Mecanismos: Engranajes

Incluso antes de la Revolución Industrial, los engranajes de un tipo u otro se han puesto a trabajar a favor y en contra de nosotros. Desde las antiguas ruedas hidráulicas y los molinos de viento que molían el grano y el lino machacado, hasta los trenes motrices que impulsan las máquinas de guerra, desde las máquinas de asedio hasta los principales carros de combate, los engranajes han sido partes esenciales de casi todos los dispositivos mecánicos jamás construidos. La próxima entrega de nuestra serie sobre Mecanismos analizará brevemente los engranajes y sus aplicaciones.

Como suele ser el caso, la evolución es el mejor inventor, y un mecanismo de engranajes que une las patas traseras de los insectos saltahojas jóvenes es anterior a la invención humana de los engranajes por un par de miles de millones de años. El uso humano de engranajes se remonta al menos al siglo III a. C. en China, y la tecnología se extendió rápida y ampliamente. En unos pocos cientos de años, los engranajes metálicos mecanizados con precisión habían permitido construir dispositivos de engranajes complejos como el mecanismo de Antikythera en Grecia.

En su forma más simple, un engranaje no es más que una rueda con algún tipo de dientes tallados en su circunferencia. Los dientes tienen el tamaño y la forma necesarios para engranar con los dientes de otros elementos mecánicos para transmitir el par. Los engranajes múltiples conectados en serie se denominan tren de engranajes, y si los diámetros de los engranajes en el tren de engranajes son diferentes, el par transmitido será proporcional a la diferencia. Por lo tanto, si el engranaje impulsor tiene un diámetro de 1 cm y el engranaje impulsado tiene un ancho de 10 cm, el tren de engranajes aumentará el par 10 veces mientras reduce la velocidad de rotación en un factor de 10.

Para contrarrestar esto, los dientes se pueden cortar en ángulo con respecto al eje de rotación. Sesgar los dientes de esta manera alrededor de la circunferencia del engranaje da como resultado un patrón helicoidal, de ahí el nombre de engranaje helicoidal. Los engranajes helicoidales no solo son más silenciosos, sino que también se pueden cruzar para transmitir potencia en ángulo recto. La contrapartida es que, debido a los dientes torcidos, los engranajes helicoidales imparten empuje a lo largo de sus ejes. El empuje se puede manejar usando cojinetes de empuje, como los cojinetes de rodillos cónicos, o usando dos engranajes helicoidales con direcciones de dientes opuestas en el mismo eje para cancelar el empuje axial. Esto da como resultado el hermoso engranaje en espiga que se ve en muchas aplicaciones de alta potencia, como las turbinas eólicas.

Durante mucho tiempo, la producción de engranajes metálicos fue un proceso complejo que involucraba múltiples pasos de mecanizado para producir dientes con la geometría deseada. Los dientes se pueden cortar mediante cualquier número de operaciones de mecanizado, como brochado, fresado, moldeado o rectificado.

Pero el corte de engranajes requiere mucho tiempo y es costoso, por lo que la mayoría de los engranajes en la actualidad se producen mediante algún tipo de operación de moldeo. Los engranajes de plástico del tipo que odiamos ver cuando miramos el interior de una herramienta eléctrica construida con un precio determinado se fabrican fácilmente mediante moldeo por inyección y, a pesar de su mala reputación, pueden resultar en trenes de engranajes perfectamente reparables, si no especialmente duraderos. Pero los engranajes de metal también se pueden moldear, y los engranajes de metal en polvo ahora ocupan una gran parte del mercado.

Los engranajes de metal en polvo se producen llenando un molde con polvo de aleación de metal muy fino mezclado con aglutinantes y lubricantes. El polvo en el molde es comprimido por un ariete hidráulico con una herramienta que se adapta a la forma del molde, y la tremenda presión fusiona las partículas de metal en un sólido lo suficientemente fuerte como para ser manipulado. Luego, las partes verdes se calientan para fusionar permanentemente las partículas en la parte metálica final que, en muchos casos, está lista para usar sin más mecanizado.

Si bien la pulvimetalurgia está fuera del alcance de la mayoría de las tiendas de artículos para el hogar, cualquier persona con acceso a algunas máquinas herramienta básicas puede hacer engranajes de bricolaje. Nunca nos cansaremos de ver a [Chris] mecanizar los engranajes y piñones del reloj Clickspring, y aunque esos engranajes son altamente especializados para el mundo de la metrología, muchos de los mismos principios se aplican a engranajes para otras aplicaciones. La impresión 3D también está haciendo posibles los trenes de engranajes personalizados, y los resultados pueden ser sorprendentemente sólidos en las condiciones adecuadas. Y no se olvide de las fresadoras CNC, que producen engranajes grandes y pequeños en todo tipo de materiales.

Es difícil siquiera rascar la superficie de lo que implica la ingeniería detrás de los engranajes (geometría de los dientes, ángulos de presión, líneas de contacto) y tampoco podemos cubrir los engranajes realmente interesantes, como los impulsores armónicos y los engranajes epicicloidales. Pero esto es al menos un comienzo, y una muestra de lo que te espera cuando comienzas a agregar engranajes a tus construcciones. ¡Abre las compuertas de increíbles proyectos de equipo en los comentarios!