Engranajes cónicos

Los engranajes cónicos , también los engranajes en ángulo recto , son un diseño de engranaje . Se utilizan para transferir movimientos giratorios y momentos de torsión . Un rasgo característico son los ejes de entrada y salida en ángulo, cuyos ejes tienen un punto común de intersección . La potencia se transmite a través de engranajes cónicos . En el caso de un desplazamiento (si los ejes del cardán y los ejes de transmisión no se cruzan) también se habla de transmisiones por tornillo cónico (corresponde a transmisiones hipoidales ).

En los reductores de engranajes cónicos, el componente de deslizamiento durante el movimiento giratorio es mayor que en los reductores de engranajes cónicos. Es decir, los dientes ruedan y se deslizan. El deslizamiento se produce mediante movimientos relativos de las superficies de contacto del engranaje cónico y el piñón cónico. Este movimiento de rodadura o deslizamiento en los engranajes cónicos hipoidales favorece relaciones de transmisión más altas y, en consecuencia, mejores eficiencias al arrancar en comparación con los engranajes helicoidales .

Estructura y aplicación

Un engranaje cónico consta de un engranaje cónico (a menudo corona) y un piñón cónico. Los ejes suelen estar desplazados 90 °, son posibles otros ángulos. Las áreas de aplicación de estos engranajes angulares son donde se requieren elevadas reducciones de engranajes, pares y movimientos. En su mayoría, el accionamiento se realiza a través del piñón cónico, siendo posibles las direcciones de rotación izquierda y derecha.

La relación de transmisión es el cociente del número de dientes z2 del engranaje cónico por el número de dientes z1 del piñón cónico. No hay autobloqueo como con los engranajes helicoidales . Los engranajes cónicos se utilizan como engranajes de potencia en prensas, laminadores, construcción y automatización de máquinas herramienta, dondequiera que los movimientos y las fuerzas se transmitan en ángulo.

Tipos de engranajes cónicos

El perfil de altura de diente de todos los conjuntos de engranajes cónicos se basa en un octoide de primer o segundo orden o una involuta esférica, mientras que el perfil de altura de diente de los engranajes rectos se basa en una involuta.

Las formas básicas de juegos de engranajes cónicos con la característica distintiva de la guía de flanco son:

• Engranajes rectos: las líneas de flanco del engranaje planetario son líneas rectas que pasan por el centro del engranaje planetario.
• Engranajes helicoidales : las líneas de flanco son líneas rectas. Forman un círculo alrededor del centro del engranaje del plan.
• Engranajes curvos: las líneas de flanco forman curvas. Las líneas de flanco pueden ser, por ejemplo, arcos de círculo , involutas o cicloides . Arco circular = Gleason y Kurvex, epicicloide = ciclopaloide de Klingelnberg (R), involuta = palloide de Klingelnberg (R)

Engranajes cónicos rectos

El engranaje cónico recto como elemento de la máquina se menciona ya en 1780, las primeras patentes fueron otorgadas a William Gleason alrededor de 1876. Los engranajes cónicos rectos todavía tienen un amplio campo de aplicación a pesar del estrechamiento de su área de aplicación. Los límites de su uso son la velocidad periférica, el ruido y la potencia transferible. El límite de la velocidad periférica se da generalmente como 8 m / s. El ruido y la potencia de transmisión están estrechamente relacionados con el grado de cobertura. A diferencia de los engranajes cónicos en espiral e hipoide, el grado de superposición en los engranajes cónicos rectos se debe únicamente al grado puro de superposición del perfil. Este se mueve, dependiendo de la relación de transmisión, entre 1 y 1,7 con una gran cantidad de dientes. En el engranaje cónico recto original, la dirección longitudinal del diente era recta. Esta trayectoria dentaria tuvo como consecuencia que con el menor desplazamiento de los ejes, el desgaste dentario se concentraba inmediatamente en el interior, exterior, en la punta o raíz del diente. Esto aumenta significativamente el ruido y reduce al mínimo la capacidad de carga de los dientes.

El diente coronado longitudinalmente se crea mediante la disposición geométrica de las herramientas. El orden de magnitud de la corona longitudinal se puede variar utilizando herramientas con diferentes ángulos de presión. Al diseñar un juego de engranajes cónicos rectos, dado que es un sistema de dientes engranados, se debe tener en cuenta la relación de transmisión, el número mínimo de dientes y el ángulo de presión. El número mínimo de dientes y el ángulo de presión son los responsables del posible socavado.

Además de las involutas producidas con máquinas herramienta como Gleason como octoides del 1 ° y 2 ° tipo, también existe la posibilidad de la involuta esférica. Esto solo se puede producir con procesos de forja, máquinas de 5 ejes o nuevo con impresoras 3D. La ventaja de la evolvente esférica, con una producción ideal, es que ruede sin deslizamiento y, por lo tanto, un desgaste significativamente menor en las superficies de contacto de los dientes. En el proceso de forjado, parámetros como el ángulo de presión se pueden ajustar de forma óptima a la aplicación. El diente no debe tener una muesca en la dirección de forjado y, por lo tanto, debe ser fácilmente desmoldeable para reducir el desgaste de la herramienta. Una gran parte de las ruedas dentadas rectas y los piñones de los engranajes diferenciales para camiones y automóviles se forjan en Alemania con bolas involutas. Dado que con el forjado con forjado en caliente o forjado en caliente la estructura de acero de la pieza en bruto solo se forma pero no se destruye con una herramienta de corte, estos juegos de ruedas pueden soportar cargas mucho más altas.

Engranajes cónicos helicoidales

El engranaje cónico helicoidal está diseñado y fabricado como el engranaje cónico recto, con la diferencia de que las líneas de flanco son tangentes a un círculo alrededor del centro del engranaje planetario. De lo contrario, la declaración anterior para el engranaje cónico recto también se aplica aquí.

En los engranajes rectos de dientes rectos, un componente se produce como resultado de la fuerza circunferencial como una carga radial, cuya posición resultante solo está determinada por el ángulo de presión. Además de esta fuerza radial, que actúa así perpendicular al eje, no existe ninguna fuerza que se dirija paralelamente al eje, es decir, en la dirección axial. Si a este engranaje recto de dientes rectos se le da un ángulo de hélice adicional y se habla de un engranaje helicoidal o de un engranaje recto de dientes helicoidales, este ángulo de hélice de dientes provoca una componente en la dirección axial además de la fuerza radial. Si estas relaciones se transmiten a un engranaje cónico, el par a transmitir da como resultado un componente en la dirección radial, es decir, perpendicular al eje, y un componente en la dirección axial. El cálculo para determinar la fuerza radial y axial incluye el ángulo de presión del dentado, la función angular del ángulo del cono y, por tanto, la relación de transmisión. Dado que los dos valores básicos o de salida para este cálculo son los mismos para ambas direcciones de rotación, la magnitud y la dirección de estas fuerzas también permanecen constantes.

Los engranajes cónicos de dientes helicoidales y espirales también pueden beneficiarse de la evolvente de bola antideslizante en la caja recta. El deslizamiento por la pendiente o la curva no se puede evitar y está más que compensado por la mayor capacidad de carga de los dientes. En la construcción naval, estas ruedas se utilizan para la propulsión a chorro para soportar cargas más altas y lograr tiempos de funcionamiento más prolongados. Entonces, estas ruedas solo se pueden producir con máquinas herramienta de 5 ejes.

Engranajes cónicos curvos (engranajes cónicos en espiral e hipoide)

El engranaje cónico en espiral

En el caso de engranajes cónicos rectos, se mencionó que el grado de superposición general del dentado en la sección frontal solo consiste en el grado de superposición del perfil. Para el engranaje cónico recto, el corte frontal es el mismo que el corte normal. En este punto, debe recordarse que el comportamiento del ruido de un engranaje cónico puede estar relacionado con el tamaño del grado de superposición. En el caso de engranajes cónicos en espiral, el grado total de superposición se compone del grado de superposición del perfil y la superposición escalonada. Dado que la superposición de salto aumenta con el aumento del ángulo medio de la hélice, la relación de superposición total se puede cambiar significativamente cambiando el ángulo de la hélice y el ángulo de presión sigue siendo el mismo.

Los engranajes cónicos espirales se utilizan cuando los engranajes cónicos de dientes rectos o los engranajes cónicos helicoidales ya no pueden cumplir con los requisitos. En el caso de los engranajes cónicos rectos, se han mencionado tres factores que limitan el uso de este tipo de engranajes. Fue la velocidad periférica, el ruido y la potencia transferible.

Al considerar el comportamiento del ruido, uno permanece con el ángulo de la espiral, que, como ya se mencionó, tiene una influencia decisiva en el tamaño del grado general de superposición. Los estudios de ruido en engranajes rectos han demostrado que con un aumento en el grado general de superposición de 1 a alrededor de 2,5, se registró una disminución constante en el nivel de ruido. Es interesante notar que un aumento adicional en el grado de cobertura más allá de 2.5 a alrededor de 3 o 4 no resultó en una mayor reducción de ruido. Las relaciones de superposición se pueden transferir a engranajes cónicos con ciertas restricciones.

La potencia transferible también se puede influir cambiando el grado general de cobertura. Al calcular la resistencia de los dientes del engranaje cónico, el tamaño del grado de superposición se incluye en el cálculo. De ello se deduce que con las mismas dimensiones de rueda y el mismo par a transmitir, la carga específica en relación con la tensión de flexión de la raíz del diente se puede reducir cambiando el ángulo de la hélice. En resumen, se puede afirmar que la ventaja de los engranajes cónicos en espiral en comparación con los engranajes cónicos de dientes rectos y helicoidales se caracteriza por una mayor velocidad periférica alcanzable, un mejor comportamiento del ruido y una mayor potencia a transmitir.

Debido a las ventajas del juego de engranajes cónicos en espiral que se enumeran aquí, el rango de aplicación de dichos engranajes cónicos es naturalmente muy grande. A las velocidades actuales, los ejes motrices de los automóviles y otros vehículos ya no serían concebibles sin estos engranajes cónicos en espiral. El fabricante de máquinas herramienta utiliza principalmente este elemento de máquina, ya que las velocidades de corte en la producción mecánica y, por tanto, las velocidades del husillo se han incrementado significativamente en los últimos años. En el sector de los engranajes estacionarios, que se añaden a la ingeniería mecánica general, se utiliza predominantemente el juego de engranajes cónicos en espiral.

El engranaje cónico hipoide

Los engranajes cónicos hipoides son una forma de engranajes cónicos en espiral. La diferencia fundamental es que los ejes del piñón y la corona no convergen en un punto, es decir, la altura del eje del piñón está desplazada del eje de la rueda. Este desplazamiento se denomina desplazamiento. El desplazamiento del eje no debe exceder el 40% de la distancia del cono exterior para los ejes de transmisión de automóviles de pasajeros y camiones ligeros y un valor límite del 20% para camiones, tractores, autobuses y vehículos ferroviarios.

Las ventajas del conjunto de engranajes cónicos hipoides se pueden resumir de la siguiente manera:

• Debido al desplazamiento, el piñón tiene un ángulo de espiral mayor que la corona. El módulo de cara más grande resultante del ángulo de hélice más grande da como resultado un aumento en el diámetro del círculo primitivo del piñón hipoide. Esto da como resultado una mayor capacidad de carga de un engranaje hipoide en comparación con un conjunto de engranajes cónicos en espiral. Esto reduce las presiones superficiales sobre los dientes.

• El grado de solapamiento del dentado aumenta por el aumento del ángulo de espiral del piñón mencionado en el primer punto. Esto significa que se pueden lograr relaciones de transmisión más altas con las mismas dimensiones que con los engranajes en espiral.

• Debido a la desviación del eje, en la mayoría de los casos se puede / debe proporcionar un cojinete adicional para el piñón. Esto mejora significativamente los valores de desplazamiento como el movimiento relativo de los ejes del piñón y la corona entre sí.

Además de la ingeniería mecánica general, los engranajes cónicos hipoidales se utilizan principalmente en la industria automotriz. El desplazamiento hace que el dentado se deslice en la dirección longitudinal del diente. Este deslizamiento longitudinal adicional no es una desventaja, pero se debe utilizar aceite a alta presión para la lubricación.

Fabricación de engranajes cónicos

Métodos de fabricación tradicionales

• Cepilladoras de engranajes cónicos para juegos de engranajes cónicos rectos y helicoidales (acabado después del endurecimiento mediante lapeado)
• Fresadoras de engranajes cónicos con cabezales de mecanizado blandos y duros para engranajes cónicos espirales ciclopaloides de Klingelnberg
• Fresadoras de engranajes cónicos con fresas palloidales del llamado "árbol de Navidad" para engranajes cónicos espirales palloidales de Klingelnberg (acabado después del endurecimiento mediante lapeado)
• Fresadoras de engranajes cónicos y rectificadoras de engranajes cónicos para engranajes cónicos espirales de arco circular Gleason.
• Forjado de precisión con forjado en caliente o en caliente y calibración o forjado oscilante para juegos de engranajes cónicos rectos con grandes cantidades.

Las fresadoras de engranajes cónicos todavía se utilizan con éxito en la producción en serie. El fresado de 5 ejes no es económico para la serie, en la que se suelen engranar pequeños módulos y diámetros, debido al largo tiempo de producción con pequeños espacios entre dientes.

Nuevos métodos de fabricación

Para engranajes cónicos grandes y pequeñas cantidades, cada vez se elige más el fresado de 5 ejes en centros de mecanizado simultáneo de 5 ejes con herramientas estándar no perfiladas en mecanizado blando y duro.

Con el método de fabricación de “fresado de 5 ejes”, no se requieren los bucles de corrección que generalmente se requieren durante el acabado para lograr un patrón de contacto adecuado. Con un análisis de contacto de dientes TCA profesional, el patrón de contacto teóricamente se "quita" / se comprueba y se evalúa durante el diseño del conjunto de engranajes cónicos mediante una simulación de prueba de funcionamiento basada en los modelos 3D. Si el patrón de contacto no coincide con las especificaciones técnicas, el patrón de contacto se adapta cambiando los datos en el diseño antes del inicio de la producción . El patrón de contacto en el juego de engranajes cónicos fabricado corresponde directamente al patrón de contacto simulado basado en los modelos de volumen de la rueda y el piñón. Por lo general, no es necesario realizar ajustes posteriores.

Selección de material

Los diversos materiales utilizados para fabricar engranajes cónicos incluyen una variedad de hierro fundido , materiales no ferrosos y no metálicos.

La elección del material depende de varios factores y condiciones de funcionamiento:

• Tipo de servicio
• Velocidad periférica
• Grado de precisión requerido
• Método de fabricación
• tamaño y peso deseados de la unidad
• tensión permitida
• Resistencia a los golpes
• Resistencia al desgaste

Son posibles los siguientes materiales:

1. El hierro fundido tiene buenas propiedades de desgaste, es fácil de trabajar y se puede verter en formas especiales. Es adecuado cuando se requieren engranajes grandes con formas complicadas.
2. El acero es suficientemente fuerte y muy resistente al desgaste debido a la abrasión.
3. El acero fundido se utiliza para cargas elevadas y la fabricación difícil de engranajes cónicos.
4. Los aceros templados y revenido se utilizan para engranajes industriales que requieren alta tenacidad con alta resistencia.
5. Los aceros tratados térmicamente (como el endurecimiento o la nitruración ) se pueden utilizar cuando se requiera una resistencia muy alta de los dientes y muy poco desgaste de los dientes.
6. El aluminio se utiliza donde la masa giratoria necesita poca inercia.
7. Los engranajes cónicos hechos de materiales no metálicos provocan un funcionamiento silencioso a altas velocidades circunferenciales.

Aplicaciones

La caja de engranajes angular tiene muchas aplicaciones diferentes, como locomotoras, aplicaciones marítimas, automóviles, máquinas de impresión, automatización, ingeniería mecánica, acerías, tecnología de transportadores o bancos de pruebas. Dondequiera que la potencia y el movimiento se transmitan en ángulo, se requiere un alto grado de eficiencia en la operación cíclica y se requiere poco mantenimiento.

Ejemplos de

Engranajes cónicos en engranajes diferenciales, es decir, dos ejes giran a diferentes velocidades, como ocurre cuando un vehículo toma una curva. Los engranajes cónicos se utilizan como mecanismo principal para los taladros manuales. Mientras que el mango del taladro se gira en dirección vertical, los engranajes cónicos del portabrocas giran horizontalmente. Los engranajes cónicos de un taladro manual tienen el beneficio adicional de aumentar la velocidad del mandril, lo que permite perforar una variedad de materiales diferentes.

Los engranajes cónicos en espiral son componentes importantes para los sistemas de transmisión giratorios. Estos componentes son necesarios cuando algo se va a operar a alta velocidad, alta carga y para una gran cantidad de cambios de carga. Esto se utiliza, por ejemplo, para redirigir el eje de un motor de turbina de gas horizontal al rotor vertical. Esto también se utiliza en las mesas giratorias de máquinas herramienta.

Los engranajes cónicos hipoides son muy comunes en robótica y automatización. También como etapa preliminar para brazos robóticos con engranajes robóticos. Los engranajes cónicos hipoides a menudo tienen una relación de transmisión alta y un peso reducido en una etapa.

lubricación

Para minimizar la fricción y el calor, así como para garantizar la protección contra la corrosión, se seleccionan diferentes tipos de lubricación para los reductores cónicos:

Lubricación con grasa

Con funcionamiento lento o actuadores.

Lubricación por salpicadura

El engranaje cónico funciona en el baño de inmersión.

Lubricación circulante

El lubricante se alimenta al par de engranajes cónicos de manera específica. Suele estar lubricado con aceites sintéticos, rara vez con aceites minerales.

Requisitos de construcción

Los cojinetes radiales suelen ser suficientes para transmisiones de engranajes cónicos de rotación lenta . En el caso de los reductores cónicos (hipoides), también existen fuerzas o movimientos axiales que deben ser absorbidos por los cojinetes axiales . Los pares de engranajes cónicos suelen estar hechos de acero templado. Son deseables cargas elevadas y poco desgaste. Para mejorar el comportamiento del ruido y mantener el desgaste de los flancos de los dientes lo más bajo posible, el engranaje cónico debe calcularse utilizando programas de computadora, el área de contacto optimizada y el patrón de contacto ajustado.

Además, se debe tener en cuenta la rigidez o deflexión de los engranajes cónicos. El almacenamiento (posiblemente elástico y compensador de ángulo) debe adaptarse a las circunstancias.

Ver también

• Los engranajes frontales ofrecen una forma alternativa de realizar accionamientos angulares
• Gear : Representación de diferentes tipos de engranajes.

enlaces web

Evidencia individual

1. ↑ http://www.google.mk/patents/EP2484474B1?cl=de
2. ^ ^{A b} Gustav Niemann , Hans Winter : Elementos de la máquina. Volumen 3: helicoidal, bisel, sinfín, cadena, correa, engranajes de fricción, embragues, frenos, ruedas libres. 2ª, edición completamente revisada, reimpresión corregida. Springer, Berlín 1986, ISBN 3-540-10317-1 .
3. ↑ http://www.google.com/patents/EP2580493A2?cl=de
4. ↑ ^{a b c} Hermann J. Stadtfeld: Teoría y práctica de los engranajes cónicos en espiral. Cálculo, fabricación y optimización en la era de la fabricación controlada por ordenador. sn, Rochester NY 1993.
5. ↑ http://www.maschinenmarkt.vogel.de/taumeln-und-praezisionsschmieden-tret-gegen-die-zerspanung-an-a-337456/index2.html
6. ↑ Berthold Schlecht: Elementos de la máquina. Volumen 2: Engranajes - Dientes - Cojinetes. Estudios Pearson, Munich et al.2010, ISBN 978-3-8273-7146-1 .

literatura

• Jan Klingelnberg (Ed.): Engranajes cónicos. Springer, Berlín y otros 2008, ISBN 978-3-540-71859-8 .