Un engranaje se puede definir como una pieza mecánica dentada que tiene la finalidad de disminuir la velocidad de rotación de una rueda a otra hasta que ambas se hayan detenido por completo. En el presente artículo nos dedicaremos a realizar una exposición detallada de todo lo referente a este mecanismo.
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¿Qué es un engranaje?
Desde un punto de vista científico, se puede definir a un engranaje como el mecanismo que tiene la tarea de transmitir potencia mecánica de un componente a otro. Los mismos se encuentran formados por dos ruedas dentadas, la más grande de ellas se le conoce como corona y a la menor se le da el nombre de piñón. La función principal de un engranaje es transmitir movimiento circular por medio del contacto de las ruedas dentadas.
Una de las aplicaciones más relevantes de esta clase de mecanismo es realizar el movimiento desde el eje de una fuente de energía (esto es una aplicación muy frecuente sobre todo cuando se trata de un motor de combustión interna o un motor eléctrico), hasta otro eje que se encuentre en una determinada distancia y que ha de realizar un trabajo.
En este sentido, se sabe que una de las ruedas está unida por la fuente de energía, a la que se le conoce como rueda motriz y la otra está conectada al eje, la cual tiene la función de recibir el movimiento del eje motor y que se le da el nombre de rueda conducida. En el caso de que el sistema se encuentre constituido por más de un par de ruedas dentadas, se le denomina como tren.
El principal beneficio que poseen las transmisiones por engranaje cuando se les compara con la transmisión por poleas, es que los mismos no se desplazan como lo hacen las poleas, por lo que poseen una precisión en cuanto a la relación de transmisión.
Historia
Desde la antigüedad se han empleado cuerdas y otros instrumentos de madera para poder realizar el transporte, impulsión, elevación y movimiento. Sin embargo, se desconoce el momento exacto en el que se crearon los engranajes. La literatura de la antigua China, Grecia, Turquía y Damasco fueron de las primeras culturas en mencionar estos mecanismos, pero no proporcionaron detalles al respecto.
El sistema de engranaje mas antiguo que se conoce y del que aún se conservan las piezas es del mecanismo de Anticitera. Este se entiende como una calculadora astronómica que fue creada entre los años 150 y el 100 a. C., compuesta por alrededor de 30 engranajes de bronce con dientes triangulares.
La misma presenta mecanismos únicos para aquel entonces, como por ejemplo los trenes de engranajes epicicloidales que se pensaban que habían sido inventados durante el siglo XIX. Gracias a las citas de Cicerón se sabe que el de Anticitera no fue un invento aislado, sino que existieron otros dos mecanismos similares en esa época, hechos por Arquímedes y por Posidonio. En una misma línea de ideas, a Arquímedes se suele catalogar como el primer inventor de los engranajes, dado que diseño un tornillo sin fin.
Al mismo tiempo, en China también se han contemplado modelos con estos engranajes. Como por ejemplo, el «carro que apunta hacia el Sur» (120-250 d. C.), un mecanismo particular que hacia que el brazo de una figura humana apuntara al sur por medio de unos engranajes diferenciales epicicloidales. Por otro lado, años antes, como por el año 50 d. C., se crearon los engranajes helicoidales tallados en madera que se encontraron en el interior de la tumba real en la ciudad china de Shensi.
No se posee información de la manera en que se difundió la información sobre los engranajes en los siglos siguientes. Existe la teoría de que estos conocimientos que surgieron durante la época del mecanismo de Anticitera sobrevivieron y se construyeron en el florecimiento de la ciencia y la tecnología en el mundo islámico de los siglos IX al XIII.
Los trabajos islámicos acerca de la astronomía y la mecánica pudieron haber sido la principal fuente que permitió que volvieran a fabricarse calculadoras astronómicas en la Edad Moderna. Durante los comienzos del Renacimiento, toda esta tecnología se implementó en Europa para la creación de modelos de relojes mucho más sofisticados, los cuales, la mayoría fueron destinados a edificios públicos como catedrales.
Leonardo da Vinci, fallecido en Francia en el año 1519, dejó una serie de dibujos y esquemas de algunas máquinas que se continúan usando en la actualidad, incluyendo algunos modelos de engranajes de tipo helicoidal. Los primeros datos que se tienen acerca de la transmisión de rotación con velocidad angular uniforme por medio de engranajes son del año 1674, cuando el reconocido astrónomo danés Olaf Roemer propuso la forma de diente en epicicloide.
Por su parte, Robert Willis fue considera como uno de los primeros ingenieros mecánicos, dado que él fue el responsable de hacer la primera aplicación práctica de la epicicloide, al utilizar en la construcción de una serie de engranajes intercambiables.
En un mismo sentido, fue idea de los primeros matemáticos en hacer uso de la evolvente de círculo en el perfil del diente, pero esto fue gracias a que Willis llevo a cabo las prácticas. A Willis también se le da el reconocimiento por crear el odontógrafo, una herramienta que realiza un trazado simplificado del perfil del diente de evolvente. Según lo que se sabe, pudo haber sido el francés Phillipe de Lahire el primero en concebir el diente de perfil en evolvente en el año 1695, poco tiempo después de que Roemer concibiera el epicicloidal.
L primera aplicación que se le hizo al diente en evolvente fue hecha por el suizo Leonhard Euler. En el año 1856, Christian Schiele dio a conocer el sistema de fresado de engranajes rectos a través de la fresa madre, sin embargo, este procedimiento solo fue llevado a la práctica a inicios del año 1887, a base de la patente Grant.
Para el año 1874, el norteamericano William Gleason creó la primera fresadora de engranajes cónicos y gracias al involucramiento de todos sus hijos, pudo crear la empresa Gleason Works, ubicada en Rochester (Nueva York, EE. UU.), convirtiéndole en uno de los fabricantes de máquinas herramientas más importantes del mundo.
Algunos años más tarde, el inventor alemán Robert Hermann Pfauter, inventó y patentó una máquina universal de dentar engranajes rectos y helicoidales por fresa madre. A partir de este invento, pudo realizar diversos inventos y aplicaciones acerca del mecanizado de engranajes, luego fundó la empresa Pfauter Company que, con el paso de los años, pasó a ser una empresa multinacional fabricante de todo tipo de máquinas-herramientas.
A inicios de los años 1900, el ingeniero y empresario alemán Friedrich Wilhelm Lorenz se dedicó a desarrollar una maquinaria y equipos de mecanizado de engranajes y, llegando el año 1906, fabricó una talladora de engranajes que tenía la capacidad de mecanizar los dientes de una rueda de 6 m de diámetro, módulo 100 y una longitud del dentado de 1,5 m.
Ya terminando el siglo XIX, coincidiendo con la época dorada del desarrollo de los engranajes, el inventor y fundador de la empresa Fellows Gear Shaper Company, Edwin R. Fellows, creó un nuevo método para mecanizar tornillos sin la necesidad de emplear glóbicos, como los que se colocaban en las cajas de dirección de los vehículos antes de que fuesen hidráulicas.
Durante el año 1905, M. Chambon, de Lyon (Francia), se le atribuyó el reconocimiento por ser el responsable de realizar la primera máquina para el dentado de engranajes cónicos, empleando un procedimiento de fresa madre. Asimismo, por esa misma época, André Citroën inventó los engranajes helicoidales dobles.
Tipos de engranajes
Dado que los engranajes son un mecanismo tan utilizado, no es de extrañar que posean diferentes tipos de modelos, cada uno de ellos con una función y aplicación específica. En el presente apartado profundizaremos en los tipos más utilizados que se basan en sus dientes y en las aplicaciones.
Según sus dientes
Al centrarnos en la clasificación que se le da a los engranajes por sus dientes, nos encontramos con tres diferentes modelos, los cuales se exponen a continuación.
Engranaje recto
En engranaje recto es el modelo más simple que existe, está formado por un cilindro o disco con dientes que se proyectan radialmente. Sin embargo, los dientes no son rectos, en realidad tienen una forma especial para que la transmisión entre los contactos sea continua, por lo que su forma es involuta pero, también pueden ser cicloidal. Lo único recto del engranaje es el borde, el cual se encuentra alineado con el eje de rotación. Los engranajes de este tipo solo encajan correctamente si se montan en ejes paralelos.
Dentro de esta clase de mecanismos, se encuentran otros dos tipos de engranajes: externos e internos. Aquellos modelos que poseen dientes cortados por fuera de un cilindro se le denominan engranajes externos. Mientras que los que tienen dientes cortados en el lado interno de un cilindro ahuecado son clasificados como engranajes internos.
Algo particular de los engranajes externos que tienen la capacidad de encajar con los de su misma clase y con los del tipo interno. Cuando se unen dos engranajes externos, su rotación va en direcciones opuestas. Mientras que un engranaje interno solo puede encajar con un engranaje externo, ambos rotando en la misma dirección. Dada la posición cercana de los ejes, los conjuntos de engranajes internos son más compactos que los externos.
Helicoidales cruzados
El movimiento que realiza este tipo de engranaje es tipo de cuña o de tornillo, por lo que tiene un alto grado de deslizamiento en los flancos del diente. El montaje de esta clase es muy sencilla, solo se debe presentar los mismos pasos diametrales normales para que el engranaje sea el correcto. Igualmente, pueden colocarse en el mismo sentido o en el opuesto.
Cónicos de dientes helicoidales
En este tipo de engranajes, la superficie de contacto posee un tamaño mayor que la de los engranajes cónicos de dientes rectos. Esta clase tiene la capacidad de realizar la transmisión de movimiento de ejes que se corten y una de sus más relevantes funciones es disminuir la velocidad en ejes de 90 grados.
Cónicos hipoides
El piñón de ataque de estos modelos no se encuentra muy centrado en lo que respecta al eje de la corona. La característica más relevante de estos engranajes es su larga vida útil y el poco ruido que hacen cuando se mueven, a pesar de que necesitan de aceites de extrema presión. Son diseños muy utilizados en las embarcaciones y máquinas industriales.
Helicoidales de rueda y tornillo sinfín
Los modelos de estos engranajes están formados por un tornillo sinfín y poseen un funcionamiento muy parecido a un conductor, con una corona conducida por este. El tornillo se encarga de mover la corona con su giro. A pesar de que el ángulo entre ejes más común es de 90 grados, el mismo puede variar.
Para aplicaciones especiales
Como bien ya hemos mencionado antes, otra manera de clasificar a los engranajes es según la aplicación que se le de. En este sentido, dentro de esta categoría hay tres engranajes especiales, los cuales explicaremos en breve.
Interiores o anulares
Los engranajes interiores o también conocidos como anulares, se parecen a los engranajes rectos, con la diferencia de que sus dientes no están tallados en el exterior, sino que se encuentran en el interior de una rueda o de un anillo con reborde. Los engranajes interiores se ven impulsados por un piñón y se mantiene el sentido de la velocidad angular.
Planetarios
Un engranaje planetario o también conocido como engranaje epicicloidal, es comprendido como un tren de engranajes consistente en uno o más engranajes externos, que se encuentran en con constante movimiento sobre un engranaje central o también denominado como sol. Por lo general, estos engranajes se colocan sobre un brazo móvil o portaplanetas que, al mismo tiempo se mueven en la misma dirección que el engranaje central.
Los sistemas de engranajes planetarios también pueden integrar el uso de un engranaje anular externo o corona, que engrana con los planetas. Otra perspectiva que se toma mucho en consideración es que se toma al eje central como el planeta, mientras que los engranajes que están rodeándolo se ven como los satélites acoplados por tanto a un portasatélites. Es muy frecuente que los modelos de este tipo de engranajes se encuentren dentro de la transmisión de un vehículo.
De cremallera
Por otro lado, el tipo de cremallera se encuentra constituido por dos engranajes, denominados piñón y cremallera, este último tiene la labor de convertir el movimiento de rotación en un movimiento rectilíneo o viceversa. Mientras que el engranaje de piñón se encarga de engranar con una barra dentada (la cremallera), de esta manera, un movimiento hecho por el piñón causa el desplazamiento lineal de la cremallera.
Por ejemplo, si nos centramos en un ferrocarril de cremallera, la rotación que hace un piñón en la locomotora lo que hace es permitir que se haga la transmisión a un carril dentado la fuerza que requiere para que un tren pueda hacer una subida muy pronunciada.
Para cada par de perfiles de envolventes hay la posibilidad de hacer un sistema de engranajes conjugados. En el caso de la cremallera, uno de los engranajes es un borde recto dentado, con radio infinito. Por lo general, este tipo de engranajes son usados como una referencia para especificar los detalles de los dientes y las dimensiones del diseño de máquinas herramienta, como fresas o cortadores.
Funcionamiento de un engranaje
Dentro de una herramienta puede haber muchos engranajes conectados entre sí, y cada uno con formas y tamaños totalmente diferentes. Sin embargo, el funcionamiento de un engranaje está constituido por tres aspectos básicos:
- Aumento de velocidad: En caso de que dos engranajes se hayan colocado juntos y, el primero esté formado por un número mayor de dientes que el segundo (por lo cual, este debe ser el más grande en cuanto a su tamaño), este último debe moverse mucho más rápido para mantenerse al día. Lo que quiere decir que el segundo engranaje posee un movimiento más acelerado, pero con una fuera menor que la del primero.
- Aumento de fuerza: Por otro lado, si en cambio la segunda rueda es la que posee una cantidad mayor de dientes, esta gira con un movimiento lento pero posee una fuerza mayor. Por lo general, este aspecto del funcionamiento suele estar presente durante los cambios de marchas que se hacen en la bicicleta, en donde hay marchas que se hacen para moverse más rápido en cada pedaleo y otras para transmitir más fuerza y subir cuestas.
- Cambio de dirección: Cuando dos engranajes se colocan juntos, siempre el segundo engranaje se rota en la dirección opuesta del primero. De esta manera, si el primero mantiene un movimiento en el sentido horario, el segundo entonces se rotara en el sentido contrario. Al mismo tiempo, es muy común que se usen engranajes especiales para que en estos casos, la potencia de la máquina se desplace en ángulo. Por ejemplo, cuando se trata de un vehículo, el diferencial (se trata de una caja de engranajes en el medio del eje trasero) usa un engranaje cónico en forma de cono para que la potencia gire en un eje impulsor de 90 grados y así, hacer que se muevan las ruedas traseras. Los engranajes lo que hacen es aumentar la fuerza al mismo tiempo que van disminuyendo la velocidad, también esto puede ocurrir de forma opuesta, pero en estos casos la energía se mantiene constante de acuerdo al principio de conservación de energía.
¿Para que se utilizan los engranajes?
Como ya hemos expuesto en los anteriores apartados, existen una gran variedad de tamaños y formas de engranajes. Desde aquellos con un tamaño más pequeño que se emplean principalmente para la relojería y los instrumentos científicos, hasta los más grandes que se usar para poder disminuir la velocidad en las turbinas de los buques, el accionamiento de hornos y molinos en fábricas de cemento, entre otros.
En este sentido, las aplicaciones que se le pueden dar a los diversos tipos de engranajes son prácticamente ilimitadas. Los mismos se pueden encontrar en las centrales de producción de electricidad, transportes terrestres (locomotoras, camiones, automóviles), transporte marítimo, aviones, grúas, montacargas. Sin embargo, también forman una parque importante en lo que respecta la la maquinaria textil, de vestir, alimentación y calzado, así como en la industria farmacéutica y química.
En cualquiera de las aplicaciones de los engranajes, la función principal de todos ellos es la de transmitir la rotación de un eje a otro diferente, incrementando o disminuyendo la velocidad del primero. Asimismo, también se puede encontrar engranajes de colores en plástico que forman parte de los juguetes educativos.
Bombas hidráulicas
Se trata de un dispositivo que al recibir una energía mecánica de una fuente exterior, pasa a convertirla en una energía de presión que puede transmitirse a un sistema hidráulico, por medio de un fluido que siempre se encuentra en constante presión.
Existen ciertos tipos de bombas que en su interior hay engranajes de igual número de dientes que, al girar lo que hacen es producir un trasiego de aceites u otros líquidos. Este dispositivo forma parte de cualquier maquinaria que requiera de circuitos hidráulicos y todos los motores térmicos para lubricar sus piezas móviles.
Caja de velocidades
Dentro de los autos, la caja de velocidades es un instrumento que se encarga de acoplar el motor y el sistema de transmisión por medio de diferentes engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal pueda convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas.
Reductores de velocidad
Los reductores de velocidad se pueden entender como mecanismos que transmiten movimiento entre un eje que rota a alta velocidad (por lo general un motor), y otro que se mueve con una velocidad más lenta, por ejemplo una herramienta. Los mismos se encuentran conformados por varios juegos de engranajes de diámetros diferentes o bien de un tornillo sin fin y corona.
Ha sido todo por el artículo de hoy, esperamos que la información proporcionada haya sido de gran utilidad. En un mismo sentido, le hacemos la invitación a leer también: Espectrofotómetro y Desfibrilador