Transmissions by gears are present in sectors as diverse as the automobile, aeronautics, mining or steel, among many others.

Then we will know what gear transmissions consist of, what are the parameters of their design or what materials are used for their manufacture.

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What are gear transmissions: definition

Transmissions by gears are mechanisms formed by two cog wheels that are coupled tooth by tooth and are called crown (in the case of the largest) and pinion (in the case of the small). One acts as a motor or driver, and the other as a driver.

They are widely used in precision machinery due to the accuracy, as compared to other gears, that they achieve in the transmission ratio.

The high torque at high speeds is obtained thanks to the rigidity and great surface hardness of different materials, highlighting the hardened steel, under a surface cementing treatment.

Transmissions by gears stand out for their accuracy in the transmission ratio, which makes them ideal for precision machinery

The transmission ratio in a transmission by gears can be established by the formula rt = ω2 / ω1, where:

• ω1 is the speed of rotation the driving wheel
• ω2 is the speed at which the driven wheel turns.
• It is called the drive shaft or 'input' to the driving wheel solidary to the input shaft and 'output' to the wheel attached to the output shaft and driven

Advantages of gear transmissions

Gear transmissions replace belts and pulleys in numerous uses, especially industrial, due to the advantages they represent:

• They avoid the possibility of landslides. Even at high speeds, gear transmissions can operate without the risk of slippage or "skidding" due to the voltage generated in the mechanism. This avoids breakdowns and accidents, in addition to making the transmission of forces more precise.
• They have great power transmission capacity. Not only do they move the power with great efficiency, but they can do it from the axis of a power source to another axis that is far away. This occurs, for example, in internal combustion engines.
• Long life with little maintenance. Transmissions by gears require periodic lubrication with oils so that the heat generated by the friction between the teeth of both crowns does not cause deterioration in the mechanism. With this maintenance it is enough to obtain optimal and prolonged performance.
• Usable in small spaces. Unlike other transmission mechanisms, the gears do not require a large space and can be used in small places or complicated access. This is especially useful in industries such as automotive or vending.

The transmissions by gears avoid the slides, have great capacity of power transmission, a long life with little maintenance and can be used in small spaces

Elements of gear transmissions: tooth geometry

The geometry of the tooth of the wheel of a gear is determined by a series of variables, among which are:

1. Circular step

In the primitive circumference, it is the distance between homologous points corresponding to two teeth that are one after the previous one.

By primitive circumference is meant the circumference through which the gear would roll without sliding. It receives the denomination of p, and can be calculated by adding the thickness of the tooth and the width between two teeth of the wheel that are arranged consecutively.

2. Module

Of this variable, m, depends the good gear of the crown and the pinion.

It corresponds to the formula m = d / Z, where m is the result of dividing the primitive diameter by the number of teeth.

m = d/Z

3. Diametral step or dp

Expressed in inches, it is the quotient between the number of teeth and the primitive diameter.

4. Head circumference or Ra

It is the outer contour reached by the teeth.

5. Standing circumference or Rf

It is the contour that limits the space between the teeth at the bottom.

6. Adendo o ha

Es la distancia radial que existe entre la cabeza del diente y la circunferencia primitiva. También recibe la denominación de ‘altura de cabeza’.

7. Dedendo o hf

Es la distancia radial que existe entre la circunferencia primitiva y la raíz del diente. Es llamada también ‘altura de pie’.

8. Altura total o h

Es el total de las alturas de pie y de cabeza.

9. Juego lateral

Cuando dos dientes se engranan, permanece un espacio libre que recibe la denominación de holgura o juego lateral.

Otras variables relevantes de la geometría del diente son la tolerancia (c); la altura de trabajo (hw); el hueco (e); el espesor del diente (s); la cara del diente; el flanco del diente; la anchura de flanco (b) o el ángulo de presión (α)

Parámetros de diseño en los engranajes

Los principales parámetros que definen la relación de transmisión son:

- Condición de engrane

La condición de engrane se cumple cuando la línea de presión, que es la superficie en la que entran en contacto los dientes, pasa en todo momento por un punto fijo dentro de la línea definida de centros.  En concreto:

• Es la situación en la que la línea imaginaria que une los dos centros de rotación de los engranajes pasa en todo momento por el punto O.
• Este punto 0 es el punto de contacto entre los dos dientes que se engranan en una trazada normal.
• Debe producirse, además, una coincidencia de longitud entre los radios primitivos de los engranajes y la distancias que va del punto O a los centros respectivos.

- Coeficiente de recubrimiento

La relación de contacto (ε) refleja la media de dientes que se mantienen en contacto en todo momento.

Para obtener un funcionamiento eficaz y poco ruidoso, lo habitual es que ε > 1,2

El coeficiente de recubrimiento es el resultado de dividir el arco de acción por el paso base, siendo el arco de acción la suma del arco de aproximación (qa) con el arco de retroceso (qb), y el paso base.

- Relación de transmisión

La relación de transmisión (rt) es el resultado de la división entre la velocidad de salida y la velocidad de entrada (rt = ω2 / ω1).

Dicho de otro modo, es la relación entre las velocidades de rotación de ambos engranajes.

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En ocasiones se emplean transmisiones por engranajes con varias etapas. Según sea la relación entre los dos ejes que se quiera obtener, se utilizará un número concreto de etapas.

¿Cómo se fabrican los engranajes?

El proceso de fabricación de los engranajes se desarrolla en varias fases. En función del tipo de dispositivo que se desee obtener, se seguirán una serie de pautas:

• Mecanizado. El mecanizado de engranajes es el proceso mediante el cual se obtienen las ruedas dentadas, ya sean en materiales metálicos, poliméricos u otros. Las fresadoras y los tornos preparan previamente, en función del uso que vayan a recibir, los engranajes.
• Inyección. La inyección se utiliza para los engranajes de plástico, que se encuentran en un momento de crecimiento debido a las ventajas que ofrece este material. Es un tipo de fabricación que proporciona una alta calidad y la mayor precisión en los parámetros geométricos.

Formas de lubricación de los engranajes

Durante el funcionamiento de un engranaje, la fuerza de choque entre los dientes que se engranan debe ser reducida para asegurar la durabilidad del mecanismo. Por otra parte, esta fuerza produce un rozamiento constante y suele presentar irregularidades en las superficies de esos dientes.

Para que todo ello no reduzca la vida útil de los engranajes y estos se mantengan operativos en óptimas condiciones el máximo tiempo posible se recurre a la lubricación.

Además de para evitar la corrosión de los dientes, la lubricación se emplea para sustraer el calor y disminuir las tensiones por contacto

Las principales formas de lubricación de las transmisiones por engranajes son:

• La inmersión en aceite lubricante
• La lubricación a presión
• La lubricación periódica de acuerdo con un plan de mantenimiento establecido

Tanto la lubricación por inmersión como la lubricación a presión se efectúan en transmisiones cerradas, mientras que la lubricación periódica se reserva para transmisiones abiertas.

¿Cuáles son los materiales de fabricación de los engranajes?

Aceros, plásticos, fundición gris, aluminio…, existen numerosos materiales que se emplean para la fabricación de engranajes.

Dentro de los aceros, podemos diferenciar entre:

• Aceros inoxidables forjados
• Aceros de alta resistencia
• Aleaciones de aluminio fundidas o forjadas
• Otras alternativas son las aleaciones base cobre y las aleaciones de magnesio

Los engranajes fabricados en acero, sometidos posteriormente a un tratamiento de templado y otro de cementación, se emplean cuando se necesitan transmitir grandes fuerzas y en circunstancias de especial exigencia en cuanto a la durabilidad.  

El acero sometido a un tratamiento templado es uno de los materiales más empleados en la fabricación de engranajes

Por otro lado, el uso de plásticos ignífugos está cada vez más extendido,  destacando el policarbonato (PC), la poliamida o el PVC, así como las resinas acetálicas. Entre los no combustibles, los más utilizados son la polieteretercetona PEEK, el politetrafluoroetileno (PTFE) y los polímeros de cristal líquido (LCP).  

Además, ya empiezan a existir polímeros de altas prestaciones, como:

• PPS - Sulfuro de polifenileno
• PEI - Polieterimida
• PVDF - Fluoruro de polivinilideno
• PES - Polietersulfona
• PI - Poliimida
• PPSU - Polifenilsulfona
• PSU - Polisulfona

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Cómo elegir el proveedor y las transmisiones adecuadas

La elección de la transmisión más adecuada determina el éxito de su funcionamiento. Pero no solo eso, sino que el rendimiento de la maquinaria estará condicionado por cuál es el tipo de mecanismo con el que trabaja.

También la precisión y la durabilidad de la propia transmisión dependerá de si el material en el que ha sido fabricado es el idóneo para las condiciones de exigencia en las que va a trabajar.

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