Los engranajes cilíndricos, rectos y helicoidales, de perfil de evolvente son, con total seguridad, los elementos de transmisión de potencia entre ejes paralelos más utilizados en la práctica industrial. Y por esta razón, han sido siempre objeto de estudio, tanto para la mejora de los procesos de generación de los dientes como para la evaluación de la capacidad de carga –o potencia transmisible– en condiciones de operación. Resultado de ello, es un elevado grado de desarrollo de la normativa internacional de diseño de engranajes (ISO y AGMA, principalmente), que permite predecir con notable precisión el comportamiento de las dentaduras. A pesar de ello, todas estas normas son objeto en la actualidad de permanente revisión, en busca de modelos cada vez más precisos, que permitan ajustar el diseño a los requerimientos establecidos, con la mayor reducción de costes posible, pero manteniendo los niveles de fiabilidad.
Esta búsqueda incesante de mejoras está llevando a considerar determinados tipos de transmisiones que, aunque conocidos desde hace tiempo, no han sido objeto de particular atención en el pasado; en unas ocasiones por no haberse suscitado la necesidad, en otras porque los inconvenientes que presentaban parecían superar las ventajas que proporcionaban.
El caso tal vez más llamativo sea el de las transmisiones por piñón y corona de dentado interior. Ciertamente, son engranajes que se han utilizado asiduamente; sin embargo, su finalidad ha venido siendo más bien la transmisión de movimiento, y no tanto la transmisión de potencia, como se empieza a demandar en la actualidad. Resultado de ello es, por ejemplo, que la mencionada normativa internacional de cálculo de la capacidad de carga, no contempla este tipo de transmisiones, o no la desarrolla con la suficiente profundidad.
Otro caso destacable es el de los engranajes con interferencia de tallado, también llamados engranajes con penetración. Se trata de dentaduras en las que, durante el proceso de tallado, se produce una eliminación de material en la parte del perfil activo en la base del diente, que obviamente lo debilita e incluso puede llegar a acortar el camino de contacto de la transmisión. Es muy conocido que la interferencia de tallado es fácil de evitar en la fase de diseño (por ejemplo, aumentando el número de dientes, el ángulo de hélice o el desplazamiento de herramienta, entre otras posibilidades), de manera que si es un fenómeno dañino y fácil de evitar, la recomendación ha sido siempre, como parece razonable, que se evite, razón por la cual este tipo de dentaduras tampoco se encuentra recogido en las normas de diseño internacionales, mencionadas más arriba. Sin embargo, se sabe también que existen determinadas posibilidades en el diseño que permiten aumentar el grado de recubrimiento (que representa el número medio de dientes en contacto) pero aumentan la penetración. El caso más claro es la reducción del ángulo de presión de tallado. De esta forma, el diente puede debilitarse en su base, pero si la carga se reparte entre más dientes, la capacidad de carga puede, en determinados casos, aumentar.
Finalmente, empiezan a cobrar interés las transmisiones con alto grado de recubrimiento transversal. Se trata de engranajes en los que el grado de recubrimiento transversal es mayor que 2, de manera que, en cada sección transversal, existen al menos dos dientes en contacto simultáneo. No habían sido objeto de especial atención hasta la actualidad por el hecho de que se requería un procedimiento de fabricación extremadamente preciso que asegurara el contracto simultáneo de tres parejas de dientes; pero es un hecho que estos niveles de precisión están ampliamente garantizados con los modernos procesos de generación. En este caso, la norma ISO 6336 proporciona algunas orientaciones para el cálculo de la capacidad de carga (no así AGMA, que establece expresamente que sus métodos de cálculo no son aplicables a este tipo de engranajes), pero se basan en un modelo de cálculo resistente incompleto, muy débilmente justificado y en exceso conservador, lo que unido a las condiciones de diseño cada vez más restrictivas y a la creciente competitividad de los mercados, la hacen inservible en la práctica.
Esta asignatura de Diseño Avanzado de Transmisiones por Engranajes se orienta al estudio de este tipo de transmisiones avanzadas que se acaban de mencionar, y que tan poco estudiadas han sido en el pasado. Se trata de estudiar su proceso de generación, sus condiciones de operación, y partiendo de los modelos que utilizan las normas ISO y AGMA para engranajes convencionales, desarrollar nuevos modelos para la determinación de su capacidad de carga.
Como es natural, esta asignatura constituye la base fundamental sobre la que se asienta la línea de investigación sobre Transmisiones Avanzadas de Engranajes, que se ofrece en este Máster.
La asignatura Diseño Avanzado de Transmisiones por Engranajes se integra dentro de la oferta de materias optativas del Departamento de Mecánica. En el programa, figura como asignatura optativa en el itinerario en Ingeniería de Construcción y Fabricación, y como obligatoria en el itinerario en Ingeniería Mecánica. Será obligatoria, por tanto, para seguir cualquiera de las cinco líneas de investigación asociadas a este itinerario, y constituye el fundamento específico para la línea de investigación en Transmisiones Avanzadas de Engranajes.
Presenta el cálculo resistente de los dientes de engranaje, por flexión en la base y por presión superficial, del que el alumno tendrá conocimientos previos, como un proceso continuo que, partiendo de la geometría de la herramienta de tallado y del proceso de generación, obtiene en primer lugar la geometría de los dientes del piñón y la rueda, para a continuación, y en función de las condiciones de operación, determinar la distribución de fuerzas, las condiciones críticas de carga y la resistencia a rotura y a picadura.
La asignatura viene a ampliar los conocimientos adquiridos por el alumno durante los estudios de grado, en disciplinas tales como Teoría de Máquinas o Tecnología de Máquinas. A lo largo de su desarrollo se justificarán los métodos de cálculo propuestos por las normas internacionales de diseño de engranajes y se establecerán los fundamentos para el análisis de transmisiones con modificaciones en la geometría o en las condiciones de operación.
Las principales competencias que se pretenden alcanzar son:
Conocimiento de los procesos de tallado por generación de dientes de engranajes.
Capacidad de determinación, a partir de la geometría de la herramienta y de las condiciones de tallado, de las características geométricas de la rueda dentada generada.
Capacidad de simulación de las condiciones de operación a partir de la geometría de las ruedas y de las condiciones de montaje.
Conocimiento de los modelos de cálculo resistente, a flexión en la base y a presión superficial, de las normas internacionales de diseño de engranajes ISO y AGMA.
Destrezas en la aplicación de los métodos energéticos para la determinación de la distribución de carga en la línea de contacto.
Capacidad de desarrollo de modelos avanzados de cálculo resistente.
Habilidades para el diseño y análisis de transmisiones especiales (interferencia de tallado, alto grado de recubrimiento transversal, rebaje de dentadura, etc.).
