Engranaje helicoidal
Un engranaje helicoidal es un tipo de engranaje cilíndrico cuyos dientes son helicoidales, que tiene dientes cortados en ángulo con respecto al eje de rotación. Son similares a los engranajes rectos pero ofrecen ventajas tanto en la capacidad de par como en la suavidad de las operaciones. Los engranajes helicoidales transmiten potencia y movimiento entre dos ejes paralelos. Para ello, el paso, el ángulo de presión y el ángulo de hélice de ambos engranajes deben ser iguales; sin embargo, la dirección del ángulo de hélice debe ser opuesta. Los engranajes helicoidales pueden aumentar o disminuir la velocidad y el par del eje giratorio según el tamaño y la disposición de los engranajes.
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¿Qué es el engranaje helicoidal?
Un engranaje helicoidal es un tipo de engranaje cilíndrico cuyos dientes son helicoidales, que tiene dientes cortados en ángulo con respecto al eje de rotación. Son similares a los engranajes rectos pero ofrecen ventajas tanto en la capacidad de par como en la suavidad de las operaciones. Los engranajes helicoidales transmiten potencia y movimiento entre dos ejes paralelos. Para ello, el paso, el ángulo de presión y el ángulo de hélice de ambos engranajes deben ser iguales; sin embargo, la dirección del ángulo de hélice debe ser opuesta. Los engranajes helicoidales pueden aumentar o disminuir la velocidad y el par del eje giratorio según el tamaño y la disposición de los engranajes.
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Ventajas de los engranajes helicoidales
• Una de sus características más atractivas es que los engranajes helicoidales son más silenciosos que otros engranajes. Son muy buscados para grandes operaciones de producción. Esto da como resultado una transición de la máquina más suave y regulada que silencia eficazmente las vibraciones y los golpes.
• También se debería considerar si su proyecto requiere transferencia de potencia entre ejes que no sean paralelos. Los engranajes helicoidales lo permiten, aunque a veces a expensas de la eficiencia.
• Los dientes de los engranajes helicoidales permiten que las fuerzas axiales resistan movimientos de torsión o giro. Por lo tanto, se recomienda el uso de estos engranajes en maquinaria que necesita girar a un ritmo más rápido, transportar grandes cantidades de mercancías o funcionar de forma continua.
• Los proyectos de construcción e instalaciones con maquinaria pesada utilizan frecuentemente este tipo de equipos. Esto se debe a que los engranajes helicoidales pueden soportar un cambio de par mayor que otros tipos de engranajes. Pueden hacer esto gracias a sus dientes de engranaje equilibrados y bien diseñados, que son excelentes para aquellos trabajos exigentes.
• La producción de fuerza es el último beneficio que tienen los engranajes helicoidales sobre los engranajes rectos. Dado que el diente del engranaje espiral está colocado en diagonal y es efectivamente más grande, los engranajes helicoidales pueden soportar más carga que los engranajes rectos. Los engranajes helicoidales ofrecerán mayor resistencia para el mismo tamaño de diente y ancho correspondiente.
• El diseño de engranajes helicoidales ofrece flexibilidad sin dejar de ser duradero. Dependiendo del propósito de la maquinaria, las conexiones de los ejes de estos engranajes pueden ser paralelas o perpendiculares. Hacen factible adaptar la maquinaria a requerimientos específicos, maximizando la productividad.
• Los engranajes helicoidales y las cajas de cambios suelen ser resistentes e ideales para aplicaciones de carga elevada.
• Las industrias del automóvil pueden utilizar estos engranajes para transmitir fuerza y movimiento entre ejes con un ángulo recto o paralelo.
Cómo funcionan los engranajes helicoidales
La ventaja mecánica de los engranajes helicoidales, que es la relación entre el par de salida y el par de entrada en un sistema, se basa en la relación de transmisión. Esta relación se determina comparando la velocidad del engranaje final con la velocidad del engranaje inicial en un tren de engranajes. El principio de conservación de la energía es fundamental para comprender esta relación. Simplificar este análisis implica examinar la potencia conservada dentro del sistema, que conecta las velocidades angulares de los engranajes con sus respectivos pares.
Los engranajes helicoidales cuentan con dientes colocados en un ángulo específico con respecto al eje y la cara del engranaje. Cuando los dientes engranan, el contacto inicial se produce en un extremo y se extiende gradualmente a medida que los engranajes giran hasta que los dientes engranan completamente. Este acoplamiento gradual, con múltiples dientes en contacto a la vez, permite que el engranaje soporte cargas más pesadas.
Gracias a este reparto de carga y acoplamiento gradual, los engranajes helicoidales funcionan de manera más suave y silenciosa en comparación con los engranajes rectos. Esto los hace ideales para su uso en prácticamente todas las transmisiones de automóviles. Además, los dientes en ángulo de los engranajes helicoidales requieren que estén dispuestos en un patrón escalonado o en zigzag para engranar adecuadamente con los dientes de los engranajes adyacentes.
Si bien el ángulo inclinado de los dientes de los engranajes helicoidales mejora el rendimiento, también introduce un contacto deslizante que genera fuerzas axiales y calor, lo que puede reducir la eficiencia. Los dientes en ángulo crean una carga de empuje en el engranaje durante el engrane. Para gestionar esta fuerza de empuje, los sistemas de engranajes helicoidales requieren rodamientos diseñados para soportar la rotación y soportar estas fuerzas axiales. Estos cojinetes, que normalmente son cojinetes de empuje o de rodillos, son generalmente más grandes y más costosos que los cojinetes lisos utilizados con engranajes rectos, ya que deben soportar fuerzas tanto radiales como axiales. La magnitud de las fuerzas axiales está influenciada por el ángulo de la hélice, que normalmente está limitado a 45 grados. Los ángulos de hélice más grandes pueden mejorar la velocidad y proporcionar un movimiento más suave, pero también aumentan las fuerzas axiales.
Partes básicas de engranajes helicoidales
Paso circular normal
El paso circular (p) es la distancia entre los puntos correspondientes de los dientes adyacentes a lo largo del círculo primitivo o la línea de paso.
Espesor circular
El espesor circular (t) se refiere a la longitud del arco entre los dos lados de un diente de engranaje en el círculo primitivo.
ángulo helicoidal
El ángulo helicoidal es el ángulo entre la forma del diente involuta y el plano transversal (el plano de rotación) en el radio de paso.
Diámetro de paso
El diámetro primitivo es el diámetro del círculo en el que se mide el paso, normal al diente o perpendicular al mismo.
La dirección de la hélice
También conocido como avance, este término describe el avance axial del diente por una rotación completa, similar al paso de rosca.
Círculo de tono
El círculo primitivo representa el tamaño efectivo de los dientes del engranaje. Su diámetro es el número de dientes multiplicado por el paso circular. A diferencia de los círculos de punta y raíz, el círculo primitivo es un círculo imaginario que se utiliza como referencia.
Tamaño del paso del círculo
Este es el diámetro del círculo primitivo, también llamado diámetro del círculo primitivo. Representa el círculo de referencia utilizado para determinar el paso de los dientes del engranaje y corresponde a la circunferencia exterior de la rueda de fricción.
Ángulo de presión transversal
El ángulo de presión transversal es el ángulo que forma la proyección de la carga sobre el plano con respecto al eje del eje.
Distancia al centro
Esta es la distancia central estándar, que se extiende o se contrae hasta la distancia central operativa deseada.
Anexo (A)
La adenda (A) es la distancia desde el círculo primitivo hasta el círculo de punta del diente del engranaje. La altura del diente (h) mide la distancia desde el círculo de la raíz hasta la punta, y el módulo del engranaje (m) determina la altura total del engranaje.
Diámetro externo
El diámetro exterior, también conocido como diámetro de la punta, es la circunferencia del círculo formado al conectar las puntas de los dientes.
Dedendum
El dedendum de un engranaje es la distancia desde el radio de paso hasta el radio de raíz en el punto medio de un diente del engranaje.
Profundidad de todo el diente
La profundidad total de un diente, desde el círculo de la raíz hasta el círculo de la punta, se obtiene sumando la adenda y el dedendum.
Diámetro de la raíz
El diámetro de la raíz (RD) es el diámetro del círculo que abarca la parte inferior (raíz) de los espacios entre los dientes del engranaje.
Relación de contacto
Esta cifra excede lo que se puede lograr con engranajes rectos rectos porque tiene en cuenta tanto la superposición de los dientes de la espiral como la superposición helicoidal.
Proceso de fabricación de engranajes helicoidales.
Aunque los dientes de los engranajes se producen comúnmente mediante mecanizado, los espacios en blanco o cilindros iniciales para los engranajes a menudo se crean mediante un proceso más simple llamado fundición. Este proceso implica verter material líquido en un molde de la forma deseada, que luego se deja enfriar y solidificar. Una vez endurecida, la pieza fundida se retira del molde. La fundición es ventajosa por su facilidad e idoneidad para la producción en masa, lo que la hace ideal para crear grandes engranajes helicoidales. Para engranajes muy grandes, a menudo se prefiere la fundición debido a la impracticabilidad de las técnicas de mecanizado para tales tamaños.
Forjar implica manipular metal mediante técnicas como martillar, presionar o laminar utilizando diversas herramientas como prensas, troqueles o martillos. Básicamente, este método implica calentar metal y darle forma para crear un componente o diseño adecuado para aplicaciones específicas. Dependiendo de las necesidades, la forja puede producir tanto piezas en bruto preliminares como engranajes terminados. Para diseños de engranajes básicos, la forja es un método práctico y eficaz.
En teoría, la forja es una técnica excelente para crear engranajes helicoidales destinados a aplicaciones robustas. No obstante, el tamaño y la delgadez de los engranajes están limitados por la fuerza sustancial requerida para la forja. Además, el tratamiento térmico es crucial durante el proceso de forjado para mejorar la resistencia a la fatiga del engranaje final.
La extrusión implica forzar un material a través de una matriz o abertura para inducir la deformación plástica y darle forma a medida que sale. A diferencia del estirado en frío, donde el material se extrae a través de matrices cada vez más pequeñas para reducir su diámetro y mejorar la resistencia a la tracción sin calentarlo, la extrusión a menudo implica calentar el material. Aunque la extrusión suele utilizar menos herramientas, puede que no siempre sea el enfoque más económico.
La metalurgia de polvos implica calentar polvos metálicos compactados justo por debajo de sus puntos de fusión para producir componentes metálicos. Los avances recientes han mejorado significativamente este campo y ahora se utiliza ampliamente en diversos procesos de fabricación, incluida la producción de engranajes.
El proceso comienza con polvo metálico. La etapa inicial le da a todo el polvo la forma deseada. Posteriormente, la siguiente etapa compacta el conjunto para asegurar mejores cualidades mecánicas. Ahora se puede calentar con cuidado todo el conjunto. La pulvimetalurgia es muy eficaz, sencilla y práctica para un gran número de personas. No hay necesidad de posprocesamiento y el producto terminado se podrá utilizar inmediatamente. Sin embargo, existen restricciones de tamaño y peso.
¿Cuáles son los tipos de engranajes helicoidales?
Engranaje helicoidal doble
Los engranajes de doble hélice están diseñados para contrarrestar las fuerzas de empuje axial al tener dos juegos de dientes dispuestos en direcciones opuestas con el mismo ángulo de hélice. Este diseño anula efectivamente las fuerzas axiales, evitando que se transfieran a los rodamientos. Como resultado, estos engranajes ofrecen una alta capacidad de carga y una transmisión confiable. Debido a sus ventajas, los engranajes helicoidales dobles se utilizan comúnmente en sistemas de transmisión de energía para turbinas de gas, generadores, motores primarios, bombas, ventiladores y compresores en maquinaria tanto marítima como de construcción.
Los grandes engranajes de doble hélice generalmente se crean utilizando generadores especializados. Sin embargo, el proceso de mecanizado está limitado por la disposición de los dientes del engranaje, lo que requiere una gestión precisa de la alineación de fases entre los engranajes engranados. El desarrollo de máquinas herramienta multieje con funciones avanzadas ha facilitado la creación de estas formas complejas, lo que ha llevado a la introducción de un proceso conocido como fabricación de engranajes cónicos.
Para abordar la flexión y torsión de los dientes bajo cargas operativas, se realizan ajustes en los ángulos de hélice de muchos engranajes helicoidales simples y dobles con anchos de cara amplios. Estos ajustes garantizan que los ángulos de hélice de dos engranajes engranados coincidan bajo la carga de diseño, lo que se logra variando intencionalmente el proceso de corte para cada engranaje.
Engranaje en espiga
Un engranaje en espiga es un tipo especializado de engranaje helicoidal doble que presenta dos juegos de dientes, uno orientado hacia la derecha y el otro hacia la izquierda, en el mismo engranaje. Este diseño hace que el empuje generado por un conjunto de dientes contrarreste el empuje del otro, lo que da como resultado un patrón en forma de V cuando se ve desde arriba. Este patrón en espiga garantiza que estos engranajes no generen fuerzas axiales adicionales.
Con más de dos dientes engranados simultáneamente, los engranajes en espiga ofrecen los beneficios de una transmisión de potencia suave y silenciosa a altas velocidades. El empuje lateral equilibrado de cada conjunto de dientes mejora su rendimiento en comparación con los engranajes helicoidales estándar. En consecuencia, los engranajes en espiga se utilizan con frecuencia en cajas de cambios de torsión y transmisiones mecánicas de alta velocidad, como las que se encuentran en turbinas de barcos y motores de combustión interna, donde se requiere un cojinete de empuje mínimo.
Piñón y cremallera helicoidal
Un tipo particular de actuador lineal conocido como piñón y cremallera helicoidal transforma el movimiento giratorio del piñón circular en movimiento lineal en la cremallera. Una cremallera es simplemente una barra recta con dientes de engranaje, pero también puede conceptualizarse como parte de un engranaje con un radio infinito. Las cremalleras y los piñones helicoidales son asequibles para movimientos lineales con longitudes de movimiento superiores a 2 metros. Transforman el movimiento de rotación en movimiento lineal cuando se combinan. La cremallera se acciona en línea cuando se gira el piñón. En cambio, si la cremallera se mueve linealmente, el piñón girará.
Los engranajes helicoidales funcionan de manera más silenciosa y eficiente en comparación con los engranajes con dientes rectos porque sus dientes se enganchan con la cremallera de una manera más gradual. Este acoplamiento gradual permite que los engranajes helicoidales manejen cargas mayores debido a la superficie de contacto extendida. Además, los engranajes helicoidales sobre ejes paralelos introducen un componente de empuje debido a sus orientaciones de manos opuestas. Los engranajes de piñón y cremallera, que se encuentran comúnmente en los sistemas de dirección de automóviles, convierten el movimiento de rotación del volante en movimiento lineal, lo que permite que las ruedas giren.
Engranaje de tornillo
Cuando los engranajes helicoidales engranan, muestran una acción helicoidal debido al deslizamiento continuo de los flancos del engranaje en lugar de un simple movimiento de rodadura. En consecuencia, ningún punto de los cuerpos de referencia de los engranajes helicoidales cruzados experimenta un rodamiento puro y sus velocidades circunferenciales varían en diferentes puntos. Los cuerpos de referencia de los engranajes helicoidales son hiperboloides de revolución, creados al girar una línea recta oblicua alrededor de un eje de rotación. Estos engranajes se utilizan normalmente para velocidades y pares moderados, como en los accionamientos de máquinas herramienta.
Los engranajes helicoidales que funcionan dentro del rango de carga y velocidad media generan un ruido mínimo. Para reducir el desgaste causado por el deslizamiento constante de los flancos, a menudo se utiliza aceite para engranajes hipoides como lubricante especializado. No obstante, la trayectoria de los dientes del tornillo genera fuerzas laterales significativas que deben gestionarse adecuadamente mediante el diseño de rodamiento adecuado.
Además de la orientación oblicua de los ejes de los engranajes y el funcionamiento silencioso, los engranajes helicoidales también pueden moverse axialmente dentro de límites bastante amplios sin degradar significativamente la transferencia de potencia. Sin embargo, el uso de engranajes helicoidales perjudica la eficiencia de la transmisión debido a los movimientos de deslizamiento de los flancos. Los engranajes helicoidales son un tipo poco común de engranajes helicoidales. Los engranajes helicoidales proporcionan un contacto lineal de los flancos, a diferencia del caso estándar de un engranaje helicoidal, lo que permite la transmisión de pares mayores.
Engranajes helicoidales
Los engranajes helicoidales están formados por elementos cilíndricos con una rosca exterior en espiral que se acopla con otro engranaje para accionarlo. En este sistema, un tornillo sin fin interactúa con un engranaje. Estos engranajes se utilizan ampliamente en diversas industrias para mejorar el par y lograr reducciones sustanciales de engranajes, con relaciones que a menudo alcanzan 20:1 y, en ocasiones, superan 300:1.
Debido a sus altas capacidades de reducción de engranajes, los engranajes helicoidales suelen exhibir características de autobloqueo; el gusano puede impulsar el engranaje, pero el engranaje no puede invertir el movimiento del gusano. El ángulo poco profundo del gusano crea suficiente fricción para evitar que gire cuando el engranaje intenta girarlo. Estos engranajes se utilizan comúnmente en aplicaciones de reducción de alta velocidad, como en sistemas transportadores, donde la función de autobloqueo también funciona como mecanismo de frenado. Además, se emplean engranajes helicoidales en los diferenciales Torsen®, que mejoran la distribución del par en vehículos de alto rendimiento al ajustar el par aplicado a los neumáticos y mejorar la tracción. Los diferenciales utilizan la fricción generada por el par aplicado a los engranajes helicoidales para lograr su función de polarización del par.
La rueda helicoidal de esta caja de engranajes tiene un diámetro grande y está conectada a los dientes exteriores del eje helicoidal. El eje perpendicular y que no se cruza de la rueda helicoidal es la forma en que el motor produce energía de rotación. Los engranajes engranados pueden provocar una gran reducción de la velocidad ya que pasan unos a través de otros, lo que resulta ventajoso para una amplia gama de aplicaciones. También se utilizan ampliamente para calibrar herramientas, ascensores y portones. Las cajas de engranajes helicoidales también son ideales para situaciones que involucran cargas de choque. En esta categoría se incluyen los dispositivos de servicio pesado, incluidas las cintas transportadoras, la maquinaria de embalaje y el equipo de trituración. Las cajas de engranajes helicoidales también se pueden utilizar en casos donde el ruido es un problema. Las aplicaciones de baja potencia y baja velocidad de los engranajes helicoidales son bien conocidas, pero sólo pueden transmitir una pequeña cantidad de potencia.
Engranajes helicoidales cónicos
Las cajas de engranajes cónicos helicoidales se utilizan normalmente para lograr una rotación de 90-grados del eje de salida en relación con el eje del rotor del motor, aunque también pueden diseñarse para otros ángulos. Estas cajas de cambios pueden tener ejes macizos o huecos. Los engranajes cónicos son particularmente útiles cuando es necesario cambiar la dirección de rotación. Las cajas de engranajes con engranajes cónicos helicoidales son ideales para aplicaciones de alta densidad de potencia que requieren un par de salida significativo. Estas cajas de cambios se distinguen por sus dientes curvos, que están dispuestos dentro de una base cónica en el borde del dispositivo. Este diseño permite un funcionamiento suave y silencioso al facilitar el movimiento de rotación entre ejes no paralelos. Los dientes en espiral se acoplan con otros engranajes helicoidales, y el contacto aumenta gradualmente de un extremo del engranaje al otro a lo largo de cada diente.
Estos engranajes son ideales para aplicaciones que exigen un alto par de torsión y una eficiencia excepcional. Los engranajes helicoidales cónicos también se pueden programar. Debido a su robustez e idoneidad para tareas pesadas, estas cajas de cambios industriales encuentran un amplio uso en sectores como el del hormigón, el acero, el plástico, la automoción y la minería. Las aplicaciones comunes incluyen mezcladoras industriales, polipastos de cable y sistemas de manejo de equipaje. El encaje de los dientes garantiza una potencia y una transferencia de energía estables. Las cajas de engranajes helicoidales cónicas son versátiles y ofrecen una mayor relación de eficiencia en comparación con las cajas de engranajes helicoidales, lo que las hace ideales para diversas aplicaciones exigentes.
Ningbo Zhenhai Yuanyi M&E Manufacture Co., LTD (YME) se estableció en 2007 y tiene más de 16 años de experiencia en el diseño, I+D, fabricación y comercialización de motores. Estamos comprometidos con el desarrollo y las mejoras continuas. Con el rápido desarrollo del negocio de la empresa, nos mudamos con éxito a nuestra nueva dirección con un tamaño de más de 14,000 m2 en 2022, lo que marca un hito emocionante en nuestra historia.
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