Cómo funcionan las relaciones de transmisión

Ves engranajes en casi todo lo que tiene partes giratorias. Por ejemplo, los motores y las transmisiones de los automóviles contienen muchas marchas. Si alguna vez abre una videograbadora y mira dentro, verá que está llena de engranajes. Los relojes de cuerda, abuelo y de péndulo contienen muchos engranajes, especialmente si tienen campanas o campanas. Probablemente tenga un medidor de potencia en el costado de su casa, y si tiene una cubierta transparente, puede ver que contiene 10 o 15 engranajes. Los engranajes están en todas partes donde hay motores y motores que producen movimiento de rotación. En esta edición de Como funcionan las cosas, aprenderá sobre engranajes, relaciones de engranajes y trenes de engranajes para que pueda comprender qué están haciendo todos los diferentes engranajes que ve.

Los engranajes se utilizan generalmente por una de cuatro razones diferentes:

1. Para invertir la dirección de rotación
2. Para aumentar o disminuir la velocidad de rotación.
3. Para mover el movimiento de rotación a un eje diferente
4. Para mantener sincronizada la rotación de dos ejes

Puede ver los efectos 1, 2 y 3 en la figura anterior. En esta figura, puede ver que los dos engranajes giran en direcciones opuestas, que el engranaje más pequeño gira dos veces más rápido que el engranaje más grande y que el eje de rotación del engranaje más pequeño está a la derecha del eje de rotación del engranaje más grande. El hecho de que un engranaje gire dos veces más rápido que el otro es el resultado de la proporción entre los engranajes, o el relación de transmisión (Consulte nuestra tabla de relaciones de transmisión para obtener más información). En esta figura, el diámetro del engranaje de la izquierda es el doble que el del engranaje de la derecha. Por lo tanto, la relación de transmisión es 2: 1 (se pronuncia "dos a uno"). Si observa la figura, puede ver la relación: cada vez que el engranaje más grande gira una vez, el engranaje más pequeño gira dos veces. Puedes ver que si ambos engranajes tuvieran el mismo diámetro, girarían a la misma velocidad pero en direcciones opuestas..

Comprender el concepto de relación de transmisión es fácil si comprende el concepto de circunferencia de un círculo. Tenga en cuenta que la circunferencia de un círculo es igual al diámetro del círculo multiplicado por Pi (Pi es igual a 3,14159…). Por lo tanto, si tiene un círculo o un engranaje con un diámetro de una pulgada, la circunferencia de ese círculo será de 3,14159 pulgadas. La siguiente figura muestra cómo la circunferencia de un círculo con un diámetro de 1.27 pulgadas es igual a una distancia lineal de 4 pulgadas: Digamos que tenía otro círculo cuyo diámetro era 1.27 pulgadas / 2 = 0.635 pulgadas, y lo rodó en el de la misma forma que en esta figura. Encontrarás que, debido a que su diámetro es la mitad del círculo de la figura, tiene que completar dos rotaciones completas para cubrir la misma línea de 4 pulgadas. Esto explica por qué dos engranajes, una mitad del tamaño del otro, tienen una relación de transmisión de 2: 1. El engranaje más pequeño tiene que girar dos veces para cubrir la misma distancia recorrida cuando el engranaje más grande gira una vez.

La mayoría de los engranajes que ves en la vida real tienen dientes. Los dientes tienen tres ventajas:

1. Evitan el deslizamiento entre los engranajes, por lo que los ejes conectados por engranajes siempre están sincronizados exactamente entre sí..
2. Permiten determinar las relaciones de transmisión exactas: simplemente cuenta el número de dientes en los dos engranajes y divide. Entonces, si un engranaje tiene 60 dientes y otro tiene 20, la relación de transmisión cuando estos dos engranajes están conectados entre sí es de 3: 1.
3. Lo hacen de modo que las pequeñas imperfecciones en el diámetro real y la circunferencia de dos engranajes no importan. La relación de transmisión está controlada por el número de dientes, incluso si los diámetros están un poco desviados..

Para crear relaciones de engranajes grandes, los engranajes a menudo se conectan entre sí en trenes de engranajes, como se muestra aquí:

El engranaje de la derecha (violeta) del tren está hecho en dos partes, como se muestra. Un engranaje pequeño y un engranaje más grande están conectados entre sí, uno encima del otro. Los trenes de engranajes a menudo constan de varios engranajes en el tren, como se muestra en las dos figuras siguientes:

En el caso anterior, el engranaje violeta gira a una velocidad dos veces mayor que el engranaje azul. El engranaje verde gira al doble de velocidad que el engranaje púrpura. El engranaje rojo gira al doble de velocidad que el verde. El tren de engranajes que se muestra a continuación tiene una relación de transmisión más alta:

En este tren, los engranajes más pequeños son una quinta parte del tamaño de los engranajes más grandes. Eso significa que si conecta el engranaje violeta a un motor que gira a 100 rpm (revoluciones por minuto), el engranaje verde girará a una velocidad de 500 rpm y el engranaje rojo girará a una velocidad de 2500 rpm. De la misma manera, puede conectar un motor de 2.500 rpm al engranaje rojo para obtener 100 rpm en el engranaje púrpura. Si puede ver el interior de su medidor de potencia y es del estilo antiguo con cinco diales mecánicos, verá que los cinco diales están conectados entre sí a través de un tren de engranajes como este, con los engranajes con una relación de 10: 1. Debido a que los diales están conectados directamente entre sí, giran en direcciones opuestas (verá que los números están invertidos en los diales uno al lado del otro). Para obtener más información sobre las relaciones de transmisión, visite nuestra tabla de relaciones de transmisión.

Hay muchas otras formas de utilizar los engranajes. Por ejemplo, puede usar engranajes cónicos para doblar el eje de rotación en un tren de engranajes en 90 grados. El lugar más común para encontrar engranajes cónicos como este es en el diferencial de un automóvil con tracción trasera. Un diferencial dobla la rotación del motor 90 grados para impulsar las ruedas traseras:

Otro tren de engranajes especializado se llama tren de engranajes planetarios. Los engranajes planetarios resuelven el siguiente problema. Digamos que desea una relación de transmisión de 6: 1. Una forma de crear esa relación es con el siguiente tren de tres velocidades:

En este tren, el engranaje rojo tiene tres veces el diámetro del engranaje amarillo y el engranaje azul tiene dos veces el diámetro del engranaje rojo (lo que da una relación de 6: 1). Sin embargo, imagine que desea que el eje del engranaje de salida sea el mismo que el del engranaje de entrada. Un lugar común para necesitar esta capacidad del mismo eje es un destornillador eléctrico. En ese caso, puede utilizar un sistema de engranajes planetarios, como se muestra aquí:

En este sistema de engranajes, el engranaje amarillo activa las tres velocidades rojas simultáneamente. Están los tres unidos a una placa, y se acoplan al dentro del engranaje azul en lugar del exterior. Debido a que hay tres engranajes rojos en lugar de uno, este tren de engranajes es extremadamente resistente. El eje de salida se toma de la placa y el engranaje azul se mantiene estacionario. Puede ver una imagen de un sistema de engranajes planetarios de dos etapas en la página del destornillador eléctrico.

Finalmente, imagina la siguiente situación: tienes dos marchas rojas que quieres mantener sincronizadas, pero están a cierta distancia. Puede colocar un engranaje grande entre ellos si desea que tengan las mismas direcciones de rotación:

O puede usar dos engranajes de igual tamaño si desea que tengan una dirección de rotación opuesta:

Sin embargo, en ambos casos, es probable que los engranajes adicionales sean pesados ​​y es necesario crear ejes para ellos. En estos casos, la solución común es utilizar un cadena o un Correa dentada, como se muestra aquí:

Las ventajas de las cadenas y correas son el peso ligero, la capacidad de separar los dos engranajes a cierta distancia y la capacidad de conectar muchos engranajes juntos en la misma cadena o correa. Por ejemplo, en el motor de un automóvil, la misma correa dentada puede acoplar el cigüeñal, dos árboles de levas y el alternador. Si tuviera que usar engranajes en lugar del cinturón, ¡sería mucho más difícil! Para obtener más información sobre las relaciones de transmisión, visite nuestra tabla de relaciones de transmisión.