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Guía para iniciar un proyecto con cadena cinemática

En proyectos mecánicos, el estudio y aplicación de una cadena cinemática (tren de engranajes) está ampliamente extendido como mecanismo para transmitir tanto el movimiento rotatorio como el movimiento de torsión.

Si te enfrentas a un proyecto con mecanismos de transmisión de movimiento, esta sencilla guía puede ayudarte a entender el concepto, a conocer los tipos de trenes de engranajes de la cadena, y los principales problemas con los que te puedes llegar a enfrentar.

A lo largo de este post te facilitamos toda la información necesaria para iniciar un proyecto de estas características. ¡Toma nota!

 

¿En qué consiste una cadena cinemática?

Las cadenas cinemáticas o mecanismos de transmisión de movimiento mediante engranajes, responde a un sistema formado por varios engranajes conectados entre sí, denominados de forma individual “etapa del tren de engranajes”.

En multitud de máquinas, la transmisión de rotaciones entre ejes no se puede lograr mediante un único par de engranajes, por lo que es necesario recurrir a combinaciones de engranajes unidos uno a otro de distintas formas.

Estos trenes de engranajes se utilizan en máquinas muy diversas. El elemento principal de este mecanismo es un engranaje con dos ruedas dentadas, que consiste en dos engranes unidos entre sí, de mismo módulo, pero diferente número de dientes.

El sistema completo se construye con varias de estas ruedas en cadena, donde cada una transmite el movimiento a la siguiente. Según cuál se elija como conductora o conducida, obtendremos una relación de reducción o una amplificación de la velocidad.

 

La importancia de un correcto estudio de la relación de transmisión

Establecer un exhaustivo estudio cinemático de engranajes, en la fase de diseño de nuestro proyecto, nos ayuda a construir una relación de transmisión estable a lo largo de todo el tren de engranajes.

 

¿Cómo calcular la relación de transmisión entre dos engranajes?

La ecuación que relaciona las velocidad angulares con el radio sería:

      i=ω2/ω1=R1/R2

 

Aquí:

  • i=Relación de transmisión
  • R1=Radio primitivo de la primera rueda
  • R2=Radio primitivo de la segunda rueda
  • ω1=Velocidad angular de la primera rueda
  • ω2=Velocidad angular de la segunda rueda

A su vez, en función del número de dientes (z)  podemos definir como:

 

      i=ω2/ω1=Z1/Z2

 

Donde:

  • i=Relación de transmisión
  • Z1=Número de dientes de la primera rueda
  • Z2=Número de dientes de la segunda rueda

Gracias al manejo de estas ecuaciones, y según las velocidades angulares de las distintas ruedas,  podremos calcular la relación entre el número de dientes o radios y viceversa.

 

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Cálculo de engranajes

Tipos de trenes de engranajes

A partir de consideraciones de índole cinemática, la clasificación puede ser de tres tipos:

Trenes ordinarios

Los engranajes situados al principio y al final de la cadena cinemática giran sobre los dos ejes entre los que ha de establecerse la relación de transmisión deseada. Todos los ejes de las ruedas (tanto extremas como intermedias) apoyan sobre un mismo soporte fijo. Estos tipos de trenes de engranajes se pueden subdividir en:

 

  • Trenes ordinarios simples: Cuando cada eje contiene únicamente una rueda. Todas las ruedas deben tener el mismo módulo. El número de dientes de las ruedas intermedias no influye en el valor absoluto de la relación de transmisión (μ).
  • Trenes ordinarios compuestos :  Cuando al menos uno de los dos ejes es común a varias ruedas.

Trenes planetarios

Se trata de aquel tren de engranajes en el que alguna rueda gira en torno a un eje que no es fijo, sino que gira en el espacio. Según que los ejes de entrada y salida sean o no coaxiales, hablaremos de trenes recurrentes o no recurrentes. Dentro de esta clasificación distinguimos:

  • Trenes de engranajes planetarios simples.
  • Diferenciales.
  • Trenes de engranajes planetarios de balancín.
Trenes planetarios
Tren planetario

Trenes mixtos

Coexisten los dos tipos de trenes de engranajes anteriores.

La diferencia básica entre los tipos de trenes de engranajes reside en que en los trenes epicicloidales o planetarios existe algún eje que tiene movimiento relativo respecto de los demás; mientras que los trenes ordinarios el único movimiento que pueden tener los ejes es el de giro sobre sí mismos.

 

Problemas en los trenes de engranajes

El proyecto con cadena cinemática tiene que diseñarse teniendo en cuenta que pueden surgir algunos problemas si los cálculos no son correctos. Si esto ocurre, las piezas pueden llegar a desgastarse e incluso romperse, y se perdería la presión del sistema.

Por tanto, si hemos pensado iniciar un proyecto con trenes de engranajes no podemos perder de vista los siguientes problemas que pueden surgir en las transmisiones por engranajes y las posibles acciones que corrijan o minimicen estos percances:

  • Desgaste por abrasión Producido a raíz de partículas pequeñas y duras que contaminan el aceite causando rasguños en el diente del engrane cuando está en contacto.

Entre las acciones correctivas encontramos: Drenar y enjuagar los residuos de aceite; lavar completamente las superficies internas de la caja del engranaje; limpiar y enjuagar todos los conductos de aceite; rellenar la caja del engranaje con un aceite ligero de grado para enjuague y arranque sin carga por  minutos; limpiar respiraderos y reemplazar sellos y filtros; revisar el ambiente por posible contaminación; y drenar el aceite de enjuague y rellenar con el aceite recomendado.

  • Desgaste por corrosión Causado por la reacción con el contacto del ácido y el metal. Usualmente se identifica por la apariencia de manchas y corrosión.

Entre las acciones correctivas resaltan: Para la sobrecarga del sistema, reducir la carga o mejorar el sistema; pero cuando la sobrecarga no se pueda corregir, evitar esa presión extrema mediante el empleo de lubricante. De igual modo, es necesario saber si el lubricante es de grado incorrecto, por lo que sería fundamental revisar con el fabricante cuál sería el lubricante adecuado. Si en cambio, el problema que existe es que no se siguen las recomendaciones de mantenimiento, cabe revisar con el fabricante los procedimientos correctos e incrementar la frecuencia de cambio de aceite.

  • Picadura eléctrica Ocurre cuando un arco de carga eléctrica se descarga a través de la película de aceite entre los dientes acoplados del engrane.

La acción correctiva sería colocar una conexión a tierra del mismo lado que la caja de rodamientos cuando se suelde; incorporar una conexión a tierra a lo largo colocando líneas de tierra desde la máquina hasta la tubería eléctrica o neumática para reducir electricidad estática creada por el proceso de manufactura; o revisar que el sistema eléctrico esté debidamente instalado y con conexión a tierra.


Picadura

 

  • Rodadura y perdigonado Estos tipos de problema se producen debido a que los dientes del engrane no ajustan correctamente y tras su uso alcanzan el daño total.

El daño en las rodaduras es debido a la deformación del metal en la porción activa del diente del engrane.

El perdigonado ocurre cuando la superficie del engranaje del diente está dispareja o desalineada.

  • Desgaste por fatiga Consiste en un desgaste creado por repetido estrés. La fatiga puede ser identificada por grietas o fracturas:
  • La grieta por fatiga Grieta en el engrane que ocurre debido a dobladura, estrés mecánico, estrés térmico o fallas del material.
  • La fractura por fatiga es la ruptura o desgarro del diente del engrane.

 

Cabe hacer hincapié en que las grietas por fatiga usualmente culminan en la fractura cuando la grieta crece hasta el punto en el que la sección restante del diente ya no aguanta la carga.

Desgaste engranaje

  • Falla en el flujo de plástico Consiste en un tipo de deformación en la superficie producida por el estrés por alto contacto con acciones de rodado y deslizamiento. Normalmente ocurre en engranes de materiales más suaves, pero puede ocurrir en engranes endurecidos en el caso de cargas severas.
  • Falla por fatiga en la superficie Es la falla resultante del estrés en la superficie o subsuperficie del material sobrepasando el límite de endurecimiento.

La picadura inicial, es causada por el alto estrés en áreas locales debido a la irregularidad de la superficie del diente.

El desconchado se produce por los niveles excesivos de estrés por alto contacto. Es similar a la picadura, pero los huecos son más grandes, profundos y no uniformes.

  • Desgaste excesivo del engrane Para evitar el desgaste excesivo del engrane, es fundamental revisar el requerimiento de HP para ver el posible reemplazo por engranes endurecidos del mismo tamaño o reemplazar con engranes de mayor ancho de cara.

Asimismo es necesario revisar que tengan la lubricación apropiada.

  • Ruido excesivo en la transmisión Es vital revisar que el juego de engranes sea el correcto, sino es así, ajustarlo. Además se puede rediseñar la transmisión para más capacidad y comprobar que tengan la lubricación adecuada.
  • Rotura del engrane Se produce por una sobrecarga o carga de choque. Para evitarlo hay que eliminar la sobrecarga o las condiciones que llevan a la carga de choque o cambiar la transmisión usando engranes más anchos o engranes de 20º de ángulo de presión.

De igual modo, hay que proveer de la cubierta adecuada para proteger el material ambiental que rodea la transmisión de contaminantes que puedan entrar en la transmisión.

  • Desfiguración del diente Para evitar este posible problema hay que eliminar la sobrecarga o reemplazar con engranajes endurecidos.

Teniendo en cuenta los problemas que pueden surgir en proyectos con trenes de engranajes, estaremos más preparados a la hora de embarcarnos en una actividad de estas características, reduciendo al mínimo los efectos adversos que puedan surgir y nos ralentice su proceso.

En Mootio, marca de la Compañía Levantina de Reductores (CLR), disponemos de una gran variedad de materiales, tratamientos específicos y toda una ingeniería de diseño de engranajes de precisión.

Nuestro fin es ayudar a cualquier inventor o proyectista a encontrar los componentes o engranajes más adecuados. Por ello, a la hora de comprar engranajes, ya sean juegos de engranajes, engranajes de plástico o engranajes de metal Mootio te ayuda a definir la transmisión que necesitas. ¿Tienes problemas a la hora de determinar las relaciones de transmisión? ¿Te cuesta calcular correctamente las potencias y pares transmitidos.? ¿Cómo podemos ayudarte?

infografía de engranajes

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