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    Cómo funcionan los engranajes


    Foto cortesía
    Emerson Power Transmission Corp.
    Los engranajes se encuentran en todo, desde automóviles hasta relojes.

    Los engranajes se utilizan en toneladas de dispositivos mecánicos. Hacen varios trabajos importantes, pero lo mas importante, proporcionan una reducción de engranajes 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 torque. Por ejemplo, un destornillador eléctrico tiene una reducción de engranajes muy grande porque necesita mucho torque para girar los tornillos, pero el motor solo 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.

    Hasta la próxima

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    Otra cosa que hacen los engranajes es ajustar la dirección de rotación. Por ejemplo, en el diferencial entre las ruedas traseras de su coche, el poder es transmitido por un eje que corre por el centro del carro, y el diferencial tiene que girar esa potencia 90 grados para aplicarla a las ruedas.

    Hay muchas complejidades en los diferentes tipos de engranajes. En este articulo, 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.

    Contenido
    1. Lo esencial
    2. Ruedas dentadas
    3. Engranajes helicoidales
    4. Engranajes cónicos
    5. Engranajes helicoidales
    6. Engranajes de cremallera y piñón
    7. Engranajes planetarios y relaciones de engranajes
    8. Detalles sobre los perfiles de engranajes intrincados

    Lo esencial

    En cualquier equipo, la relación está determinada por las distancias desde el centro del engranaje hasta el punto de contacto. Por ejemplo, en un dispositivo con dos engranajes, si un engranaje tiene el doble de diámetro que el otro, la proporción sería 2:1.

    Uno de los tipos de engranajes más primitivos que podríamos ver 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 la marcha, lo que significa que la velocidad de salida también cambia. Si usó un equipo como este en su automóvil, sería imposible mantener una velocidad constante, estaría acelerando y desacelerando constantemente.

    Muchos engranajes modernos utilizan un perfil de diente especial llamado evolvente . Este perfil tiene la propiedad muy importante de mantener una relación de velocidad constante entre las dos marchas. Como la rueda de clavija de arriba el punto de contacto se mueve; pero la forma del diente de engranaje evolvente compensa este movimiento. Consulte esta sección para obtener más detalles.

    Ahora echemos un vistazo a algunos de los diferentes tipos de engranajes.

    Ruedas dentadas


    Foto cortesía de Emerson Power Transmission Corp.
    Figura 2. Engranajes rectos

    Ruedas dentadas son el tipo más común de engranajes. Tienen dientes rectos y están montados en ejes paralelos. Algunas 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, monstruo bailando, aspersor oscilante, despertador de cuerda, Lavadora y secadora de ropa. Pero no encontrarás muchos en tu coche.

    Esto se debe a que el engranaje recto puede ser muy ruidoso. Cada vez que un diente de un engranaje encaja con un diente del otro engranaje, los dientes chocan, y este impacto hace ruido. También aumenta la tensión en los dientes del engranaje.

    Para reducir el ruido y la tensión en los engranajes, la mayoría de los engranajes de su automóvil son helicoidal .

    Engranajes helicoidales


    Foto cortesía de Emerson Power Transmission Corp.
    Figura 3. Engranajes helicoidales

    Los dientes en engranajes helicoidales se cortan en ángulo con la cara del engranaje. Cuando se acoplan dos dientes de un sistema de engranajes helicoidales, el contacto comienza en un extremo del diente y se extiende gradualmente a medida que giran los engranajes, hasta que los dos dientes encajen por completo.

    Este acoplamiento gradual hace que los engranajes helicoidales funcionen de manera mucho más suave y silenciosa que los engranajes rectos. Por esta razón, Los engranajes helicoidales se utilizan en casi todas las transmisiones de automóviles.

    Debido al ángulo de los dientes en 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.

    Una cosa interesante sobre los engranajes helicoidales es que si los ángulos de los dientes del engranaje son correctos, se pueden montar en ejes perpendiculares, ajustando el ángulo de rotación en 90 grados.


    Foto cortesía de Emerson Power Transmission Corp.
    Figura 4. Engranajes helicoidales cruzados

    Engranajes cónicos

    Engranajes cónicos son útiles cuando es necesario cambiar la dirección de rotación de un eje. Por lo general, se montan en ejes que están separados por 90 grados, pero también puede diseñarse para trabajar en otros ángulos.

    Los dientes de los engranajes cónicos pueden derecho , espiral o hipoide . Los dientes rectos del engranaje cónico en realidad tienen el mismo problema que los dientes rectos del engranaje recto, ya que cada diente encaja, impacta el diente correspondiente de una vez.


    Foto cortesía de Emerson Power Transmission Corp.
    Figura 5. Engranajes cónicos

    Al igual que con los engranajes rectos, la solución a este problema es curvar los dientes del engranaje. Estos dientes espirales encajan como dientes helicoidales:el contacto comienza en un extremo del engranaje y se extiende progresivamente por todo el diente.


    Foto cortesía de Emerson Power Transmission Corp.
    Figura 6. Engranajes cónicos en espiral

    En engranajes cónicos rectos y en espiral, los ejes deben ser perpendiculares entre sí, pero también deben estar en el mismo plano. Si tuviera que extender los dos ejes más allá de los engranajes, se cruzarían. los engranaje hipoide , por otra parte, Puede acoplarse con los ejes en diferentes planos.


    Figura 7. Engranajes cónicos hipoides en el diferencial de un automóvil

    Esta característica se utiliza en muchos diferenciales de automóviles. La corona del diferencial y el piñón de entrada son ambos hipoides. Esto permite que el piñón de entrada se monte más bajo que el eje de la corona. Figura 7 muestra el piñón de entrada acoplando 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 se entromete tanto en el compartimiento de pasajeros del automóvil, haciendo más espacio para personas y carga.

    Engranajes helicoidales


    Foto cortesía de Emerson Power Transmission Corp.
    Figura 8. Engranaje helicoidal

    Engranajes helicoidales se utilizan cuando se necesitan grandes reducciones de engranajes. 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 hacer girar al gusano. Esto se debe a que el ángulo del gusano es tan poco profundo que cuando el engranaje intenta girarlo, la fricción entre el engranaje y el gusano mantiene al gusano en su lugar.

    Esta característica es útil para máquinas como sistemas de transporte, en el que la función de bloqueo puede actuar como freno para el transportador cuando el motor no está girando. Otro uso muy interesante de los engranajes helicoidales está en el diferencial de Torsen, que se utiliza en algunos coches y camiones de alto rendimiento.

    Engranajes de cremallera y piñón


    Figura 9. Engranajes de piñón y cremallera de una báscula doméstica

    Engranajes de piñón y cremallera se utilizan 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 se acopla a la cremallera. Mientras el engranaje gira, desliza la rejilla hacia la derecha o hacia la izquierda, dependiendo de la forma en que gire el volante.

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

    Engranajes planetarios y relaciones de engranajes

    Cualquier conjunto de engranajes planetarios tiene tres componentes principales:

    • los equipo de sol
    • los engranajes planetarios y el planeta se engrana ' transportador
    • los engranaje de anillo

    Cada uno de estos tres componentes puede ser la entrada, la salida o se puede mantener estacionaria. Elegir qué pieza juega qué papel determina la relación de transmisión del juego de engranajes. Echemos un vistazo a un solo conjunto de engranajes planetarios.

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


    Aporte
    Producción
    Estacionario
    Cálculo
    Relación de transmisión
    A
    Sol ( S )
    Portador de planetas ( C )
    Anillo ( R )
    1 + R / S
    3,4:1
    B
    Portador de planetas ( C )
    Anillo ( R )
    Sol ( S )
    1 / (1 + S / R)
    0,71:1
    C
    Sol ( S )
    Anillo ( R )
    Portador de planetas ( C )
    -R / S
    -2,4:1


    También, Al bloquear dos de los tres componentes juntos, se bloqueará todo el dispositivo con una reducción de engranaje de 1:1. Observe que la primera relación de engranajes enumerada anteriormente es una reducción - la velocidad de salida es más lenta que la velocidad de entrada. El segundo es un sobremarcha - la velocidad de salida es más rápida que la velocidad de entrada. El último es una reducción de nuevo, pero la dirección de salida se invierte. Hay varias otras relaciones que se pueden obtener de este conjunto de engranajes planetarios, pero estos son los que son relevantes para nuestra transmisión automática. Puede probarlos en la siguiente animación:

    Por lo tanto, este conjunto de engranajes puede producir todas estas relaciones de engranajes diferentes sin tener que activar o desactivar ningún otro engranaje. Con dos de estos gearsets seguidos, podemos conseguir las cuatro marchas adelante y una marcha atrás que necesita nuestra transmisión. Juntaremos los dos conjuntos de engranajes en la siguiente sección.

    Detalles sobre los perfiles de engranajes intrincados

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

    los diámetro de paso es el diámetro de contacto efectivo. Dado que el diámetro de contacto no es constante, el diámetro de paso es realmente la distancia de contacto promedio. Cuando los dientes comienzan a encajar, el diente del engranaje superior hace contacto con el diente del engranaje inferior dentro del diámetro de paso. Pero observe que la parte del diente del engranaje superior que hace contacto con el diente del engranaje inferior es muy delgada en este punto. Mientras los engranajes giran el punto de contacto se desliza hacia la parte más gruesa del diente del engranaje superior. Esto empuja el engranaje superior hacia adelante, por lo que compensa el diámetro de contacto ligeramente más pequeño. A medida que los dientes continúan girando, el punto de contacto se aleja aún más, saliendo del diámetro de paso, pero el perfil del diente inferior compensa este movimiento. El punto de contacto comienza a deslizarse sobre la parte delgada 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. Por tanto, un diente de engranaje de perfil evolvente produce un relación constante de velocidad de rotación .

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