ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
ENGRANAJES CÓNICOS
Siendo C1 y C2 las circunferencias primitivas
i =
ω1 / ω2
ω1 / ω2
ω1 / ω2
ω1 / ω2
= R2 /R1 = Z2 / Z1
Como por la figura: R1 = L x sen
β1
β1
β1
β1
R2 = L x sen
β2
β2
β2
β2
sen
β2
β2
β2
β2
i = R2 /R1 =
---sen
β1
β1
β1
β1
β = β1 + β2
β = β1 + β2
β = β1 + β2
β = β1 + β2
sen
ββββ
tg
ββββ
1 =
---i + cos
ββββ
para
ββββ
= 90
°
1
tg
ββββ
2= --- y tg
ββββ
1= i
i
L = R1 / sen
ββββ
1 = R2 / sen
ββββ
2
De la misma manera como se considera el movimiento en los ejes paralelos, se lo hace con los ejes que forman un ángulo b = b1 + b2 que con dos ruedas cónicas que transmiten el movimiento sin resbalamiento y con una relación de transmisión constante
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
Para estudiar el movimiento en los engranajes de ejes paralelos, cortábamos con un plano normal a
ambos ejes de giro de las ruedas, y sobre las circunferencias primitivas analizábamos los tipos de
curvas de los dientes (Curvas conjugadas, en especial la evolvente) luego proyectando
paralelamente a los ejes obteníamos cada diente.
En el caso de los engranajes cónicos LA SECCIÓN NORMAL A AMBOS EJES ES UNA ESFERA CON
CENTRO EN EL PUNTO DE INTERSECCIÓN DE LOS MISMOS y la intersección con esta esfera nos
dará las circunferencias primitivas C1 y C2 en contacto en I siendo OI la generatriz de la esfera, los
ejes cortan a la esfera en O1 y O2
Si ahora analizamos los tipos de curvas, nos encontramos que debemos trabajar sobre una
superficie esférica visto desde el centro O, esto no es posible por no ser la superficie de la espera
desarrollable, (No está generada por una recta)
Debido a este inconveniente, es que con mucha inteligencia, se utiliza el método de los cono
complementarios ó método de Tredhold
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
Nomenclatura y normalización
La longitud b del diente debe ser igual o menor que
1/
Fuerzas y tensiones en los dientes
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
TANGENCIAL
Fx = Fn cos
α =
α =
α =
α =
F
t= 71.620 N / n1 Rpe1
NORMAL
Fn = Ft / cos
αααα
RADIAL-AXIAL
Fy = Ft tang
αααα
sen
β1
β1
β1
β1
AXIAL -RADIAL
Fz = Ft tang
αααα
cos
β1
β1
β1
β1
Métodos de cálculo: Wilfred Lewis
(1892)
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
L
l
R
r
L
R
l
r
=
⇒
=
L
l
p
p
L
p
l
p
c l c l=
⇒
=
dF =
σσσσ
tp
ly dl
Momento torsor respecto eje engranaje:
dF . r =
σσσσ
tp
ly dl r
Variables proporcionales a la distancia desde el
vértice del cono primitivo:
y
dl
L
l
y
p
R
dl
y
L
l
p
L
l
R
dF
t
c
t
c
2
=
=
σ
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
Integrando r variando de 0 a R y l variando entre L y L – b:
+
−
=
=
=
∫
− 2 2 2 23
1
.
L
b
L
b
y
b
p
R
dl
l
L
y
p
R
R
F
M
L t c b L c t t tσ
σ
dl
L
l
y
p
R
dl
y
L
l
p
L
l
R
dF
t c t c 2
=
=
σ
σ
+
−
=
223
1
L
b
L
b
y
p
b
F
tσ
r cb máximo
1/
3
L, b
2/3L
2= 1/27 se desprecia sin error apreciable y teniendo en cuenta la tensión admisible:
−
=
L
b
L
y
p
b
F
b
σ
adm
c
pc paso circunferencial en extremidad mayor y factor de forma con número virtual zvde dientes Ft fuerza tangencial en extremidad mayor
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
Número virtual de dientes (Zi)
2
ππππ
R
1-2= Z
1-2p
2
ππππ ρρρρ
1-2= Z
i
(1-2)p
ρρρρ
1-2
= R
1-2
/ cos
ββββ
1111−−−−2222
Z
1
Z
2
Z
i1
= ---
Z
i2
=
---cos
ββββ
1111
cos
ββββ
2222
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
ecuación de Lewis para cálculos preliminares de diseño
F
b
≥ F
t
Partimos de la igualdad:
F
b= b
[cm]
y p
e[cm]
σ
adm
[Kg/cm
2]
(L – b)/L)= F
t[Kg]
= 71620 N[HP]
/ (n[rpm]
R
e[cm]
)
se considera como buena la siguiente proporción:
2 p
e
< b < 3 p
e
ó 6 M < b < 10 M
Es decir,
b =
ρρρρ
p
e
F
b=
ρρρρ
y p
e
2σ
adm(L – b)/L)
como
D
p= ( p
e
/
π
) Z
Ft = 71620 N / [ n ( p
e
Z / 2
π
) ]
Ft = 450.000 N / ( n p
e
Z )
[ ]
[ ]
[
]
[ ]
3
2
/
6
,
76
b
L
L
n
Z
y
N
p
rpm
cm
Kg
adm
HP
cm
e
−
=
ρ
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
F
b
= F
t
F
b=
ρρρρ
y p
e
2σ
adm
(L – b)/L)
Esfuerzos en los apoyos
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes cónicos
R
med= R- (b/2) sen
ββββ
TANGENCIAL Fx = Fn cosα = α = α = α = Ft = 71.620 N / n1 Rmed1 NORMAL Fn = Ft / cosαααα RADIAL-AXIAL Fy = Ft tangαααα senβ1β1β1β1 AXIAL -RADIAL Fz = Ft tangαααα cosβ1β1β1β1ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes: AGMA
Buckingham
Métodos de cálculo: Flexión en la base
Lewis
Lewis-Barth
Métodos de cálculo: fatiga superficial
Buckingham
Norma AGMA
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
NORMAS P/CALCULO RESISTENCIA
-orientar
-coordinar
-simplificar
-unificar
-reducir costos en tiempo y trabajo
-AGMA (EEUU-1916) 218.01, 2001C95
-DIN (Alemania-1917) 3990
-JGMA (Japón)
402 a 405
-GOST (Rusia)
21354-86
-ISO (Internacional-1947: institutos estandarización
de países: ANSI, IRAM, etc.)
6336
OBJETIVOS
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
hs 30 o F ls’Geometría y Fuerzas para normas ISO; DIN & JGMA
hs
ls’
Geometría y Fuerzas para normas AGMA
hsn 30 o F1 F2 lsn’ hs1 F1 F2 hs2 ls1’ ls2’
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
“Este estándar de AGMA y publicaciones relativas están basados en datos, condiciones o
aplicaciones típicos o promedio. Los estándares están sujetos a mejoramiento, revisión o
anulación continuos, según lo dicte la experiencia acrecentada. Cualquier persona que consulte
publicaciones técnicas de AGMA deberá cerciorarse de que obtenga la información más reciente
disponible de la asociación acerca del tema en cuestión.”
“El conocimiento y el juicio que se requieren para evaluar los diversos factores nominales vienen
de años de experiencia que se ha ido acumulando en el diseño, fabricación y operación de
unidades de engranaje. Los factores empíricos dados en este estándar son de naturaleza
general. Las normas de aplicación de AGMA pueden utilizar otros factores empíricos que se
adecuen más estrechamente al uso particular. Esta norma está orientada al diseñador
experimentado de engranes, capaz de seleccionar valores razonables para estos factores. No
está dirigido hacia el uso masivo de la ingeniería pública en general.”
Métodos de cálculo: norma AGMA
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
•
Dos ecuaciones fundamentales válidas para engranajes
rectos, helicoidales, doble helicoidales y cónicos:
–
Para el esfuerzo flexionante
–
Para la resistencia a la picadura (contacto)
I
C
C
F
D
C
C
C
W
C
s
m
f
v
a
t
p
c
=
σ
J
K
K
K
F
K
P
K
K
W
d
s
m
B
I
v
a
t
t
=
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
Para el esfuerzo flexionante
Las suposiciones para las cuales la ecuación fue derivada son:
- La relación de contacto está entre 1 y 2
- No hay interferencia ni rebaje del diente por encima del inicio teórico del flanco activo.
- Hay juego circunferencial.
- Los radios de acuerdo del diente son estándar.
-Se desprecian las fuerzas de rozamiento.
(El método analizado a continuación es válido para engranajes externos)
Modifica la ecuación de Lewis teniendo en cuenta, entre otra cosas:
- Efecto de la fuerza radial
- Concentración de tensiones en la base del diente
- Los efectos de tener varios dientes en contacto
- Carga aplicada en forma dinámica
Lewis-Barth:
F
t
≤
F
b
= b y p
σ
adm
K´
v
σ
t
= F
t
/ b y p K´
v
≤
σ
adm
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
y
p
b
K
F
v
t
t
1
1
´
=
σ
Para adecuar nomenclatura y comparar:
- F
tlo llamo Wt
- b lo llamo F
- p
utilizo en su lugar P
d
= π / p
- π y lo llamo J´
´
1
´
F
J
P
K
W
d
v
t
t
=
σ
´
1
´
F
J
P
K
W
d
v
t
t
=
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
Lewis-Barth
AGMA
Hay tres grupos de términos:
- el primero está relacionado con la carga
- el segundo con el tamaño de los dientes
- el tercero con la distribución de esfuerzos
J
K
K
K
F
K
P
K
K
W
d
s
m
B
I
v
a
t
t
=
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
lg] [ ] [ ] [ min] / [ ] [ ] [126000
33000
pu rpm HP pie HP lb tD
n
N
V
N
W
=
=
Carga tangencial transmitida:
J
K
K
K
K
K
K
F
P
W
v
I
B
m
s
a
d
t
pu
lb
t
]
2
lg
/
[
=
σ
Cuidado con las unidades!!
J
K
K
K
K
K
K
m
F
W
v
I
B
m
s
a
t
cm
Kg
t
]
2
/
[
=
σ
] [ ] [ ] [ ] [71620
cm rpm HP Kg tR
n
N
W
=
US SIDiametral Pitch:
lg]
/
1
[
pu
d
P
Módulo:
]
[cm
m
Ancho:
lg]
[ pu
F
]
[cm
F
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
J
K
K
K
K
K
K
s
m
B
I
v
a
t
t
FFFF
PPPP
WWWW
dddd
=
σ
Los factores empíricos K, reflejan cada uno el daño extra causado por un efecto particular no uniforme identificable separadamente:Sistema motriz Sistema impulsado Uniforme Choques moderados Choques intensos Uniforme 1,00 1,25 ≥ 1,75 Choques ligeros 1,25 1,50 ≥ 2,00 Choques medianos 1,50 1,75 ≥ 2,25
Factor
dinámico
(K
v):
fuerzas
internas
generadas por imprecisiones en fabricación
y engrane de los dientes
(exactitud perfil
diente, elasticidad material y velocidad). Es
función
del
grado
de
calidad
Qv
del
engranaje (tolerancia de fabricación).
Factor de sobrecarga (K
a): W
tes el valor promedio
de la carga transmitida, la carga máxima real puede
ser varias veces mayor debido a choques.
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
(
)
1 2 1 2in ft/min
in m/s
200
B v v BA
V
A V
K
C
A
V
A
V
+
=
=
+
(
)
2 3 50 56(1 ) 12 for 6 11 4 v v A B Q B Q = + − − = ≤ ≤(
)
(
)
2 max 2 3 ft/min 3 m/s 200 v v V A Q A Q = + − + − = 50 in ft/min, 2500 ft/min 50 50 = in m/s, 13 m/s 50 200 v K V V V V V V = < + < +5
vQ
≤
Para V mayor que los valores máximos dados, utilice engranajes de mayor calidad
J
K
K
K
K
s
m
B
I
t
FFFF
PPPP
KKKK
KKKK
WWWW
dddd
vvvv
aaaa
tttt
=
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
Factor de tamaño (Ks): considera falta de uniformidad de las propiedades del material.
(p, d, b, relación del tamaño entre los dientes y el diámetro de la rueda, esfuerzos, profundidad del temple superficial )
La recomendación de la AGMA es que se utilice un factor igual a la unidad “para la mayoría de los engranajes siempre que se haga una elección adecuada del acero para el tamaño de la pieza y el tratamiento térmico y el proceso de templado o endurecimiento.”
Pd M Ks ≥5 ≤5 1.00 4 6 1.05 3 8 1.15 3 12 1.25 1.25 20 1.40
Factor de distribución de carga (Km): toma en cuenta desalineamientos (de
los ejes, inexactitudes de los dientes, deflexiones elásticas causadas por la carga en ejes o árboles, cojinetes o en el alojamiento). Los errores pueden combinarse de tal manera que el contacto con el engranaje oponente sea menor que el ancho íntegro de la cara, o que el contacto sea completo, pero carente de uniformidad.
J
K
K
B
I
t
mmmm
ssss
dddd
vvvv
aaaa
tttt
KKKK
FFFF
KKKK
PPPP
KKKK
KKKK
WWWW
=
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
Factor de geometría (J): evalúa la forma (o perfil) del diente, la posición
en la cual se le aplica la carga más peligrosa, concentración de tensiones y repartición de la carga entre uno o más pares de dientes
J = Y / ( K
fm
N)
Y : factor de forma
Kf : factor de concentración de tensiones
mN: relación de repartición de carga en los dientes
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
R B tt
m
h
=
2
3.4 for 0.5
1.2
1 for
1.2
1 for solid gears
B B B B
k
m
m
m
= −
+
≤
≤
=
>
=
tR= espesor aro desde raíz del diente ht= altura completa del diente
relación de respaldo
JJJJ
KKKK
FFFF
KKKK
PPPP
KKKK
KKKK
WWWW
dddd
ssss
mmmm
vvvv
aaaa
tttt
I
B
t
K
K
=
σ
El factor de flexión del aro KB considera los casos de engranes de gran
diámetro, hechos con un aro y radios en lugar de un disco sólido; dicho aro posee un espesor delgado en comparación con la altura de los dientes. La AGMA define una relación entre el espesor del aro y la altura de los dientes:
Para la relación mBno se recomienda valores menores de 0.5
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
JJJJ
KKKK
KKKK
FFFF
KKKK
PPPP
KKKK
KKKK
WWWW
dddd
ssss
mmmm
BBBB
vvvv
aaaa
tttt
I
t
K
=
σ
El factor de engranaje intermedio KI considera que un engranaje de este tipo está sujeto a la vez a más ciclos de esfuerzo por unidad de tiempo, y a cargas alternantes más elevadas:
s
intermedio
engranajes
para
42
.
1
=
I
K
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
R
T
L
at
pu
lb
adm
K
K
K
]
lg
/
[
2σ
σ
=
adm
t
σ
σ
≤
Esfuerzo admisible según el material (en tablas)
Cuando está sujeto a sobrecargas intensas, momentáneas y poco frecuentes, se determina por sus propiedades de resistencia al límite de fluencia
Es un esfuerzo de diseño con 10 millones de ciclos (107) de
operación con carga y 99% de confiabilidad (1 falla c/100 muestras).
Factor de confiabilidad (KR): asegurar alta confiabilidad, o
en algunos casos permitie diseñar con ciertos riesgos calculados Confiabilidad KR 0,9 0,85 0,99 1,00 0,999 1,25 0,9999 1,50 Confiabilidad KR Alta >=3,00 Diseño normal 1,33
Factor de Confiabilidad KR(fatiga)
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
RRRR
a
t
a
t
a
t
a
t
KKKK
σσσσ
]
lg
/
[
2T
L
pu
lb
adm
K
K
=
σ
Factor de duración (KL): las resistencias están basadas en 107 ciclos de carga en los dientes. El objetivo del factor de
duración consiste en modificar dichas resistencias para obtener duraciones distintas. Cuando el criterio sea el de la resistencia a la fluencia el factor de duración vale 1.
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
RRRR
LLLL
a
t
a
t
a
t
a
t
KKKK
KKKK
σσσσ
]
lg
/
[
2T
pu
lb
adm
K
=
σ
Factor de temperatura (KT): ajusta valor del esfuerzo admisible tomando en consideración la
temperatura. En los engranajes en los que el aceite o los cuerpos de los engranes trabajan con temperaturas que no exceden de 250°F (120°C), al factor de temperatura se le puede asignar el valor de 1. Para acero, con temperaturas de trabajo entre 70 y 150°C:
donde TF es la temperatura
máxima de trabajo del aceite en °F
6
2
0
6
2
0
6
2
0
6
2
0
TTTT
4
6
0
4
6
0
4
6
0
4
6
0
FFFF+
=
TK
Actualmente se tiene toda la información necesaria para calcular el esfuerzo real flexionante y comparar este esfuerzo con el máximo admisible.
adm
t
σ
σ
≤
Se deberá utilizar las ecuaciones de resistencia a la flexión separadamente para el piñón y la rueda si son fabricados de materiales diferentes o tienen un tratamiento térmico diferente. De otro modo, solo se tiene que diseñar el piñón ya que el engranaje más grande tiene mayor factor de geometría J.
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
AGMA
I
D
b
F
C
p
t
c
1
=
σ
Buckingham
Para el esfuerzo de contacto
I
C
C
F
D
C
C
C
W
C
s
m
f
v
a
t
p
c
=
σ
Para adecuar nomenclatura y comparar:
- Ft lo llamo Wt - b lo llamo F
F
D
I
W
C
p
t
c
=
σ
1-Ley de distribución de presiones según Hertz
2-Distribución de la presión hidrodinámica (cuerpos indeformables)
3-Distribución real de presiones (cuerpos deformados, en movimiento y actuando una capa de lubricante)
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
I
C
C
F
D
C
C
C
W
C
s
m
f
v
a
t
p
c
=
σ
lg] [ ] [ ] [ min] / [ ] [ ] [126000
33000
pu rpm HP pie HP lb tD
n
N
V
N
W
=
=
Carga tangencial transmitida:
Ancho:
lg]
[ pu
F
Diámetro:
lg]
[ pu
D
Coeficiente elástico:
−
+
−
=
2 2 2 1 2 1 ] 2 lg / [1
1
1
E
E
C
p lb puν
ν
π
Factor de geometría:
1
2
cos
+
=
G Gm
m
sena
a
I
1 2/ D D m siendo G =ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
IIII
FFFF
DDDD
WWWW
CCCC
t
t
t
t
pppp
s
m
f
v
a
c
C
C
C
C
C
=
σ
Factor de tamaño (Cs) = KsFactor de distribución de carga (Cm) = Km Factor dinámico (Cv) = Kv
Factor de aplicación (Ca) = Ka
Factor de condición superficial (Cf) : depende del acabado superficial
(según sea afectado por el cortado, acepillado, pulimentado, rectificado, etc.), de los esfuerzos residuales y de los efectos plásticos (endurecimiento por el trabajo). Puede tomarse como la unidad, a menos que las pruebas o experiencias en el sitio de trabajo indiquen otra cosa.
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
R
T
H
L
ac
pu
lb
ad
C
C
C
C
]
lg
/
[
2σ
σ
=
ad
c
σ
σ
≤
Esfuerzo admisible según el material (en tablas)
Factor de temperatura (CT) = KT
Factor de confiabilidad (CR) = KR
Factor de duración (CL): las resistencias están
basadas en 107 ciclos de carga en los dientes.
El objetivo del factor de duración consiste en modificar dichas resistencias para obtener duraciones distintas.
1
(
1)
H GC
= +
A m
−
3 3 3 0 if 1.2 8.98(10 ) 8.29(10 ) if 1.2 1.7 6.98(10 ) if 1.7 Bp Bg Bp Bp Bg Bg Bp Bg H H H H A H H H H − − − < = − ≤ ≤ > Para piñones endurecidos superficialmente con dureza > 48 RC y para una dureza del engrane entre 180 y 400 HB:
1 (450 ) H g C = +B −HB 0.0112 4 0.052 4 7.5(10 ) (US units) 7.5(10 ) (SI units) q q R R e B e − − =
Rq= RMS rugosidad superficial del diente del piñón en µin rms
RRRR
TTTT
LLLL
a
c
a
c
a
c
a
c
CCCC
CCCC
CCCC
σσσσ
H
pu
lb
ad
C
]
lg
/
[
2=
σ
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
Factor de relación de dureza (CH) : tiene en cuenta la diferencia de durezas entre piñón y engrane y se utiliza sólo para el
engrane. Es función de la dureza de los dos engranes y de la relación de velocidades.
Actualmente se tiene toda la información necesaria para calcular el esfuerzo de contacto y comparar este esfuerzo con el máximo admisible. Los coeficientes de seguridad previstos para esfuerzos de flexión y recomendados en las normas AGMA son iguales que los orientados para los esfuerzos de contacto.
ELEMENTOS DE MÁQUINAS – Cálculo de engranajes : AGMA
ad
c
σ
σ
≤
Las mismas expresiones son válidas para engranajes helicoidales; fundamentalmente varían los coeficientes de forma (J), de montaje (Km) y dinámico (Kv), debido a la nueva geometría y sus ventajas (menor efecto dinámico) y desventajas (fuerza axial). Al coeficiente de geometría (I) del cálculo al desgaste hay que calcularlo debido a que el ángulo de la hélice no está normalizado.
También son válidas para engranajes cónicos; fundamentalmente varían los coeficientes de forma (J), de montaje (Km) y de tamaño (Ks), debido a la nueva geometría y al montaje. El coeficiente elástico (Cp) y de geometría (I) ya que se utilizan las ecuaciones de Hertz para dos esferas en contacto. La fuerza de trabajo se calcula actuando en el diámetro primitivo exterior.