Cojinetes y trenes de engranajes

1ºBCT

Cojinetes

Son elementos de fricción, también denominados casquillos, que nos permiten la unión de piezas móviles con piezas fijas. Se caracterizan por permanecer inmóviles en su

asiento y el eje roza con el. Va instalado a presión e el interior del soporte. Su diámetro interior es ligeramente superior al del árbol o eje que soporta. La diferencia entre ambos diámetros recibe el nombre de juego de montaje.Pueden estar fabricados por distintos materiales, generalmente mas blandos que el que constituyen el árbol o eje para conseguir que el rozamiento provoque el desgaste del casquillo y no del elemento mecánico que gira.Los materiales mas utilizados son el plástico, el bronce y el acero.

Según su utilización se utilizan unos u otros: Plástico : se utilizan es pequeños esfuerzos Bronce : se utilizan en esfuerzos medios como motores electricos Acero : se utilizan en grandes esfuerzos como motores de explosion

Para el diseño de un rodamiento, se deben considerar los siguientes factores:

Carga por fatiga.

Fricción.

Calentamiento.

Resistencia a la corrosión.

Problemas cinemáticos.

Propiedades de los materiales.

Lubricación.

Tolerancias al maquinado.

Ensamble.

Uso y costo.

Tipos de cojinetes: Los cojinetes se clasifican en cojinetes de fricción, antifricción o según el esfuerzo que realicen..

Por la dirección del esfuerzo que soportan se clasifican los cojinetes en:

Los cojinetes radiales impiden el desplazamiento en la dirección del radio. Los cojinetes axiales impiden el deslizamiento en la dirección del eje Los cojinetes mixtos hacen al mismo tiempo el efecto de los cojinetes radiales y

axiales.

Los cojinetes de fricción: son cojinetes lisos de deslizamiento en seco, diseñados para disposiciones con carga radial y requieren un espacio radial mínimo. Permiten movimientos oscilantes y giratorios. Son adecuados para todas las aplicaciones que no requieren mantenimiento o en las que puede haber una ausencia de lubricante. Podemos diferenciar diferentes subgéneros dentro de estos:

Cilíndricos fijos

Se compone de una sola pieza de revolución, denominada casquillo. Se emplea cuando el cojinete no está sometido a grandes desgastes. El problema viene a raíz de que no admite corrección en el diámetro interior una vez sufre los efectos del desgaste y no se puede emplear para gorrones intermedios por la imposibilidad de montaje. Estos cojinetes se montan a presión en su correspondiente montaje.

Cilíndricos ajustables o partidos

El cojinete está constituido por dos mitades cuya superficie común de contacto coincide con un plano diametral para facilitar el montaje aún en el caso de gorrones intermedios. Permite el montaje de ejes y árboles con el resto de órganos montados sobre ellos debido a su aplicación de las dos mitades.

Cónicos ajustables

Se emplea en aquellos montajes que tengan que garantizar un juego entre el árbol y el cojinete. El cojinete exteriormente es cónico y a medida que se introduce en el agujero cónico de su soporte irá reduciendo el diámetro interior gracias al Ranurado longitudinal

que lleva. Tiene la ventaja de que se pueden corregir holguras producidas por el desgaste.

Rodamientos: en este elemento de fricción no hay deslizamiento entre superficies en contacto, si no que se produce la rodadura de ciertos elementos intercalados entre las superficies que giran. Por esa razón se denominan genéricamente rodamientos.

Todos los rodamientos están formados por varias piezas fundamentales:

Aro externo. El anillo exterior esta montado en el albergue de la máquina y en la mayoría de los casos no rueda. La parte de la trayectoria de los elementos rodantes se llama corredor o raceway, y la sección de los anillos donde los elementos giran, es llamada superficie de rodadura o raceway surface. En el caso de rodamientos de bola, como existen unos surco o canales provistos para las bolas, a estas también se les denomina surcos, canales de rodadura o raceway grooves. Los anillos se fabrican normalmente con aceros SAE 52100 endurecido de 60 a 67 Rockwell C.

Aro interno. El anillo interno esta montado en el árbol de la máquina y en la mayoría de los casos está en la parte rodante. El anillo interno esta normalmente comprometido con un eje.

Elementos rodantes. Estos elementos pueden ser tanto bolas como rodillos. Existen muchos tipos de rodamientos con variadas formas de rodillos como ser: de bola, rodillo cilíndrico, rodillo cilíndrico largo, rodamiento de aguja, rodillo trapezoidal y rodillo convexo. Se utilizan también materiales como el acero inoxidable, cerámicos, monel, plásticos y materiales especiales en caso de trabajo con corrosivos.

Separador o jaula. Sirve para guiar los elementos de giro a lo largo de los anillos del rodamiento en una relativa posición correcta. Existen variadas clases de separadores que incluyen las prensadas (las más usadas), maquinadas (utilizadas para mayor resistencia o altas velocidades), moldeadas y en forma de clavija o chaveta. Debido a su menor resistencia a la fricción en comparación con los anillos y elementos rodantes, los rodamientos con separadores son más convenientes para trabajar bajo rotaciones de alta velocidad. Las jaulas se fabrican de bronce o plásticos sintéticos (que trabajan mejor a altas velocidades con un mínimo de fricción y ruido). En los cojinetes de costo relativamente bajo algunas veces se omite el separador, pero este tiene una función importante de evitar el contacto de los elementos rodantes a fin de que no ocurra rozamiento entre ellos.

Cubiertas. Todos estos cojinetes pueden obtenerse con cubiertas o protectores en uno o en ambos lados. Las cubiertas no proporcionan un cierre completo, pero sí ofrecen protección contra la entrada de polvo y suciedad. Una variedad de cojinetes se fabrica con sellos herméticos en uno o en ambos lados. Cuando los sellos están en ambos lados, los cojinetes se lubrican en la fábrica. Aunque se supone que un cojinete sellado tiene lubricación por toda la vida, algunas veces se proporciona un medio para su re- lubricación

Dependiendo de los esfuerzos que han de soportar, podemos distinguir diferentes tipos de rodamientos:

Rodamientos para cargas radiales

Rodamiento rígido de simple hilera de bolas

Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables, capaces de operara a altas e incluso muy altas velocidades y requieren poca atención o mantenimiento en servicio. Estas características, unidas a su bajo coste, hacen a estos rodamientos los más populares.

Rodamiento de rodillos

Tiene guiados sus rodillos por pestañas en uno de sus aros. El otro aro, que esta libre, no tiene ninguna pestaña. Esto permite que el eje se desplace axialmente dentro de ciertos

límites, con respecto al soporte. Este rodamiento es adecuado para cargas radiales relativamente grandes y puede también soportar altas velocidades. El desmontaje es muy fácil, aunque ambos aros estén montados con ajustes fuertes.

Rodamiento de bolas a rótula

Posee doble fila de bolas guiada por dos pistas de rodadura mecanizadas en el aro interior. Esto hace que el rodamiento sea autoalineable, permitiéndose desviaciones angulares del eje respecto al soporte. La pista del aro exterior tiene el centro en el eje del árbol. Este tipo de rodamiento, además de soportar mayores cargas que el de bolas, se adapta a las flexiones del árbol.

Rodamiento de rodillos a rótula

Están compuestos por dos hileras de rodillos con un camino de rodadura esférico común sobre el aro exterior. Cada uno de los dos caminos de rodadura del aro interior está inclinado formando un ángulo con el eje del rodamiento. Estos rodamientos son autoalineables, pueden soportar cargas radiales y cargas axiales, y tienen una gran capacidad de carga.

Rodamientos para cargas axiales

Rodamientos de simple efecto

Los rodamientos axiales de simple efecto absorben las fuerzas axiales en un determinado sentido, desmontándose cuando la fuerza axial actúa en el sentido contrario. Se componen de dos aros entre los que se interponen las bolas, uno de ellos girando con el árbol y el otro va fijo al soporte.

Rodamientos de doble efecto

Estos rodamientos tienen la misma aplicación que los de simple efecto salvo que estos absorben las cargas axiales en ambos sentidos. El aro intermedio es el que va fijo al árbol.

Rodamientos axiales de rodillos a rótula

El rodamiento axial de rodillos a rótula tiene una hilera de rodillos situados oblicuamente, los cuales, guiados por una pestaña del aro fijo al eje, giran sobre la superficie esférica del aro apoyado en el soporte. En consecuencia, el rodamiento posee una gran capacidad de carga y es de alineación automática. Debido a la especial ejecución de la superficie de apoyo de los rodillos en la pestaña de guía, los rodillos giran separados de la pestaña por una fina capa de aceite. El rodamiento puede, por lo mismo, girar a una gran velocidad, aun soportando elevada carga. Contrariamente a los otros rodamientos axiales, éste puede resistir también cargas radiales.

Rodamiento de rodillos cilíndricos de empuje

Son apropiados para aplicaciones que deban de soportar grandes cargas axiales. Además, son insensibles a los choques, son fuertes y requieren poco espacio en sentido axial. Son de una sola dirección.

Rodamientos para cargas mixtas

Rodamiento de simple efecto y contacto oblicuo

Además del esfuerzo radial, puede soportar cargas axiales en una sola dirección. La capacidad de carga axial aumenta al hacerlo el ángulo de contacto, que se define como el ángulo que forma la normal al contacto de la bola con el aro exterior, con la perpendicular al eje del rodamiento.

Rodamiento de doble efecto y contacto oblicuo

Tiene la misma forma de trabajo que el rodamiento de simple efecto y contacto oblicuo salvo que puede soportar cargas axiales en ambos sentidos.

Rodamiento de rodillos cónicos

Constan de dos aros entre cuyas pistas de rodadura son guiados rodillos cónicos. Su capacidad de carga axial está por el ángulo de la pista de rodadura del aro exterior. Cuanto mayor es este ángulo, mayor es la capacidad de carga axial del rodamiento.

Trenes de engranajesUn tren de engranaje es el resultado de disponer dos o más arboles paralelos provistos de diversas ruedas dentadas de modo que al menos dos de ellas giran solidariamente sobre el mismo árbol.

Los trenes de engranajes se utilizan cuando:

La relación de transmisión que se quiere conseguir difiere mucho de la unidad.

Los ejes de entrada y de salida de la transmisión están muy alejados. Se quiere que la relación de transmisión sea modificable.

La clasificación de los trenes de engranajes, como cualquier otra clasificación, es un tema muy subjetivo, en la medida en que depende del criterio o criterios elegidos para realizarla. A partir de consideraciones de índole cinemática, una posible clasificación puede ser:

Trenes ordinarios: que, a su vez, pueden dividirse en: -Trenes ordinarios simples. - Trenes ordinarios compuestos. Estos, así mismo, podrán ser recurrentes o norecurrentes.

Trenes epicicloidales: que pueden subdividirse en: - Trenes epicicloidales simples. - Diferenciales.

- Trenes epicicloidales de balancín. Trenes mixtos: en los que coexisten los dos tipos de trenes de engranajes

anteriores

Además También se puede diferenciar entre trenes reductores y multiplicadores, según que la relación de transmisión sea menor o mayor que la unidad.

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Trenes ordinarios

Trenes ordinarios simples: Se dice que un tren ordinario es, además, simple cuando cada eje contiene únicamente una rueda.

En este caso, se cumple:W1·z1 = -W2·z2, ω2·z2 = -W3·z3, … = …, Wn-1·zn-1 = -Wn·zn donde todas las ruedas deben tener el mismo módulo y la relación de transmisión que sedesea conseguir es μ = } ωn/ω1.�- Multiplicando entre sí los términos de la derecha y de la izquierda de las ecuaciones obtenemos la siguiente relación:

- El número de dientes de las ruedas intermedias no influye en el valor absoluto de larelación de transmisión (μ). Son las llamadas ruedas parásitas: pueden servir parainvertir el sentido de giro final (el signo de la relación de transmisión) o para modificar la distancia entre los ejes de entrada y salida.- Otra posible aplicación de los trenes ordinarios simples tiene lugar en el caso de que sedesee tener más de un eje de salida de movimiento, para una sola entrada.

Trenes ordinarios compuestos: Se dice que un tren ordinario es compuesto cuando, al menos, uno de los ejes es común a varias ruedas.

La relación fundamental que extrae de este tren es la siguiente:

Además hay que recalcar que en un tren de engranajes compuesto no es necesario que todas las ruedas tenga el mismo módulo.

Se dice que un tren de engranajes ordinario compuesto es recurrente cuando el eje de salida (S) y el de entrada (E) son coaxiales. En un tren de este tipo, y con ruedas exteriores, se verifica que: R1 + R2 = R3 + R4; o bien:mA·(z1 + z2) = mB·(z3 + z4) de donde, si las ruedas no están corregidas, los módulos habrán de cumplir que:

En trenes ordinarios compuestos no recurrentes (Fig. 9.4) con excentricidad “e” entre el eje de entrada y el de salida, la condición a cumplir será: R1 + R2 + e = R3 + R4 es decir:

Tren epicicloidal

Tren epicicloidal es aquel tren de engranajes en el que alguna rueda gira entorno a un eje que no es fijo, sino que gira en el espacio:- Al brazo que gira se le llama portasatélites.- A la rueda que gira alrededor de dicho eje se la denomina satélite. El sistema, de esta manera, tiene dos grados de libertad que se restringen a uno haciendo girar al satélite alrededor de una rueda fija o central. En el caso de los trenes epicicloidales, también cabe hablar de trenes recurrentes o no recurrentes, según que los ejes de entrada y salida sean o no coaxiales.

Para resolver el problema cinemática se procede de la siguiente manera:- Nos situamos sobre el brazo porta satélites, para estudiar el movimiento relativo respecto del mismo (es decir lo convertimos en el eslabón de referencia). Desde el punto de vista analítico, ello equivale a introducir una velocidad –ω3 (siendo ω3 la velocidad de giro del brazo portasatélites) al conjunto del sistema.- El brazo, de esta forma, se queda fijo, la rueda fija gira con velocidad –ω3 y la ruedasatélite 4 con velocidad ω4 – ω3.- El resultado es, por tanto, un simple caso de un par de ruedas o tren ordinario (si existenruedas intermedias):

Dentro de los trenes de engranajes epicicloidales una de los principales y mas utilizados es el diferencial.

Diferencial

Un diferencial es el elemento mecánico que permite que las ruedas derecha e izquierda de un vehículo giren a revoluciones diferentes, según éste se encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia el otro.

Cuando un vehículo toma una curva, por ejemplo hacia la derecha, la rueda derecha recorre un camino más corto que la rueda izquierda, ya que esta última se encuentra en la parte exterior de la curva.

Antiguamente, las ruedas de los vehículos estaban montadas de forma fija sobre un eje. Este hecho significaba que una de las dos ruedas no giraba bien, desestabilizando el vehículo. Mediante el diferencial se consigue que cada rueda pueda girar correctamente en una curva, sin perder por ello la fijación de ambas sobre el eje, de manera que la tracción del motor actúa con la misma fuerza sobre cada una de las dos ruedas.

El diferencial consta de engranajes dispuestos en forma de "U" en el eje. Cuando ambas ruedas recorren el mismo camino, por ir el vehículo en línea recta, el engranaje se mantiene en situación neutra. Sin embargo, en una curva los engranajes se desplazan ligeramente, compensando con ello las diferentes velocidades de giro de las ruedas.

La diferencia de giro también se produce entre los dos ejes. Las ruedas directrices describen una circunferencia de radio mayor que las no directrices, por ello se utiliza el diferencial.

Un vehículo con tracción en las cuatro ruedas puede tener hasta tres diferenciales: uno en el eje frontal, uno en el eje trasero y un diferencial central.

En el hipotético caso de que ambos ejes sean directrices, el que tenga mayor ángulo de giro describirá un radio mayor.

Caja de cambios

En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (suele ser llamada sólo caja) es el elemento encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con diferentes

relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de tracción generalmente es la reducción de velocidad de giro e incremento del

par motor.

En función de que la velocidad transmitida a las ruedas sea mayor, la fuerza disminuye, suponiendo que el motor entrega una potencia constante: dado que potencia es trabajo por unidad de tiempo y, a su vez, trabajo es fuerza por distancia, una distancia mayor (derivada de la mayor velocidad) tiene por consecuencia una fuerza menor. De esta manera la caja de cambios permite que se mantenga la velocidad de giro del motor, y por lo tanto la potencia y par más adecuado a la velocidad a la que se desee desplazar el vehículo.

La caja de cambios tiene la misión de reducir el número de revoluciones del motor e invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando las necesidades de la marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del embrague, en transmisiones manuales; o a través del convertidor de par, en transmisiones automáticas. Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión.

Constitución de la caja de cambios:1. Árbol primario: Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el

motor. Habitualmente consta de un único piñón.2. Árbol intermedio: Consta de varias coronas con libertad de movimiento axial

en el árbol, pero sin libertad de movimiento en sentido tangencial. La posición axial de cada rueda es controlada por la palanca de cambios y determina qué par de ruedas engrana entre el secundario y el intermediario

3. Árbol secundario: Consta de varias coronas con libertad de movimiento axial en el árbol, pero sin libertad de movimiento en sentido tangencial. La posición axial de cada rueda es controlada por la palanca de cambios y determina qué par de ruedas engrana entre el secundario y el intermediario

4. Eje de marcha atrás: Dispone de una rueda loca que se interpone entre los árboles intermediario y secundario para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. Para poder engranar el eje de marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal.

Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición gris, aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos el diferencial, así como de recipiente para el aceite de engrase.

En varios vehículos como algunos camiones, vehículos agrícolas o automóviles todoterreno, se dispone de dos cajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un embrague intermedio. En la primera caja de cambios se disponen pocas relaciones de cambio hacia delante, normalmente 2, (directa y reductora); y una marcha hacia atrás, utilizando el eje de marcha atrás para invertir el sentido de rotación.

La lubricación puede realizarse mediante uno de los siguientes sistemas:

Por barboteo. Mixto. A presión. A presión total. Por cárter seco.

Tipos de cajas de cambios: Manuales o automaticas

Manuales: Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aquellas que se componen de elementos estructurales (y funcionales), rodamientos, etc. de tipo mecánico. En este tipo de cajas de cambio, la selección de las diferentes velocidades se realiza mediante mando mecánico, aunque éste puede estar automatizado.

Los elementos sometidos a rozamiento ejes, engranajes, sincronizadores, o selectores están lubricados mediante baño de aceite (específico para engranajes) en el cárter aislados del exterior mediante juntas que garantizan la estanqueidad.

Los acoplamientos en el interior se realizan mediante mecanismos compuestos de balancines y ejes guiados por cojinetes. El accionamiento de los mecanismos internos desde el exterior de la caja -y que debería accionar un eventual conductor- se realizan mediante cables flexibles no alargables o varillas rígidas. La conexión cinemática entre el motor y la caja de cambios se realiza mediante el embrague.

Dentro de este grupo se encuentra la caja de cambios manual automatizada de doble embrague DSG -en alemán Direkt Schaltgetriebe- del Grupo Volkswagen y la caja de cambios automática de doble embrague en seco DDCT -en inglés Dual Dry Cluth Transmision- de Fiat Group Automobiles, las cuales permiten el funcionamiento en modo manual o automático, además de obtener una velocidad de transmisión entre marchas muy superior al contar con la presencia de dos embragues, uno encargado de las marchas pares y el otro de las impares (y marcha atrás).

Automaticas: La caja automática es un sistema que, de manera autónoma, determina la mejor relación entre los diferentes elementos, como la potencia del motor, la velocidad

del vehículo, la presión sobre el acelerador y la resistencia a la marcha, entre otros. Se trata de un dispositivo electro hidráulico que determina los cambios de velocidad; en el caso de las cajas de última generación, el control lo realiza un calculador electrónico.

Mientras que la caja de cambios manual se compone de pares de engranajes cilíndricos, la caja automática funciona con trenes epicicloidales en serie o paralelo que conforman las distintas relaciones de transmisión