Engranajes cónicos: Los engranajes cónicos se utilizan para cambiar el ángulo o la dirección del empuje en un motor o sistema en 90 grados. Se pueden utilizar para cambiar la dirección de un eje de giro sobre un eje vertical a un eje de giro sobre un eje horizontal. Existen varios tipos de engranes pero entre los cuatro más usados están los engranajes cónicos de dientes rectos. Estos engranajes se fabrican a partir de un trozo de cono, y presentan los dientes formados en superficies cónicas por medio de fresado de su superficie exterior. Los dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Estos efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un mismo plano, generalmente en ángulo recto, por medio de superficies cónicas dentadas. Los dientes convergen en el punto de intersección de los ejes. Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°. Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas en forma de reparación. En la actualidad se usan escasamente.

Sistema de dientes: Un sistema de dientes es una norma que especifica las relaciones que implican la cabeza, la raíz, la profundidad del trabajo, el espesor, del diente y el ángulo de presión. Al principio estas normas se planearon para posibilitar el intercambio de engranes con cualquier numero de dientes con el mismo ángulo de presión y paso. En la siguiente tabla se listan las proporciones estándar de dientes para engranes cónicos de dientes rectos. Los tamaños se aplican al extremo mayor del diente.

Elemento  Formula

Profundidad de trabajo  

Hk=2.0/P
Tolerancia

 c= (0.188/ P) + 0.002plg

Cabeza del engrane

 aG= (0.54/P) + (0.460/ P (m90)2

Relación de engranes

 mG= NG/ NP

Relación equivalente a 90º

m90= mG cuando ∑= 90ºm90= mG (cosγ/cosΓ) cuando ∑≠90º
Ancho de la cara

F= Ao/3 ò F=10/P, el que sea menor

Tabla de proporciones de dientes para dientes de engranes cónicos rectos.

Terminología: El paso de engranes cónicos se mide en el extremo mayor del diente y el paso circular, y el diámetro de paso se calcula de la misma manera que en los engranajes rectos. Observe que la tolerancia es uniforme. Los ángulos de paso definen por los conos de paso uniéndose en el ápice, como se muestra en la figura, y están relacionados con los números de dientes como se indica: tan γ= NP/NG tan Γ= NG/NP Donde los subíndices P y G se refieren al piñón y a la corona, respectivamente; y donde γ y Γ son, respectivamente, los ángulos de paso del piñón y de la rueda.
En la figura se ilustra la forma de los dientes, cuando se proyectan en el cono posterior, esta es la misma que en un engrane recto con un radio igual a la distancia al cono posterior rb. A esta se le denomina aproximación de Tredgold. El número de dientes en dicho engrane imaginario es:

N’= 2π rb / P

Donde N’ es el numero virtual de dientes y p es paso circular medio en el extremo mayor de los dientes. Los engranes cónicos rectos estándares se cortan con un ángulo de presión de 20º, su cabeza y raíz son desiguales y sus dientes son de tamaño completo. Esto incrementa la relación de contacto, evita el rebaje e incrementa la resistencia al piñón.

Análisis de fuerzas en los engranes cónicos: Al determinar las cargas en el eje y en los cojinetes para aplicaciones de engranes cónicos, la práctica usual consiste en utilizar la carga tangencial o transmitida que ocurriría si todas las fuerzas estuvieran concentradas en el punto medio del diente. Aunque la resultante real ocurre en algún ocurre en algún punto entre el punto medio y el extremo mayor del diente, solo hay un pequeño error al hacer esta suposición. Para la carga transmitida esto da:

Wt = T/ rprom; donde T es el par de torsión y rprom es el radio de paso en el punto medio del diente para el engrane bajo consideración.

Las fuerzas que actúan en el centro del diente se dan en la figura. La fuerza resultante W tiene tres componentes: una fuerza tangencial Wt, una fuerza radial Wr y una fuerza axial Wa. Por medio de la trigonometría de la figura:
Wr:= Wt tan ø cosγ

Wa= Wt tan ø senγ

Las tres fuerzas Wt, Wr y Wa; son perpendiculares entre si y se emplean para determinar las cargas de los cojinetes mediante los métodos de la estática.
Esfuerzo y resistencia a la flexión: En un montaje típico de engranes cónicos, uno de ellos se monta con frecuencia por fuera de los cojinetes. Esto significa que las deflexiones del eje pueden ser más pronunciadas y tener un efecto mayor sobre el contacto de los dientes. Hay otra dificultad que se presenta al calcular el esfuerzo en los dientes de engranes cónicos. Es el hecho de que los dientes están ahusados. Por lo tanto, para lograr un contacto de línea perfecto, pasando por el centro del cono, los dientes deben flexionarse más en el extremo mayor que en el menor. Para lograr esta condición se requiere que la carga sea proporcionalmente superior en el extremo mayor. Debido a esta carga variable a través de la cara del diente es deseable tener un ancho de cara razonablemente corto. La ecuación para el esfuerzo por flexión en engranes rectos se utiliza también en el caso de los cónicos y se repetirá aquí por conveniencia.

Б= Wt P KuFJ

Donde las relaciones están basadas en el extremo mayor de los dientes.
Precaución: la carga transmitida Wt debe calcularse utilizando el radio de paso en el extremo de los dientes.

Aplicaciones de los engranajes cónicos rectos: Actualmente se utilizan en pocos diseños nuevos; sino en reconstrucciones de transmisiones de ejes perpendiculares en donde existían antes engranes cónicos rectos. Sin embargo, existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes, desde los más pequeños usados en relojería hasta los de más grandes dimensiones, empleados, por ejemplo, en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fábricas de cemento, entre otros. El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado. Los encontramos en las centrales de producción de energía eléctrica, hidroeléctrica y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automóviles, transporte marítimo en buques de todas clases, aviones, en la industria siderúrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros, fábricas de cemento, grúas, montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria textil, de alimentación, de vestir y calzar, industria química y farmacéutica, etc., hasta los más simples movimientos de accionamiento manual. Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que tiene por única finalidad la transmisión de la rotación o giro de un eje a otro distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del primero. Incluso, algunos engranes coloridos y hechos de plástico son usados en algunos juguetes educativos.

Engranajes helicoidales: Los engranajes helicoidales y cónicos-helicoidales están diseñados para aplicaciones difíciles tales como los transportadores en la minería, plantas papeleras, extrusoras, coladas continuas o grúas de puertos. Estos engranajes deben proporcionar un alto nivel de fiabilidad operativa en condiciones difíciles, como entornos calientes, húmedos y polvorientos, a velocidad muy baja y con cargas pesadas. El reto consiste en mejorar el rendimiento, haciendo posible al mismo tiempo una producción modular rentable. 

Tipos de engranajes helicoidales

Helicoidales de Dientes Paralelos: Se emplea para transmitir movimiento o fuerzas entre ejes paralelos, pueden ser considerados como compuesto por un número infinito de engranajes rectos de pequeño espesor escalonado, el resultado será que cada diente está inclinado a lo largo de la cara como una hélice cilíndrica. Los engranajes helicoidales acoplados deben tener el mismo ángulo de la hélice, pero el uno en sentido contrario al otro (Un piñón derecho engrana con una rueda izquierda y viceversa). Como resultado del ángulo de la hélice existe un empuje axial además de la carga, transmitiéndose ambas fuerzas a los apoyos del engrane helicoidal. Para una operación suave un extremo del diente debe estar adelantado a una distancia mayor del paso circular, con respecto al a otro extremo. Un traslape recomendable es 2, pero 1.1 es un mínimo razonable (relación de contacto). Como resultado tenemos que los engranajes helicoidales operan mucho más suave y silenciosamente que los engranajes rectos.

Engranajes Helicoidales de ejes cruzados: Son la forma más simple de los engranajes cuyas flechas no se interceptan teniendo una acción conjugada (puede considerárseles como engranajes sinfín no envolventes), la acción consiste primordialmente en una acción de tornillo o de cuña, resultando un alto grado de deslizamiento en los flancos del diente. El contacto en un punto entre diente acoplado limita la capacidad de transmisión de carga para este tipo de engranes. Leves cambios en el ángulo de las flechas y la distancia entre centro no afectan al a acción conjugada, por lo tanto el montaje se simplifica grandemente. Estos pueden ser fabricados por cualquier máquina que fabrique engranajes helicoidales.

Engranajes helicoidales dobles: Los engranajes "espina de pescado" son una combinación de hélice derecha e izquierda. El empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los engranajes helicoidales es una desventaja de ellos y ésta se elimina por la reacción del empuje igual y opuesto de una rama simétrica de un engrane helicoidal doble. Un miembro del juego de engranes "espina de pescado" debe ser apto para absorber la carga axial de tal forma que impida las carga excesivas en el diente provocadas por la disparidad de las dos mitades del engranaje. Un engrane de doble hélice sufre únicamente la mitad del error de deslizamiento que el de una sola hélice o del engranaje recto. Toda discusión relacionada a los engranes helicoidales sencillos (de ejes paralelos) es aplicable a loso engranajes de helicoidal doble, exceptuando que el ángulo de la hélice es generalmente mayor para los helicoidales dobles, puesto que no hay empuje axial.

Tornillo Sin fin: El tornillo sinfín es un mecanismo de transmisión circular compuesto por dos elementos: el tornillo (sinfín), que actúa como elemento de entrada (o motriz) y la rueda dentada, que actúa como elemento de salida (o conducido) y que algunos autores llaman corona. La rosca del tornillo engrana con los dientes de la rueda de modo que los ejes de transmisión de ambos son perpendiculares entre sí. El funcionamiento es muy simple: por cada vuelta del tornillo, el engranaje gira un solo diente o lo que es lo mismo, para que la rueda dé una vuelta completa, es necesario que el tornillo gire tantas veces como dientes tiene el engranaje. Se puede deducir de todo ello que el sistema posee una relación de transmisión muy baja, o lo que es lo mismo, es un excelente reductor de velocidad y, por lo tanto, posee elevada ganancia mecánica. Además de esto, posee otra gran ventaja, y es el reducido espacio que ocupa. El tornillo es considerado una rueda dentada con un solo diente que ha sido tallado helicoidalmente (en forma de hélice). A partir de esta idea, se puede deducir la expresión que calcula la relación de transmisión:

Donde Z representa el número de dientes del engranaje.

Este mecanismo no es reversible, es decir, la rueda no puede mover el tornillo porque se bloquea.

Aplicaciones: En nuestra vida cotidiana lo podemos ver claramente en las clavijas de una guitarra. En este caso, la cuerda es recogida con precisión por eje de transmisión de una pequeña rueda dentada que es conducida por un tornillo que gira gracias a la acción de la clavija.

No podemos olvidar el limpiaparabrisas, que se acciona gracias a este mecanismo.