Engranajes (ruedas dentadas): definición, tipos y materiales

Engranajes (ruedas dentadas): guía completa sobre definición, tipos, materiales (acero, fundición, aleaciones, plásticos) y aplicaciones para una transmisión eficiente de movimiento.

Los engranajes son piezas mecánicas con dientes cortados diseñados para encajar con los dientes de otra pieza con el fin de transmitir o recibir fuerza y movimiento. Los engranajes también se denominan a veces ruedas dentadas o engranajes. Los dientes cortados también se denominan a veces engranajes.

En la fabricación de engranajes se utilizan numerosas aleaciones no ferrosas, hierros fundidos, pulvimetalurgia e incluso plásticos. Sin embargo, los aceros son los más utilizados por su elevada relación resistencia/peso y su bajo coste.

¿Qué son y para qué sirven?

Un engranaje es un componente mecánico que transmite movimiento y par entre ejes mediante el contacto de sus dientes. Permiten:

• Variar la velocidad (reducción o aumento).
• Multiplicar o disminuir el par (torque).
• Cambiar la dirección del movimiento (p. ej., ejes paralelos a ejes perpendiculares).
• Sincronizar movimientos en mecanismos complejos.

Elementos y parámetros básicos

• Módulo (m): dimensión básica que relaciona el tamaño del diente con el diámetro primitivo.
• Paso circular y paso diametral: medidas de separación entre dientes.
• Ángulo de presión: (típicamente 20° o 14,5°) afecta la distribución de fuerzas y la suavidad del engrane.
• Número de dientes: determina la relación de transmisión y evita el entrelazado (evitar dientes demasiado pocos para ejes pequeños).
• Diámetro primitivo y diámetro exterior: dimensiones geométricas clave.
• Backlash (juego): holgura entre dientes; necesaria para compensar dilataciones y lubricación, pero debe controlarse.

Tipos principales de engranajes

• Rectos (spur): dientes paralelos al eje. Simples y económicos; ruidosos a altas velocidades.
• Helicoidales (helical): dientes inclinados que proporcionan engranamiento progresivo, más silenciosos y con mayor capacidad de carga; generan empuje axial.
• Bevel (cónicos): para ejes que se cruzan (generalmente 90°); pueden ser rectos, helicoidales o hypoid.
• Hipoides: variación de los cónicos con ejes desfasados, usados en transmisiones de automoción por su capacidad de par y suavidad.
• Worm (tornillo sin fin): ofrece grandes relaciones de reducción compactas; puede ser irreversible y tiene deslizamiento entre superficies.
• Engranaje cremallera y piñón: convierten movimiento rotatorio en lineal (y viceversa).
• Planetarios (epicicloidales): permiten relaciones compactas y alta densidad de potencia; comunes en cajas automáticas y reductores compactos.

Materiales y tratamientos

La elección del material depende de la carga, la velocidad, el ruido, la corrosión y el coste.

• Aceros (aleados y al carbono): los más comunes. Se emplean tratamientos superficiales como cementación (carburizing), nitruración o temple por inducción para obtener una superficie dura y un núcleo tenaz.
• Hierros fundidos: buena amortiguación de vibraciones y resistencia al desgaste en aplicaciones moderadas; usados en engranajes grandes y económicos.
• Bronces y aleaciones no ferrosas: resistentes a la fricción y útiles en engranajes sinfín/piñón; buena resistencia a la corrosión.
• Pulvimetalurgia: permite producir geometrías complejas y piezas con buena repetitividad para series medianas y pequeñas.
• Plásticos (POM, nailon, acetal, etc.): silenciosos, ligeros y resistentes a la corrosión; indicados para cargas y temperaturas moderadas y donde se busca reducción de ruido.

Tratamientos térmicos y superficiales: carburizado, nitrurado, temple-inducción, cementación, y tratamientos de capas como revestimientos DLC o fosfatado para mejorar resistencia al desgaste y la fricción.

Fabricación y acabado

• Procesos de corte: hobbing (hobrado), shaping (creep-feed), fresado, brochado.
• Rectificado: para conseguir tolerancias y acabados finos en engranajes de precisión.
• Fundición, forjado e impresión/inyección (plásticos): según el material y la aplicación.
• Acabados: shot peening (para mejorar la vida a fatiga), esmerilado y pulido para reducir puntos de concentración de tensiones y ruido.

Lubricación y mantenimiento

La lubricación es crítica para la vida útil de un engranaje. Tipos de lubricación comunes:

• Aceite en baño o por salpicado para reductores cerrados.
• Circuitos de lubricación forzada con filtrado para aplicaciones industriales exigentes.
• Grasas para engranajes con acceso limitado o velocidades bajas.

Mantenimiento: controlar nivel y calidad del aceite, contaminación por partículas, temperatura de operación, juego (backlash) y alineación. Reparar o sustituir piezas con desgaste, fatiga o dientes rotos.

Fallos comunes y cómo prevenirlos

• Pitting (picado): fatiga de superficie por contactos repetidos; se reduce con materiales adecuados, tratamientos superficiales y lubricación correcta.
• Desgaste abrasivo y por adherencia (scuffing): resultado de lubricación insuficiente o contaminación; evitar sobrecalentamiento y usar aditivos adecuados.
• Rotura de dientes por fatiga: prevenir con diseño correcto (radio de raíz adecuado, factor de seguridad), temple y control de tensiones.
• Desalineación: causa cargas no uniformes y desgaste acelerado; asegurar montajes y cojinetes en buen estado.

Normas y diseño

Existen normas y guías técnicas que ayudan al diseño y selección de engranajes, entre ellas:

• ISO (p. ej., ISO 1328 para tolerancias).
• AGMA (American Gear Manufacturers Association) para criterios de cálculo de cargas y seguridad.
• DIN (normas alemanas) y otras nacionales.

En el diseño se calculan la resistencia a la flexión (criterio de Lewis), la resistencia superficial (pitting), las transmisiones térmicas y la vida útil esperada según cargas y ciclos.

Aplicaciones típicas

• Transmisiones en automoción (cajas de cambios, diferenciales).
• Reductores industriales y bombas.
• Robótica y mecanismos de precisión.
• Aparatos eléctricos (motores reductores), relojería, electrodomésticos.
• Turbinas eólicos y maquinaria pesada (engranajes grandes y planetarios).

Conclusión: Los engranajes son componentes fundamentales en la ingeniería mecánica. Su correcto diseño, elección de material, tratamiento térmico, proceso de fabricación y lubricación determinan su eficiencia, durabilidad y ruido. Conocer los tipos, parámetros y modos de fallo permite seleccionar soluciones óptimas para cada aplicación.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué son los engranajes?

P: ¿Qué otros nombres reciben los engranajes?

P: ¿Cómo se llaman a veces los dientes tallados de los engranajes?

P: ¿Qué materiales se utilizan en la fabricación de engranajes?

P: ¿Cuál es el material más utilizado en la fabricación de engranajes?

P: ¿Por qué se utilizan con frecuencia los aceros en la fabricación de engranajes?

P: ¿Para qué sirven los engranajes?

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