Selección del módulo de engranaje: clasificación y ángulo de presión
Módulo m = d/z, el parámetro de engranaje más fundamental. Cubre la clasificación y selección de engranajes rectos, helicoidales, cónicos, de tornillo sin fin y planetarios.
Notas de sesión — Fundamentos de diseño de engranajes: tipos y selección de módulo
Fecha: 2026-07-04 | Tema: Fundamentos de diseño de engranajes | Sesión: 1/?
Selección de módulo: el parámetro central
El módulo se define como m = d/z — diámetro primitivo dividido por el número de dientes. Es el parámetro de engranaje más fundamental, y acertar con él determina el coste, el ruido y la durabilidad.
| Especificación | Detalle |
|---|---|
| La resistencia a flexión escala con el módulo | un módulo mayor produce una raíz del diente más gruesa, lo que aumenta la resistencia a flexión. |
| Se aplica el principio del módulo mínimo | elegir el módulo más pequeño que aún cumpla los requisitos de resistencia, ya que esto reduce el coste y disminuye la vibración. |
| Serie de módulos estándar según GB/T 1357 | 0.5, 0.6, 0.8, 1, 1.25, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 8, 10… |
- Los recuentos de dientes coprimos preferidos ayudan a evitar el desgaste periódico; el piñón normalmente lleva 17-25 dientes (≥17 para evitar el socavado).
Ángulo de presión y desplazamiento de perfil
Opciones de ángulo de presión
Tres ángulos de presión cubren la mayoría del trabajo de diseño:
- 20° — la opción estándar, que equilibra la resistencia de la raíz frente a la relación de deslizamiento.
- 14.5° — un estándar más antiguo; el engrane es más suave pero la raíz es más débil.
- 25° — se usa para engranajes de servicio pesado; la resistencia de la raíz aumenta pero también lo hace la relación de deslizamiento.
Variantes de desplazamiento de perfil
- Desplazamiento positivo (x>0): el espesor del diente crece, mejora la resistencia a flexión, se evita el socavado.
- Desplazamiento negativo (x<0): el espesor del diente se reduce, lo que permite ajustar la distancia entre centros.
- Desplazamiento igual: x1 + x2 = 0, por lo que la distancia entre centros permanece sin cambios.
- Desplazamiento angular: x1 + x2 ≠ 0, por lo que la distancia entre centros cambia.
Clasificación de engranajes y selección de aplicación
- Tipo Engranajes rectos: Estructura simple, sin empuje axial, económicos de fabricar
- Aplicaciones típicas: Accionamientos de baja velocidad, cajas de engranajes de máquinas herramienta
- Tipo Engranajes helicoidales: Engrane suave, alta capacidad de carga, empuje axial presente
- Aplicaciones típicas: Alta velocidad y servicio pesado, transmisiones automotrices
- **Tipo **Engranajes cónicos****: Transmisión de potencia entre ejes que se intersecan, mecanizado complejo
- Aplicaciones típicas: Diferenciales, mecanismos de dirección
- Tipo Engranajes de tornillo sin fin: Alta relación de reducción, capacidad de autobloqueo, baja eficiencia
- Aplicaciones típicas: Mecanismos de elevación, dispositivos de indexación
- Tipo Engranajes planetarios: Compactos, alta densidad de potencia, estructura compleja
- Aplicaciones típicas: Cajas de engranajes de aerogeneradores, articulaciones de robots
Ideas prácticas
Idea 1: El piñón es siempre el eslabón débil
Dentro de cualquier par de engranajes, el piñón lleva menos dientes, acumula más ciclos de tensión de flexión y, por lo tanto, enfrenta el mayor riesgo de fallo. Recomendaciones prácticas:
- Dar al piñón una dureza ligeramente superior — 30-50 HB por encima del engranaje.
- Aplicar una compensación de desplazamiento de perfil positivo al piñón; el engranaje toma desplazamiento negativo o cero.
- Combinación de materiales: el piñón puede usar 20CrMnTi cementado, mientras que el engranaje usa 40Cr templado y revenido.
Idea 2: Trampa en la selección de módulo
Los clientes a menudo insisten en que “a mayor módulo, más fuerte”, pero un módulo sobredimensionado introduce varias penalizaciones:
- Mayor altura del diente → mayor relación de deslizamiento → desgaste más rápido
- Relación de contacto reducida → menor suavidad de transmisión
- Mayor coste de la pieza en bruto
Estrategia correcta: Bajo la premisa de una resistencia a flexión adecuada, priorizar un módulo más pequeño + un ancho de cara apropiadamente mayor.
Idea 3: Engranajes internos vs externos
El engrane de engranajes internos (comúnmente usado en portadores planetarios) tiene un radio de curvatura mayor y una tensión de contacto menor, pero es más difícil de mecanizar (mortajado/brochado), y el recuento de dientes está limitado por la interferencia (z_inner - z_outer ≥ 8-10).
Tabla de referencia rápida
Esquemas comunes de combinación de materiales (Grado 7, carga y velocidad medias):
| Módulo recomendado | Rango de potencia | Piñón | Engranaje | Tratamiento térmico |
|---|---|---|---|---|
| 2-3 | ≤5 kW | 45# templado y revenido | 45# templado y revenido | Temple por inducción de la superficie del diente |
| 3-5 | 5-30 kW | 40Cr templado y revenido | 45# templado y revenido | Nitruración del piñón |
| 4-8 | 30-100 kW | 20CrMnTi | 40Cr templado y revenido | Cementación y temple |
| 6-12 | ≥100 kW | 20CrNi2Mo | 35CrMo | Cementación y temple |
Reflexión de hoy
“Al diseñar engranajes, no mires solo la resistencia de la pieza individual — considera el equilibrio de vida del par. Un engranaje que nunca falla emparejado con un piñón que falla en tres meses hace que todo el sistema de transmisión sea no apto.”
Avance de la próxima sesión: Materiales de engranajes y tratamiento térmico — ¿Cómo seleccionar científicamente la profundidad de la capa cementada?
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