Reductores y Multiplicadores de Velocidad II.- Engranes Cilíndricos

REDUCTORES DE ENGRANES CILÍNDRICOS

INTRODUCCIÓN:
En el artículo anterior discutimos los criterios y procedimientos para la selección de reductores de velocidad en general. En la práctica, seleccionamos el reductor de velocidad que mejor cumpla con las necesidades de la máquina al menor costo total, que incluye el costo de adquisición, el costo de operación (asociado a la eficiencia), el costo de mantenimiento y la vida útil estimada, y dejamos que el fabricante se encargue del diseño de los engranes. Un entendimiento básico del comportamiento de los diferentes tipos de engranes nos permite hacer una mejor comparación entre las opciones disponibles. Este artículo trata sobre las características de los tipos básicos de engranes cilíndricos: de dientes rectos, helicoidales y doble helicoidal.

Los engranes cilíndricos transmiten movimiento entre ejes paralelos. Esta representación esquemática muestra como, utilizando más de una etapa de reducción, el eje de salida (abajo a la derecha) puede quedar alineado con el eje de entrada (abajo a la izquierda).

DE ENGRANES CILÍNDRICOS:
Dependiendo de la aplicación, las velocidades y la construcción interna, los engranes de dientes rectos ofrecen eficiencias superiores al 95% y los engranes de dientes helicoidales y doble helicoidal están ligeramente arriba este valor.

Decimos que los dientes de un engrane son rectos si son paralelos al eje de rotación. Esta es una geometría relativamente sencilla y fácil de fabricar que ofrece una solución de costo relativamente bajo para muchas condiciones de trabajo. Su principal limitación se debe a que el contacto entre dientes se produce simultáneamente a largo de todo el diente y se da en forma intermitente

Como muestra la ilustración de la derecha, un par de dientes entra en contacto en el punto 'a' y el siguiente contacto se dará hasta que este par llegue al punto 'b', provocando ruido, vibraciones y elevación de temperatura en los engranes.

Para mitigar estas limitaciones, se desarrollaron los dientes helicoidales, que siguen un ángulo de hélice respecto al eje de giro. En este caso, el contacto entre los dientes se da en forma paulatina permitiendo una transmisión más suave y silenciosa, pero su fabricación tiene mayor costo y el ángulo de hélice induce cargas axiales que deben ser soportadas por los rodamientos o cojinetes. 

Las cargas axiales, sin embargo, pueden eliminarse mediante engranes de doble hélice en ángulos opuestos. Estos engranes son todavía más costosos y requieren mayor precisión en el montaje, pero ofrecen ventajas importantes en aplicaciones de alta velocidad o con cargas elevadas.

MODELOS ESTANDARIZADOS DE REDUCTORES:

En el mercado encontramos reductores de velocidad y motorreductores (que integran un motor y reductor en una unidad) de engranes rectos para potencias menores a un cuarto de caballo (185 W), algunos, inclusive, tienen engranes de plástico.

Los engranes de dientes helicoidales son más comunes para reductores de velocidad que transmiten más de unos 185 W y hasta unos 4 MW, a velocidades hasta 1800 rpm en el eje de alta velocidad (par en el eje de baja velocidad hasta unos 500 kNm). La práctica común para estos equipos es que tengan ejes paralelos cuando se trata de una etapa de reducción y ejes en línea para más de una etapa. Otra práctica común es que se fabriquen en forma modular para que la salida de un reductor de velocidad sea compatible con la entrada de uno más grande, permitiendo relaciones de reducción que pueden llegar a ser del orden de 7,000:1 en un total de 6 etapas, combinadas en dos módulos de 3 etapas cada uno. Empleando engranes cementados y rectificados, este diseño permite equipos compactos, silenciosos, confiables, eficientes y de larga vida útil.

Para capacidades de unos 6,000 Nm en adelante se fabrican reductores de ejes paralelos. La caja puede ser de una pieza, con tapas laterales que permiten el ensamble desde los lados; o de dos piezas (como muestra esta representación esquemática) que se separan para ensamblar y darle mantenimiento de manera más sencilla. Aunque es más voluminosa que la de ejes en línea, esta configuración ofrece mayor disipación de calor y se adapta mejor al uso de sistemas de enfriamiento con circulación externa del aceite lubricante, con ventilación o a base de agua.

El reductor o motorreductor con eje hueco, también llamado pendular, tiene bastante demanda porque se monta directamente sobre el eje motriz de la máquina, eliminando otros elementos de transmisión, como acoplamientos o cadenas y permitiendo una transmisión sencilla, compacta, de alta eficiencia y confiabilidad.

FABRICACIONES ESPECIALES:
Cuando no se encuentra en el mercado un reductor estandarizado que cumpla con las necesidades específicas de una máquina, se pueden fabricar reductores sobre diseño especial que se amolden a estas necesidades.

RODAMIENTOS Y COJINETES:
Generalmente, los reductores de velocidad tienen rodamientos o cojinetes que soportan las cargas axiales que generan sus engranes y también tienen capacidad para soportar cargas axiales y radiales generadas en el motor, la máquina u otros componentes de la transmisión , como poleas, engranes o ruedas dentadas. Estas cargas deben ser tomadas en cuenta en los cálculos de diseño porque tienen impacto en la vida útil de los rodamientos. Algunos reductores no tienen capacidad para soportar su propias cargas axiales y requieren de soporte externo, ya sea que provenga de los rodamientos o cojinetes del motor, de la máquina o de una chumacera externa.


Notas:
Los dibujos 2D fueron hechos con DraftSight, marca registrada por Dessault Systemes.
Los dibujos 3D fueron hechos con FreeCAD