Engranajes cónicos tipos
Los engranajes cónicos transmiten potencia entre ejes que se intersectan, típicamente a 90 grados, modificando la dirección del movimiento rotatorio. La forma de sus dientes, tallados sobre una superficie cónica, determina la suavidad de operación, la capacidad de carga y el nivel de ruido. Los tipos fundamentales son el engranaje cónico de dientes rectos y el engranaje cónico espiral, cada uno con características de rendimiento y aplicaciones distintas.
El principio de funcionamiento se basa en la rodadura de dos conos de paso que giran sincronizadamente sin deslizamiento en la línea de contacto. La fuerza de esfuerzo se aplica al piñón conductor, y la carga se transfiere al engranaje seguidor. La relación de transmisión o movimiento, que vincula las velocidades de rotación con el número de dientes, se expresa como i_M = t_F / t_D, donde t_F son los dientes del seguidor y t_D los del conductor. Un engranaje cónico espiral utiliza dientes helicoidales curvos, lo que produce un contacto gradual y solapado entre los flancos, reduciendo la vibración y el ruido en comparación con el perfil recto. La variante hipoide, un tipo de engranaje cónico espiral donde los ejes no se intersectan, introduce una acción de deslizamiento adicional que exige lubricantes de extrema presión.
Tipos y clasificación
Sección titulada «Tipos y clasificación»La clasificación principal de los engranajes cónicos se define por la geometría de su dentado y la posición relativa de sus ejes.
| Tipo de engranaje cónico | Descripción de la geometría del diente | Intersección de ejes | Relación de transmisión típica |
|---|---|---|---|
| Cónico de dientes rectos | Dientes radiales rectos sobre el cono de paso | Sí | 1:1 a 8:1 |
| Cónico espiral | Dientes curvos y helicoidales con contacto gradual | Sí | 1:1 a 8:1 |
| Cónico Zerol | Dientes curvos con ángulo espiral nulo en el punto medio | Sí | Similar al espiral |
| Hipoide | Dientes espirales sobre un hiperboloide de revolución; piñón descentrado | No (ejes se cruzan sin tocarse) | 3:1 a 12:1 |
| Cónico de dientes rectos (interno) | Dientes rectos en el interior de un anillo cónico | Sí (caso especial) | 1,5:1 a 7:1 |
La designación de mano derecha o izquierda en un engranaje cónico espiral se observa desde la cara del engranaje: la mano derecha inclina la mitad externa del diente en sentido horario respecto al plano axial, mientras que la mano izquierda lo hace en sentido antihorario. Un piñón y su engranaje acoplado son siempre de mano opuesta. En los engranajes hipoides, la mano del piñón y la corona también son opuestas, y el ángulo espiral del piñón suele ser mayor para aumentar su diámetro y área de contacto.
Dimensiones normalizadas
Sección titulada «Dimensiones normalizadas»Las dimensiones principales se normalizan mediante el paso diametral en unidades imperiales o el módulo métrico. Las especificaciones incluyen el diámetro de paso, el ángulo de paso, el ancho de cara y el diámetro del agujero del cubo. La siguiente tabla resume los parámetros geométricos de referencia para un par cónico espiral de catálogo estándar con relación 2:1.
| Parámetro geométrico | Piñón (dientes rectos) | Engranaje (dientes rectos) | Piñón (espiral) | Engranaje (espiral) |
|---|---|---|---|---|
| Número de dientes | 20 | 40 | 20 | 40 |
| Paso diametral (DP) / Módulo (m) | 16 DP / 1,588 mm | 16 DP / 1,588 mm | 16 DP / 1,588 mm | 16 DP / 1,588 mm |
| Diámetro de paso | 31,75 mm / 1,25 in | 63,5 mm / 2,50 in | 31,75 mm / 1,25 in | 63,5 mm / 2,50 in |
| Ángulo de paso | 26,57° | 63,43° | 26,57° | 63,43° |
| Ancho de cara | 9,53 mm / 0,375 in | 9,53 mm / 0,375 in | 12,7 mm / 0,50 in | 12,7 mm / 0,50 in |
| Diámetro del agujero | 12,7 mm / 0,50 in | 25,4 mm / 1,00 in | 12,7 mm / 0,50 in | 25,4 mm / 1,00 in |
| Ángulo espiral medio | N/A | N/A | 35° | 35° |
| Material común | Acero aleado cementado | Acero aleado cementado | Acero aleado cementado | Acero aleado cementado |
La designación de mano se especifica siempre en el pedido: un juego cónico espiral 2:1 con piñón de mano izquierda y engranaje de mano derecha es la configuración estándar para un accionamiento con giro a 90°.
Capacidades de carga
Sección titulada «Capacidades de carga»La capacidad de carga en engranajes cónicos está limitada por la resistencia a la flexión en la raíz del diente y la resistencia a la fatiga superficial por contacto. Un engranaje cónico de dientes rectos transmite carga a través de un solo diente en cada instante, mientras que un espiral distribuye la carga entre dos o más dientes simultáneamente, incrementando su capacidad. Los engranajes hipoides ofrecen un incremento adicional de capacidad de carga porque el piñón, al ser más grande en diámetro que un piñón cónico espiral equivalente, permite un mayor número de dientes en contacto. Sin embargo, esta ganancia conlleva una reducción de la eficiencia mecánica debido al deslizamiento entre los flancos. La eficiencia de un par cónico espiral lubricado correctamente ronda el 98–99 %, mientras que en un par hipoide puede descender al 92–96 %, dependiendo del descentramiento.
Criterios de selección
Sección titulada «Criterios de selección»Para seleccionar el tipo de engranaje cónico adecuado se evalúan cuatro criterios principales: la velocidad de operación, la carga torsional, el nivel de ruido admisible y la posición relativa de los ejes.
- Velocidad baja a media con carga uniforme: el engranaje cónico de dientes rectos es económico y eficaz, con una velocidad lineal de paso típica hasta 5 m/s / 1000 ft/min.
- Velocidad media a alta o cargas fluctuantes: el engranaje cónico espiral proporciona un funcionamiento más silencioso y suave, siendo apto para velocidades de paso superiores a 5 m/s / 1000 ft/min y hasta 25 m/s / 5000 ft/min en aplicaciones de precisión.
- Requisito de ejes no intersectados o par elevado en espacio reducido: el engranaje hipoide permite desplazar el piñón hacia abajo, reduciendo la altura del túnel de transmisión en vehículos y aumentando la capacidad de par.
- Aplicaciones con inversión de giro frecuente: el engranaje cónico espiral o Zerol se prefiere porque el contacto solapado reduce el golpeteo en la inversión.
El par máximo admisible se calcula mediante la ecuación de Lewis modificada para flexión y la fórmula de Hertz para contacto, y siempre debe verificarse con los valores nominales proporcionados por el fabricante.
Consideraciones de montaje
Sección titulada «Consideraciones de montaje»El montaje de un par de engranajes cónicos exige un control riguroso de la posición relativa de ambos elementos. Las dimensiones de montaje críticas son la distancia de localización del piñón (desde la cara de referencia hasta el ápice del cono de paso) y el desplazamiento axial del engranaje. La holgura entre dientes debe ajustarse entre 0,08 mm / 0.003 in y 0,25 mm / 0.010 in para pares de precisión de módulo 1,5 mm a 3 mm / DP 16 a DP 8. Un patrón de contacto correcto, verificado con azul de Prusia, debe ocupar el centro de la cara del diente y cubrir al menos el 60 % de su longitud. Los engranajes cónicos espirales e hipoides se fabrican y lapean en pares; por tanto, cuando se reemplazan, debe sustituirse el conjunto completo (piñón y corona) para mantener la geometría de contacto y evitar fallos prematuros. El lubricante para aplicaciones hipoides debe contener aditivos de extrema presión formulados para soportar la combinación de deslizamiento y alta presión de contacto.
Tablas de selección por aplicación
Sección titulada «Tablas de selección por aplicación»La elección del tipo de engranaje cónico se puede orientar en función de la aplicación objetivo y sus condiciones de servicio predominantes.
| Aplicación típica | Tipo de engranaje cónico recomendado | Relación de par típica entre hipoide y espiral recto | Velocidad máxima de referencia |
|---|---|---|---|
| Herramienta manual eléctrica | Dientes rectos | – | 3,5 m/s / 700 ft/min |
| Maquinaria de impresión | Espiral | – | 6 m/s / 1200 ft/min |
| Diferencial de vehículo de pasajeros | Hipoide | 2,5:1 a 3,5:1 | 25 m/s / 5000 ft/min |
| Transmisión de tranvía o autobús | Hipoide | 3:1 a 5:1 | 20 m/s / 4000 ft/min |
| Sistema de dirección de aeronave | Espiral (alta precisión) | – | 30 m/s / 6000 ft/min |
| Elevador de tornillo sinfín | Cónico recto o espiral | – | 2 m/s / 400 ft/min |
| Accionamiento de transportador minero | Espiral (temple superficial) | – | 4 m/s / 800 ft/min |
La tabla relaciona la aplicación con el tipo de engranaje y la velocidad máxima de operación. En el caso de los hipoides, se incluye la relación de par frente a un engranaje cónico espiral recto equivalente, reflejando la ganancia en capacidad torsional debido al mayor diámetro del piñón hipoide.
Preguntas frecuentes (FAQ)
Sección titulada «Preguntas frecuentes (FAQ)»¿Cuál es la relación de transmisión máxima en un engranaje cónico recto?
Sección titulada «¿Cuál es la relación de transmisión máxima en un engranaje cónico recto?»La relación de transmisión máxima práctica es 8:1, lo que significa que por cada 8 revoluciones del piñón conductor de 15 dientes, el engranaje seguidor de 120 dientes completa 1 revolución. Relaciones mayores suelen requerir engranajes hipoides o epicíclicos.
¿Por qué los engranajes cónicos espirales deben reemplazarse siempre en pares?
Sección titulada «¿Por qué los engranajes cónicos espirales deben reemplazarse siempre en pares?»Los pares espirales se lapean juntos durante la fabricación para obtener un patrón de contacto óptimo. La sustitución individual altera la huella de contacto, concentrando la carga en menos del 30 % de la superficie del diente y acelerando el fallo por fatiga superficial o picadura.
¿Cuál es el rango de holgura entre dientes recomendado para un par cónico espiral de módulo 2 mm?
Sección titulada «¿Cuál es el rango de holgura entre dientes recomendado para un par cónico espiral de módulo 2 mm?»La holgura circunferencial debe ajustarse entre 0,08 mm / 0.003 in y 0,18 mm / 0.007 in para un par de módulo 2 mm / DP 12,7. Una holgura insuficiente provoca calentamiento y gripado; una holgura excesiva genera ruido y sobrecarga dinámica en las inversiones de giro.
¿Qué ángulo espiral medio es típico en los engranajes cónicos espirales?
Sección titulada «¿Qué ángulo espiral medio es típico en los engranajes cónicos espirales?»El ángulo espiral medio estándar es 35°, medido en el radio medio del diente. Ángulos menores, como 25°, reducen el empuje axial pero también la tasa de solapamiento, mientras que ángulos de hasta 45° se utilizan en aplicaciones con requerimientos extremos de suavidad.
¿Qué velocidad lineal de paso diferencia un engranaje cónico recto de uno espiral?
Sección titulada «¿Qué velocidad lineal de paso diferencia un engranaje cónico recto de uno espiral?»La velocidad de paso de 5 m/s / 1000 ft/min marca la transición práctica. Por debajo de este valor, un dentado recto opera con niveles de ruido aceptables; por encima, la vibración del diente recto crece rápidamente y se prefiere el dentado espiral por su contacto gradual y menor emisión sonora.
¿Cuánto mayor es el diámetro de un piñón hipoide respecto a un piñón cónico espiral equivalente?
Sección titulada «¿Cuánto mayor es el diámetro de un piñón hipoide respecto a un piñón cónico espiral equivalente?»Un piñón hipoide con descentramiento moderado puede tener un diámetro entre un 25 % y un 40 % mayor que el de un piñón cónico espiral con el mismo número de dientes y paso diametral. Este incremento permite alojar más dientes en contacto simultáneo y transmitir pares más elevados.
Fuentes consultadas
Sección titulada «Fuentes consultadas»- engineeringtoolbox.com: https://www.engineeringtoolbox.com/Gear-Trains-d_1374.html
- mcmaster.com: https://www.mcmaster.com/products/spiral-bevel-gears