Tipología de Engranajes#
Diversidad geométrica según la configuración de ejes#
Aunque el perfil de evolvente es común a casi todos los engranajes, la geometría del diente y de la rueda varía según la orientación relativa de los ejes a conectar y los requisitos de carga, velocidad y ruido.
La clasificación básica atiende a la relación espacial entre los ejes:
1. Ejes paralelos: cilíndricos rectos y helicoidales#
Cilíndricos rectos (spur gears): Los dientes son paralelos al eje de rotación. Son los más simples de fabricar y no generan fuerzas axiales. Eficiencia alta (98-99%). Sin embargo, el contacto entre dientes ocurre de golpe (toda la línea de contacto entra simultáneamente), lo que genera impactos y ruido a altas velocidades. Uso típico: electrodomésticos, juguetes, reductores de baja/media velocidad, máquinas herramienta sencillas.
Cilíndricos helicoidales: Los dientes forman una hélice alrededor del eje. El contacto es progresivo (comienza en un extremo del diente y avanza gradualmente), lo que los hace mucho más silenciosos y suaves. Tienen mayor relación de contacto (\(\varepsilon_\alpha\) aumenta) y pueden transmitir más potencia. Inconveniente: generan una componente de fuerza axial que debe ser absorbida por los rodamientos. Uso típico: cajas de cambios de automóviles, transmisiones industriales de alta velocidad, compresores.
Doble helicoidal (herringbone o espina de pez): Dos hélices de sentido opuesto en la misma rueda. Anulan mutuamente el empuje axial, manteniendo todas las ventajas de los helicoidales. Son muy robustos y capaces de transmitir grandes potencias. Inconveniente: fabricación compleja y costosa (requiere fresas especiales o mecanizado por generación muy preciso). Uso típico: grandes reductores de potencia (turbinas, laminadores, barcos), donde el coste se justifica.
2. Ejes que se cortan (ejes concurrentes): engranajes cónicos#
Cuando los ejes de entrada y salida se cortan (típicamente a 90°, pero puede ser cualquier ángulo), se usan engranajes cónicos (bevel gears). En lugar de cilindros, las superficies primitivas son conos.
Cónicos rectos: Los dientes son rectos y van del vértice del cono a la base. Son la versión cónica de los spur. Pros: fabricación relativamente sencilla, económicos. Contras: ruidosos a alta velocidad, el contacto es brusco. Uso típico: cambios de dirección a 90° en aplicaciones de baja/media velocidad (taladros de columna, reductores angulares sencillos).
Cónicos espirales (spiral bevel, sistema Gleason): Los dientes están curvados, similar a los helicoidales pero en superficie cónica. El contacto es progresivo, lo que los hace mucho más suaves, silenciosos y resistentes. Contras: fabricación compleja (requiere máquinas especializadas Gleason o Klingelnberg), más caros. Uso típico: diferenciales de automóviles (eje trasero/delantero), transmisiones de helicópteros, aplicaciones de alta velocidad y precisión.
3. Ejes que se cruzan (ejes alabeados, no concurrentes)#
Cuando los ejes ni son paralelos ni se cortan (se cruzan en el espacio), se usan geometrías especiales con deslizamiento relativo significativo:
Hipoidales (hypoid gears): Similares a los cónicos espirales, pero con los ejes desplazados verticalmente (no se cortan). Esta geometría permite en un automóvil bajar la altura del árbol de transmisión (mejora la habitabilidad) y usar piñones más robustos. Tienen mucho deslizamiento relativo, lo que genera calor y requiere lubricantes de extrema presión (EP). Uso típico: diferenciales de automóviles modernos.
Tornillo sin fin y corona (worm and worm gear): El piñón es un tornillo (1 o más entradas) y la rueda es una corona helicoidal que lo abraza. Permite reducciones enormes en una sola etapa (relaciones de 20:1 a 100:1 o más). Es muy silencioso porque el contacto es tipo “frotamiento” sobre una superficie grande.
Irreversibilidad: Si el ángulo de avance de la hélice del tornillo es pequeño (\(\tan\gamma < \mu\), donde \(\mu\) es el coeficiente de fricción), la corona no puede mover al tornillo. Esto es útil como freno de seguridad (montacargas, mesas elevadoras, tornillos de ajuste).
Contras: Eficiencia baja (50-80%) debido al alto deslizamiento. Genera mucho calor; requiere buena refrigeración y lubricación.
Uso típico: Elevadores, cintas transportadoras, mecanismos de posicionamiento, reductores compactos de alta reducción, clavijeros de instrumentos musicales.
4. Transformación de movimiento: rotación ↔ traslación#
Piñón–cremallera (rack and pinion): La cremallera es un engranaje de radio infinito (dientes rectos sobre una barra). El piñón, al girar, hace que la cremallera se desplace linealmente (o viceversa). Relación: \(v = r \cdot \omega\) (velocidad lineal = radio primitivo × velocidad angular). Es la forma más directa y precisa de convertir rotación en traslación. Atención al juego (backlash): en aplicaciones de precisión (CNC) se usan sistemas de precarga o doble cremallera. Uso típico: Direcciones de automóviles, mesas de máquinas herramienta (tornos, fresadoras CNC), puertas automáticas, ascensores (cremallera vertical).