REDUCTORES Y MULTIPLICADORES DE VELOCIDAD III.- ENGRANES CÓNICOS

INTRODUCCIÓN:
En el primer artículo de esta serie se discuten los criterios y procedimientos básicos para la selección de reductores de deferentes tipos. Este artículo trata sobre los reductores de velocidad a base de engranes cónicos que se encuentran comúnmente en el mercado.

CONCEPTO FUNDAMENTAL:

Puede haber rodaje sin deslizamiento entre dos conos si la intersección entre sus ejes de giro se da en el ápice de ambos conos. Esta característica permite usar elementos cónicos para transmitir eficientemente movimiento giratorio entre dos ejes que forman un ángulo entre sí. Siguiendo este principio, los engranes cónicos ofrecen eficiencias superiores a un 98% por cada etapa de reducción. [1]

Aunque lo más común es que el ángulo entre los ejes sea de 90°, también se pueden encontrar reductores comerciales con ejes en ángulos oblicuos que satisfacen los requerimientos de máquinas específicas. [1]

ENGRANES CÓNICOS:

Los engranes cónicos pueden tener dientes rectos en que, de manera similar a los engranes cilíndricos de dientes rectos, el contacto se da en forma simultánea en toda la pared del diente, provocando ruido y
vibraciones. Este tema se trata en detalle en el artículo anterior de esta serie. [2]

En los engranes con dientes en forma de espiral el contacto se da en forma paulatina, permitiendo un movimiento más suave y velocidades más elevadas. A consecuencia de la curvatura de los dientes, el sentido de giro de estos engranes influye en los esfuerzos y deformaciones a los que se someten las superficies de contacto y también influye en las cargas axiales que deben soportar los rodamientos o cojinetes. Aunque el diseño de los reductores y los requerimientos para la mayoría de las aplicaciones industriales permiten que los reductores a base de engranes cónicos trabajen indistintamente en cualquiera de los dos sentidos de giro, hay reductores y aplicaciones en los que es conveniente, y a veces necesario, que trabajen en el sentido de giro que les es favorable. Por lo tanto, cuando se tiene contemplado usar este tipo de engranes en aplicaciones de alta velocidad, alto par u otras condiciones arduas de trabajo, se debe incluir el sentido de giro en las especificaciones del reductor. [2]

Las cajas de cambio de dirección con relación 1:1 son muy utilizadas en máquinas que requieren derivaciones sincronizadas de la transmisión. Los engranes cónicos con esta relación son conocidas como engranes de inglete (‘miter gears’, en inglés). Es común que para las mismas cajas en que se suministran los engranes de inglete, los fabricantes ofrezcan otras opciones con relaciones de reducción o incremento de velocidad, que suelen ser entre 1.5:1 y 3:1.

La representación esquemática de arriba muestra los sentidos de giro relativos que se obtienen según la colocación de los engranes (aunque la representación sólo muestra un sentido de giro, se entiende que si este se invierte para un eje, se invertirá para todos los demás). [3]

Los engranes de hipoide o hipoidales son una variante de los engranes cónicos que permite la transmisión entre ejes que no tienen una intersección por estar en planos diferentes. En esta construcción, el movimiento relativo entre las superficies en contacto se da en una combinación de rodaje con deslizamiento y por lo tanto, tienen menor eficiencia que los engranes cónicos y requieren lubricantes especiales. Sin embargo, los engranes hipoidales ofrecen relaciones de reducción mayores y permiten transmisiones más compactas que los engranes cónicos. Aunque no son muy comunes, varios fabricantes ofrecen este tipo de engranajes en transmisiones industriales de catálogo y han sido extensamente usados en transmisiones automotrices. [2]

REDUCTORES DE VELOCIDAD:

Combinando una etapa de engranes cónicos con otras de engranes cilíndricos, ya sea con dientes rectos o helicoidales, se pueden obtener relaciones de reducción de velocidad sumamente elevadas. [2]

Al igual que en los demás tipos de reductores, los reductores de velocidad a base de engranes cónicos con etapas de reducción a base de engranes cilíndricos, pueden suministrarse como  conjuntos integrados de motor con reductor, conocidos como motorreductores o como unidades independientes. En ambos casos se pueden fabricar con ejes sólidos o huecos en la salida y con diferentes opciones para montaje mediante base, bridas o brazos de reacción.

Dentro de los límites prácticos que imponen el volumen y el peso del conjunto, el motorreductor es un diseño más compacto y más fácil de manejar en el trasporte, almacenamiento y montaje. También pueden suministrarse en cajas de una pieza con tapas laterales, como muestra la ilustración de la izquierda, o bipartidas para facilidad de inspección y mantenimiento, como en la ilustración de abajo. [1]

El reductor como componente independiente permite la instalación y el desmontaje del reductor sin necesidad  de mover el motor, consideración importante cuando se trata de motores pesados. El reductor solo también ofrece mayor flexibilidad en el uso de sistemas externos de enfriamiento para el lubricante y en la incorporación de frenos, embragues, poleas, ruedas dentadas y otros componentes mecánicos. [1]

CONCLUSIÓN:
Aunque 90° es el ángulo más comúnmente usado para engranes cónicos, estos se pueden fabricar para trabajar cualquier otro ángulo. Los reductores de velocidad a base de engranes cónicos ofrecen gran versatilidad por la forma de los dientes (rectos o en espiral), por la posibilidad de combinarlos con etapas a base de engranes cilíndricos para lograr relaciones de velocidad muy elevadas y por las opciones de montaje con ejes sólidos o huecos. Por estas características y por su alta eficiencia es conveniente tener en cuenta esta opción siempre que se requiera transmitir movimiento entre ejes que giran formando un ángulo entre si.

Dibujos hechos con:
[1] FreeCAD
[2] Blender y Otvinta

[3] Draftsight (marca registrada por Dessault Systèmes)