sí, creando un efecto de "pellizco" en el engranaje acoplado. Este movimiento de pellizco compensa el juego, reduciéndolo significativamente durante la instalación. La precisión del diseño de los engranajes antirretroceso los hace adecuados para industrias como la aeroespacial, la robótica y la maquinaria de alta precisión. Por ejemplo, los telescopios de alta precisión utilizan engranajes anti-retroceso para garantizar la precisión al eliminar el juego de los engranajes que podría distorsionar el posicionamiento.

4. Engranaje recto Cremallera y piñón
Los sistemas de piñón y cremallera combinan un engranaje recto cilíndrico (piñón) con una cremallera dentada lineal para convertir el movimiento giratorio en movimiento lineal o viceversa. Esta configuración es muy útil en sistemas de dirección, máquinas CNC y actuadores mecánicos, ya que ofrece un posicionamiento lineal preciso y una eficiencia de transmisión de potencia mejorada. Las transmisiones de piñón y cremallera se utilizan en dirección de automóviles, robótica, ascensores y automatización industrial.

Fórmula de cálculo de terminología y perfil de dientes de engranaje recto

Múltiples parámetros determinan el perfil o la forma de los engranajes rectos, incluido el paso (módulo/paso diametral), el ángulo de presión, el número de dientes y más. Cuando se ven desde un lado, las caras de los dientes son rectas y alineadas paralelas al eje. En cuanto a los tipos de perfiles de dientes de engranajes rectos, los hay involutivos y cicloidales.

• El engranaje recto de perfil involuto es el más común y se usa ampliamente en la industria moderna. El ángulo de presión sigue siendo el mismo cuando el engranaje está funcionando. Se prefiere porque su forma garantiza una transferencia de movimiento suave y consistente entre los engranajes, incluso si la distancia central entre los engranajes cambia ligeramente. La curva de involuta se genera al desenrollar una cuerda tensa de un círculo, y esta forma ayuda a mantener un ángulo de presión constante durante la rotación del engranaje. Un engranaje involuto también es más fácil de fabricar que un engranaje cicloidal. 

• El engranaje recto de perfil cicloidal es un diseño antiguo, que a menudo se encuentra en equipos más antiguos o especializados. Su ángulo de presión siempre cambia durante la operación. La forma del diente cicloidal se basa en la trayectoria trazada por un punto en la circunferencia de un círculo rodante, que difiere de la curva involuta. Si bien los engranajes cicloidales pueden ser eficaces, son más sensibles a ligeros cambios en la distancia central entre los engranajes y su fabricación es generalmente más compleja.

Diagrama del perfil del diente del engranaje recto

Terminología de engranajes Significado Fórmula de cálculo Explicación Número de Dientes (N) Número total de dientes en el engranaje N =P × DN:Número de dientes
P:Paso diametral
D:Diámetro primitivoDiámetro primitivo (D)Diámetro del círculo primitivo donde engranan los dientesD =N / DPD:Diámetro primitivo
N:Número de dientes
DP:Paso diametral Paso diametral (DP)Número de dientes por unidad de diámetro de pasoDP =N / DDP:Paso diametral
N:Número de dientes
D:Diámetro de paso Ángulo de presión (α) Ángulo entre la cara del diente y la tangente al círculo primitivo Generalmente 20° (valor común) α:Ángulo de presión Módulo (m) El parámetro de tamaño de engranaje métrico define el tamaño del diente m =D / Nm:Módulo
D:Diámetro de paso (mm)
N:Número de dientes Diámetro de referencia (d) Diámetro utilizado en los cálculos de diseño de engranajes Relacionado con el módulo, distancia entre centros, ángulo de presión:Diámetro de referencia Ancho de cara / Alto de diente (h) Ancho del diente del engranaje a lo largo del eje de rotación h =ha + hfh:Ancho de cara / alto de diente
ja:Anexo
hf:DedendumAddendum (ha)Altura del diente por encima del círculo primitivoha =mha:Addendum
m:ModuleDedendum (hf)Profundidad del diente por debajo del círculo primitivohf =1,25 × mhf:Dedendum
m:Distancia entre centros del módulo (C)Distancia entre los centros de dos engranajes engranadosC =(N₁ + N₂) / (2 × DP)C:Distancia entre centros
N₁:Dientes en el engranaje impulsor
N₂:Dientes del engranaje conducido
DP:Paso diametralNúmero de dientes en el engranaje impulsor (N₁)Recuento de dientes en el engranaje impulsor (engranaje de entrada)Se utiliza en los cálculos de relación de transmisión y distancia entre centrosN₁:Número de dientes en el engranaje impulsorNúmero de dientes en el engranaje de acoplamiento (N₂)Recuento de dientes en el engranaje de acoplamiento (impulsado)N₂ =(N₁ × R) / S₂N₂:Dientes en el engranaje de acoplamiento
N₁:Dientes en el engranaje impulsor
R:relación de transmisión
S₂:Velocidad de salida deseadaRelación de transmisión (mG)Relación entre los dientes del engranaje impulsado y los dientes del engranaje impulsormG =N₂ / N₁mG:Relación de transmisión
N₂:Dientes del engranaje conducido
N₁:Dientes del engranaje impulsor Velocidad de entrada (S₁)Velocidad de rotación del engranaje impulsor (RPM)S₁ =(S₂ / mG) × (N₂ / N₁)S₁:Velocidad de entrada
S₂:Velocidad de salida
mg:relación de transmisión
N₁, N₂:Dientes en los engranajes impulsores y conducidos Velocidad de salida deseada (S₂)Velocidad de rotación requerida del engranaje conducido (RPM)S₂ =(S₁ × mG) / 60S₂:Velocidad de salida
S₁:velocidad de entrada
mg:relación de transmisión
60:Factor de conversión de tiempo (segundos a minutos)Diámetro exterior (DO)Diámetro total del engranaje, incluida la altura completa del dienteDO =(N + 2) / DPDO:Diámetro exterior
N:Número de dientes
DP:Paso diametral Resistencia del diente (S) La capacidad de un diente para soportar fuerzas aplicadas sin fallar S =(Y × K × Wt) / FOSS:Resistencia del diente
Y:factor de forma de Lewis (basado en la forma del diente)
K:factor de geometría
Peso:Fuerza tangencial sobre el diente.
FOS:Factor de seguridad

Dimensión y módulo del engranaje recto

Básicamente, el módulo mide el tamaño de cada diente de engranaje en relación con el diámetro de paso. El módulo indica directamente el tamaño y el grosor de los dientes del engranaje. Un módulo más grande significa dientes más grandes y un engranaje general más grande, mientras que un módulo más pequeño significa dientes más pequeños y un engranaje más compacto. Dos engranajes deben tener el mismo módulo para que engranen correctamente. Si los engranajes tienen módulos diferentes, sus dientes no encajarán correctamente, provocando fallas mecánicas. Los módulos estándar pueden garantizar que los engranajes se engranen correctamente sin interferencias y permitir que los fabricantes de todo el mundo produzcan engranajes compatibles.

El módulo del engranaje recto (indicado como m) se calcula dividiendo el diámetro del círculo primitivo (d) del engranaje por el número de dientes (z). El círculo primitivo es un círculo imaginario que recorre los dientes del engranaje donde los engranajes engranan efectivamente. Por ejemplo, un engranaje recto con un diámetro de paso de 100 mm y 20 dientes tendrá un módulo de 5 (100/20 =5 mm). Esto significa que cada diente corresponde a un segmento de 5 mm del diámetro del círculo primitivo.

Tabla de tamaños de engranajes rectos

El diseñador debe calcular las dimensiones reales del engranaje en función de los parámetros del perfil de diente estándar, el módulo seleccionado y el número de dientes. A continuación se muestran dos tablas de dimensiones de engranajes rectos como referencia en la producción real.

Tabla de dimensiones del engranaje recto Mod 1.0

Las letras “A” y “B” en Cat.No. indica el tipo de engranaje, el engranaje tipo A con 1 mod tiene un ancho de 25 mm y el ancho del engranaje tipo B con 1 mod es 15 mm.

Gato. No. No. Dientes Diámetro de paso. dp Diámetro mínimo Máx. Diámetro Hub ⌀ C Diámetro exterior. D Peso kg S1012B1212669140.012S1013B13136710150.016S1014B14146711160.020S1015B15156812170.025S1016B16166813180 .030S1017B17177914190.033S1018B181881015200.038S1019B191981015210.045S1020B202081116220.055S1021B212 181116230.058S1022B222281218240.060S1023B232381218250.065S1024B242481320260.070S1025B252581320270.07 5S1026B262681320280.085S1027B272781320290.090S1028B282881320300.095S1029B292981320310.100S1030B303081 320320.105S1031B3131101625330.110S1032B3232101625340.120S1033B3333101625350.130S1034B3434101625360.1 35S1035B3535101625370.140S1036B3636101625380.150S1037B3737101625390.155S1038B3838101625400.160S1039B 3939101625410.170S1040B4040101625420.180S1041B4141102030430.190S1042B4242102030440.200S1043B43431020 30450.210S1044B4444102030460.220S1045B4545102030470.230S1046B4646102030480.240S1047B4747102030490.250

Tabla de dimensiones del engranaje recto Mod 1.5

El engranaje tipo A con mod 1,5 tiene un ancho de 30 mm, y el ancho del engranaje tipo B con mod 1,5 es de 17 mm.

Gato. No. No. Dientes Diámetro de paso. dp Diámetro mínimo Máx. Diámetro Hub ⌀ C Diámetro exterior. D Peso kg S1512B1218.0891421.00.03S1513B1319.5891422.50.04S1514B1421.08121824.00.06S1515B1522.58121825.50.07S1516B1624.0813202 7.00.08S1517B1725.58132028.50.09S1518B1827.08132030.00.10S 1519B1928.58202531.50.11S1520B2030.08162533.00.13S1521B2131 .510162534.50.14S1522B2233.010162536.00.15S1523B2334.51016 2537.50.17S1524B2436.010162539.00.18S1525B2537.510162540.50 .19S1526B2639.012203042.00.20S1527B2740.512203043.50.21S15 28B2842.012203045.00.22S1529B2943.512203046.50.23S1530B3045 .012203048.00.25S1531B3146.512243549.50.27S1532B3248.01224 3551.00.28S1533B3349.512243552.50.30S1534B3451.012243554.00 .32S1535B3552.512243555.50.34S1536B3654.012243557.00.36S15 37B3755.512274058.50.38S1538B3857.012274060.00.40S1539B3958 .512274061.50.42S1540B4060.012274063.00.45S1541B4161.51434 5064.50.52S1542B4263.014345066.00.55S1543B4364.514345067.50 .57S1544B4466.014345069.00.60S1545B4567.514345070.50.62S15 46B4669.014345072.00.65S1547B4770.514345073.50.68S1548B4872 .014345075.00.70S1549B4973.514345076.50.72S1550B5075.01434 5078.00.75S1551B5176.515406079.50.86S1552B5278.015406081.00 .87S1553B5379.515406082.50.89S1554B5481.015406084.00.91S15 55B5582.515406085.50.93S1556B5684.015406087.00.95S1557B5785 .515406088.50.97S1558B5887.015406090.01.00S1559B5988.51540 6091.51.05S1560B6090.015406093.01.10S1561B6191.520467094.51 .20S1562B6293.020467096.01.23S1563B6394.520467097.51.25S15 64B6496.020467099.01.27S1565B6597.5204670100.51.30S1566B669 9.0204670102.01.35S1567B67100.5204670103.51.38S1568B68102. 0204670105.01.42S1569B69103.5204670106.51.45S1570B70105.020 4670108.01.48S1572A72108.02065–111.01.18S1575A75112.52068– 115.51.28S1576A76114.02068–117.01.32S1580A80120.02072–123.0 1.45S1585A85127.52080–130.51.60S1590A90135.02085–138.01.85 S1595A95142.52090–145.52.04S15100A100150.02095–153.02.30S15 110A110165.020105–168.02.81S15114A114171.020107–174.03.30S 15120A120180.020115–183.03.39S15127A127190.520120–193.53.78

Engranaje recto frente a engranaje helicoidal:¿cuáles son las diferencias?

Tanto los engranajes rectos como los helicoidales se encuentran comúnmente en aplicaciones industriales. ¿Cuáles son las diferencias reales entre ellos?

1. Diseño de dientes
   Los engranajes rectos tienen dientes rectos que son paralelos al eje de rotación, por lo que los dientes se engranarán todos a la vez a lo largo de una sola línea cuando dos engranajes engranen. Por el contrario, los engranajes helicoidales tienen dientes cortados en ángulo, formando una hélice alrededor del engranaje. Este diseño de dientes en ángulo permite que los dientes se enganchen gradualmente de un extremo al otro.
2. Patrón de contacto
   La forma en que los dientes hacen contacto difiere significativamente entre los dos tipos de engranajes. Los engranajes rectos tienen una línea de contacto donde un par de dientes engranan a la vez, lo que provoca fuerzas de impacto repentinas y una mayor tensión en los dientes. Sin embargo, los engranajes helicoidales mantienen varios dientes en contacto simultáneamente debido a sus dientes en ángulo.
3. Empuje axial
   Debido a que los dientes de los engranajes rectos son rectos y engranan a lo largo de un solo plano, no generan ningún empuje axial (fuerza a lo largo del eje del eje). Los engranajes helicoidales producen una fuerza axial cuando los dientes se deslizan entre sí durante la rotación. Este empuje axial requiere soporte adicional en el eje, como cojinetes de empuje, para evitar movimientos no deseados del eje y garantizar un funcionamiento suave.
4. Ruido y vibración
   Los engranajes rectos tienden a generar más ruido y vibración. Los engranajes helicoidales funcionan de forma mucho más silenciosa y suave. Esto hace que los engranajes helicoidales sean preferibles en aplicaciones donde la reducción de ruido es importante, como las transmisiones de automóviles.
5. Soporte de carga
   Los engranajes helicoidales generalmente tienen una mayor capacidad de carga que los engranajes rectos. Los dientes en ángulo de los engranajes helicoidales crean una mayor superficie de contacto entre los engranajes acoplados, lo que distribuye la carga entre múltiples dientes. Esto conduce a un menor desgaste y una mayor vida útil del engranaje. Los engranajes rectos soportan la carga sobre menos dientes, lo que puede provocar un mayor desgaste bajo cargas pesadas.
6. Rendimiento de velocidad
   Los engranajes helicoidales pueden manejar un par más alto y mantener un funcionamiento más silencioso a velocidades de rotación más rápidas. Los engranajes rectos, aunque son capaces de ofrecer una alta eficiencia a velocidades moderadas, experimentan un mayor ruido, vibración y desgaste cuando se operan a altas velocidades.
7. Complejidad y costo de fabricación
   Los engranajes rectos tienen un diseño más simple y son más fáciles de fabricar. Esto significa menores costos de producción y un mantenimiento más sencillo. Los engranajes helicoidales requieren procesos de fabricación más complejos que implican cortes en ángulo precisos y movimientos tridimensionales, lo que aumenta su coste.
8. Aplicaciones y orientación del eje
   Los engranajes rectos se utilizan principalmente para transmitir movimiento entre ejes paralelos en aplicaciones más simples y de menor velocidad, como relojes, lavadoras y transportadores. Los engranajes helicoidales también se pueden utilizar para ejes paralelos, pero también permiten la transmisión entre ejes cruzados o no paralelos. Esta versatilidad hace que los engranajes helicoidales sean adecuados para transmisiones automotrices, aeroespaciales, plantas de energía y sistemas de propulsión marina.
9. Relación de contacto
   La relación de contacto es una medida de cuántos dientes están en contacto durante el engrane de los engranajes. Los engranajes rectos suelen tener una relación de contacto entre 1,2 y 1,6, lo que significa que normalmente sólo un diente está completamente acoplado a la vez. Los engranajes helicoidales tienen una relación de contacto más alta, que a menudo supera 2. Esta relación de contacto más alta contribuye a una transmisión de potencia más suave y menos vibración.
10. Eficiencia
    Los engranajes rectos proporcionan una eficiencia muy alta, especialmente en aplicaciones más simples de velocidad media donde minimizar la fricción y las fuerzas axiales es clave, y a menudo alcanzan eficiencias del 98-99 %. Los engranajes helicoidales son ligeramente menos eficientes debido al deslizamiento y al empuje axial, que normalmente oscilan entre el 95% y el 98%, pero tienen otras ventajas que pueden justificar su pequeña penalización en la eficiencia.