Solución a los problemas de medición del espesor de los dientes de los engranajes
Al igual que los tornillos y los muelles, los engranajes son piezas que se utilizan en un gran número de productos. Según la aplicación, se utiliza una amplia gama de tamaños, formas y materiales de engranajes. Las funciones de los engranajes son igualmente variadas y se utilizan en muchas aplicaciones diferentes, incluyendo no solo el engranaje de engranaje a engranaje, sino también engranajes que engranan con ejes, levas y otras piezas. Todos los engranajes se fabrican con gran precisión.
Sin embargo, a lo largo del uso se producen deformaciones como consecuencia del desgaste. La dimensión del espesor del diente es especialmente importante y afecta tanto a la resistencia como al movimiento del engranaje.
En esta página se explica información básica, como los nombres de las piezas de los engranajes, el concepto de resistencia y los métodos para medir el espesor de los dientes. Además, introduce una solución para la medición del espesor de los dientes, que antes era muy difícil, imprecisa y requería mucho tiempo y trabajo.
- Espesor de los dientes de los engranajes
- Causas de las variaciones del espesor de los dientes de los engranajes
- Problemas en las mediciones convencionales del espesor de los dientes de los engranajes
- Solución de problemas en la medición del espesor de los dientes de engranajes
- Resumen: mejora espectacular y mayor eficacia en la difícil medición del espesor de los dientes de los engranajes
Espesor de los dientes de los engranajes
- A
- Círculo de adición
- B
- Círculo de giro
- C
- Círculo dedendum
- D
- Punto de giro
- E
- Espesor del diente
El espesor del diente es el espesor de un solo diente en el círculo primitivo. Aquí lo explicaremos con el ejemplo de un engranaje recto, el tipo de engranaje más común. La estructura de un engranaje recto es la que se muestra en la figura.
Causas de las variaciones del espesor de los dientes de los engranajes
La carga de flexión (momento flector), la presión de contacto y la carga de compresión se aplican a los dientes del engranaje a medida que el engranaje gira. Cuando un diente engrana con otra pieza, se produce fricción en la superficie del diente y se produce desgaste. Cuando el espesor de los dientes cambia debido a la deformación o al desgaste, el juego aumenta y puede causar ruido, vibraciones u otros problemas. Las cargas y el desgaste deben tenerse plenamente en cuenta cuando se utilizan engranajes. Cuando la dureza es alta y el riesgo de daños por cabeceo es bajo, la resistencia del engranaje viene determinada por la carga de flexión (momento flector). Cuando la dureza es baja o cuando la rueda dentada funciona durante periodos prolongados, la resistencia viene determinada por la resistencia de la superficie del diente.
Cambios en el espesor del diente del engranaje resultantes de la carga de flexión (momento flector)
Se aplica una gran carga a los dientes del engranaje y se denomina “carga de flexión”. La carga de flexión es una carga que se aplica a un solo diente. Cuando la carga de flexión supera la resistencia de la superficie de los dientes de engranajes, los dientes se deforman.
La carga aplicada a un diente de engranaje puede entenderse utilizando la "teoría de vigas" de la mecánica de materiales. En una viga en voladizo, la concentración de tensiones se produce en la raíz de la viga, lo que provoca una gran carga. También en el caso de un engranaje, un diente puede considerarse una viga en voladizo, y la carga aplicada a la raíz se considera una carga de flexión.
- A
- Fijo
- B
- Viga
- C
- Carga
- A
- Punto de giro
La carga de flexión puede calcularse mediante la siguiente fórmula.
M = F × l = σ × Z
- M
- Carga de flexión
- F
- Carga
- l
- Longitud total del diente
- σ
- Esfuerzo máximo de flexión
- Z
- Módulo de sección transversal
Como referencia, el módulo de la sección transversal es el valor de la superficie del diente dividido por seis. El esfuerzo máximo de flexión es el valor de la carga de flexión dividido por el módulo de la sección transversal. Dado que los engranajes tienen formas complejas, no es fácil calcular con precisión su resistencia. Además, también debe tenerse en cuenta la variación de la carga debida a las condiciones de uso.
Resistencia de la superficie de dientes
La resistencia de la superficie de dientes es el límite de presión que puede soportar la superficie del diente. Los engranajes entran en contacto entre sí en los puntos de paso para transmitir la fuerza de rotación. Cuando se produce el contacto entre engranajes, cada diente se ve sometido repetidamente a una gran fuerza, y se produce desgaste o arañazos en las superficies de los dientes. Las pequeñas grietas pueden causar el tipo de daño denominado picadura.
Para evitar estos problemas, calcule la resistencia basándose en la tensión denominada Tensión de Contacto Máxima Hertziana* que resulta de la deformación de la superficie de contacto, y obtenga de antemano la resistencia de la superficie del diente para los engranajes que se van a utilizar.
* Es la tensión máxima aplicada a las partes elásticas en contacto de dos objetos, como una superficie esférica y otra superficie esférica, una superficie cilíndrica y otra superficie cilíndrica, o una superficie esférica y una superficie plana.
Cambios en el espesor de los dientes del engranaje debido al desgaste
Cuando la fricción con la otra parte que engrana con los dientes del engranaje es mayor y se produce desgaste, el espesor de los dientes se reduce y el juego aumenta. Cuando el desgaste sigue aumentando, la contaminación del aceite lubricante se vuelve grave. Aumentan el ruido y las vibraciones, y sube la temperatura del engranaje. Las causas de este desgaste son las siguientes:
- Resistencia insuficiente del engranaje (resistencia de la superficie del diente)
- Fallo de montaje
- Deformación del engranaje, eje u otra pieza
- Defecto del aceite lubricante
El desgaste de los engranajes se refiere a lo siguiente:
- Pulido
- Se eliminan las pequeñas irregularidades de la superficie del diente, dejándola lisa como un espejo.
- Desgaste abrasivo
- Se forman surcos lineales irregulares en la dirección de deslizamiento sobre la superficie del diente, creando marcas de abrasión.
- Raspaduras
- Se trata de un tipo de desgaste abrasivo. Se forman surcos lineales, y la superficie del diente parece como si hubiera sido excavada con un tenedor.
- Puntuación
- La soldadura y el desgarro se producen alternativamente en la superficie del diente, lo que provoca su deterioro.
Problemas en las mediciones convencionales del espesor de los dientes de los engranajes
Los métodos convencionales de medición del espesor de los dientes incluyen la medición del grosor cordal, la medición de la luz de los dientes y la medición sobre el perno, todos ellos medidos con herramientas manuales. También se utilizan sistemas de medición de perfiles y de engranajes. Sin embargo, incluso para un engranaje recto, que es el tipo más fácil de medir, la medición requiere habilidad y tiempo. Además, la medición se vuelve extremadamente difícil en el caso de engranajes con formas complejas, como los engranajes helicoidales o los engranajes cónicos.
Medición del espesor de los dientes de los engranajes con herramientas manuales
En las mediciones convencionales del espesor de los dientes con herramientas manuales, los métodos utilizados son la medición del vano de los dientes y la medición por encima del perno (bola).
- A
- Envergadura de los dientes
- Medición de la envergadura de los dientes
- Este método de medición del espesor de los dientes es el más utilizado. Se sujeta un determinado número de dientes entre las sondas de herramientas de medición como un micrómetro para medir la longitud y calcular el espesor del diente para ese número de dientes. El valor medido puede variar en función de las condiciones de contacto de la herramienta de medición. Dado que el paso y la forma del diente pueden afectar a la medición, deben realizarse múltiples mediciones alrededor de toda la periferia del engranaje, lo que requiere mucho tiempo.
- Medición sobre pines
- Este método de medición del espesor del diente también se llama "medición de bola" Puede utilizarse para medir el espesor del diente de un engranaje externo, así como de un engranaje interno. Durante la medición, los pernos o la bola se colocan en ranuras de dientes de caras opuestas (cuando el número de dientes es par), o en ranuras de dientes opuestas desplazadas 180/z (°) (cuando el número de dientes es impar). En una rueda dentada exterior, el espesor del diente se determina midiendo la dimensión exterior (sobre la dimensión del perno). En el caso de un engranaje interno, se determina midiendo la dimensión interior (diámetro entre espigas).
Problemas en la medición del espesor de los dientes de los engranajes mediante un sistema de medición de perfiles
Un sistema de medición de perfiles mide y registra el perfil de un objetivo trazando su superficie con un lápiz óptico. En los últimos años, se han desarrollado sistemas de medición de perfiles que utilizan un láser en lugar de un lápiz óptico para medir formas complejas trazando el perfil sin contacto. Algunos modelos son incluso capaces de realizar mediciones tanto de la superficie superior como de la inferior.
Sin embargo, con un sistema de medición de perfiles, es necesario adquirir líneas de medición precisas para los dientes del engranaje.
Esto plantea los siguientes problemas:
- El trabajo de medición requiere mucho tiempo, incluido el tiempo necesario para fijar la muestra a la plantilla y nivelarla. También se requieren conocimientos y habilidades relacionados con el uso de sistemas de medición de perfiles para nivelar un objetivo con precisión.
- El lápiz óptico de un sistema de medición de perfiles se mueve hacia arriba y hacia abajo en un arco centrado en el fulcro del brazo del lápiz óptico; la punta del lápiz óptico también se mueve en la dirección del eje X produciendo un error en los datos del eje X.
- Trazar la línea deseada con el lápiz óptico es un trabajo extremadamente difícil, e incluso un ligero desplazamiento del lápiz óptico produce errores en los valores medidos.
- También es difícil aumentar el número de objetivos debido a la necesidad de señalar lugares específicos para la medición.
- Solo se puede medir una parte del objetivo, y no es posible evaluar toda la superficie.
Solución de problemas en la medición del espesor de los dientes de engranajes
Los instrumentos de medición que se suelen utilizar para medir el espesor de los dientes de los engranajes presentan problemas como el tiempo necesario para posicionar el objetivo y el hecho de que la medición de objetivos y áreas tridimensionales se realiza mediante contacto puntual o lineal. Para resolver estos problemas de medición, KEYENCE ha desarrollado el perfilómetro óptico 3D de la Serie VR.
La Serie VR captura con precisión la forma tridimensional de toda la superficie del objetivo sin entrar en contacto con él. También mide la forma tridimensional mediante el escaneado tridimensional del objetivo en el escenario en tan solo un segundo con gran precisión. Es capaz de realizar mediciones instantáneas y cuantitativas sin errores en los resultados de medición. Esta sección presenta algunas ventajas específicas de la Serie VR.
Ventaja 1: no hay variación
Se puede utilizar una amplia gama de herramientas de ayuda para dibujar con precisión líneas de perfil perpendiculares en la pantalla del PC en cualquier ubicación deseada de los datos de forma 3D escaneados. Esto elimina la variación en los resultados de la medición. Por ejemplo, cuando se utiliza la herramienta de eje cilíndrico, la línea de medición en el engranaje puede decidirse con facilidad y precisión sin variaciones.
Una vez escaneada una pieza, su perfil (sección transversal) también puede medirse en ubicaciones distintas de las utilizadas en la medición anterior. Esto elimina la necesidad de fijar y medir de nuevo el mismo objetivo y permite comparaciones con datos anteriores.
La gran variedad de herramientas de ayuda permite una configuración sencilla e intuitiva de las condiciones de medición deseadas. Además de su fácil configuración, las herramientas de asistencia permiten que el sistema sea manejado fácilmente incluso por principiantes, haciendo posible que incluso los operadores que no estén familiarizados con la medición realicen mediciones precisas en tan solo un segundo. Esto permite aumentar fácilmente el número de muestras o realizar análisis de tendencias para mediciones e inspecciones durante la producción comercial, así como I+D, pruebas y evaluaciones.
Ventaja 2: medición del espesor de los dientes de engranajes con formas complejas en tan solo un segundo.
La Serie VR adquiere datos de superficie (800,000 puntos) de la forma del objetivo 3D en tan solo un segundo, lo que reduce drásticamente el tiempo necesario para medir un gran número de puntos. Mide de forma instantánea y precisa las irregularidades superficiales máximas y mínimas en toda la superficie objetivo del engranaje, lo que permite evaluar rápidamente el engranaje en función de la tolerancia preestablecida.
Se pueden mostrar en listas múltiples conjuntos de datos de medición recopilados de forma eficiente, y se puede aplicar el mismo contenido de análisis a todos los conjuntos de datos al mismo tiempo.
Se pueden medir las formas de varios objetivos y confirmar las diferencias en los datos de un vistazo. Esto permite realizar fácilmente análisis cuantitativos y evaluar cuánta diferencia hay entre una pieza OK y una pieza NG.
La Serie VR también puede realizar mediciones rápidas del espesor de los dientes de engranajes helicoidales y cónicos, que antes eran difíciles de medir debido a sus formas complejas. Todos los resultados de las mediciones se digitalizan, lo que reduce considerablemente el trabajo necesario para la posterior comparación y análisis de los datos.
Resumen: mejora espectacular y mayor eficacia en la difícil medición del espesor de los dientes de los engranajes
Anteriormente, la medición del espesor de los dientes de los engranajes llevaba mucho tiempo, lo que limitaba el número de objetivos que podían medirse. En algunos casos, la medición no fue posible en absoluto debido a la complejidad de las formas. La Serie VR también es capaz de medir y cuantificar rápidamente el espesor de los dientes de estas formas. Esto permite utilizar la Serie VR para una evaluación más eficaz y avanzada de la calidad del engranaje.
- Dado que se mide toda la superficie, la Serie VR puede medir fácilmente un área amplia. Además de la forma de la superficie del diente, también puede medir diversos parámetros, como la rugosidad.
- De este modo se elimina la variación derivada de factores humanos, lo que hace posible una verdadera medición cuantitativa.
- Sin necesidad de posicionamiento u otro tipo de preparación, la medición puede realizarse simplemente colocando el objetivo en la plataforma y presionando un botón. Esto elimina la necesidad de asignar un operador especializado para los trabajos de medición.
- Las formas 3D pueden medirse fácilmente a altas velocidades con gran precisión. Esto permite medir un gran número de objetivos en poco tiempo, lo que contribuye a mejorar la calidad.
Este sistema también permite realizar comparaciones con datos de formas 3D anteriores, así como analizar fácilmente datos como la distribución de la rugosidad. Puede utilizarse eficazmente para una amplia gama de fines, como el análisis de tendencias de las características de la superficie de la fractura resultantes de los cambios de temperatura y la comprobación de las condiciones de la fractura.
