Un diseño exitoso de engranaje helicoidal requiere mucho más que simplemente elegir un tornillo sin fin y contar los dientes de una rueda de transmisión. Un engranaje de tornillo sin fin y su rueda funcionan con un contacto deslizante considerable, lo que convierte la fricción, el calor, la lubricación, el desgaste y la combinación de materiales en aspectos clave del diseño. Al mismo tiempo, los sistemas de transmisión por tornillo sin fin pueden ofrecer una relación de reducción elevada en un espacio compacto y permiten un movimiento preciso y controlado.
Para los ingenieros, la clave consiste en equilibrar la relación de reducción, el ángulo de avance, el módulo, la distancia entre ejes, la eficiencia, el comportamiento de autobloqueo, la holgura, las cargas sobre los ejes y la precisión de fabricación. Esta guía explica cómo interactúan estas variables y cómo transformar un planteamiento teórico Diseño de tornillo sin fin y engranaje helicoidal en un sistema de transmisión práctico.
¿Qué es un engranaje de tornillo sin fin y cómo funciona?
A engranaje helicoidal es un mecanismo de transmisión de potencia compuesto por un elemento similar a un tornillo llamado tornillo sin fin y un componente dentado acoplado denominado rueda de tornillo sin fin. Sus ejes suelen estar dispuestos formando aproximadamente un ángulo de 90 grados.
Cuando el tornillo sin fin gira, su rosca helicoidal empuja contra los dientes de la rueda. Esto hace que la rueda de tornillo sin fin gire.
Ese mecanismo básico de engranaje helicoidal se diferencia de muchos pares de engranajes comunes porque las superficies dentadas experimentan un deslizamiento significativo en lugar de un contacto predominantemente rodante. Esta acción deslizante es responsable de varias de las características más importantes de un sistema de transmisión por tornillo sin fin.
| Característica | Engranaje Helicoidal | Par de Engranajes Convencional |
|---|---|---|
| Movimiento de contacto dominante | Componente de deslizamiento elevado | Mayor contacto por rodadura |
| Fricción | Relativamente alto | Generalmente más bajo |
| Generación de calor | Más significativo | Generalmente más bajo |
| Reducción de una sola etapa | Puede ser muy alta | Generalmente más bajo |
| Sensibilidad a la lubricación | Alto | Moderado a alto |
¿Cómo funciona un engranaje de tornillo sin fin?
La secuencia de funcionamiento de un mecanismo de transmisión por tornillo sin fin es sencillo:
- El eje de entrada hace girar el tornillo sin fin.
- La rosca del tornillo sin fin entra en contacto con los dientes de la rueda de tornillo sin fin.
- Cada revolución del tornillo sin fin hace avanzar la rueda según el número de arranques del tornillo.
- La rueda gira a una velocidad menor.
- El par de salida aumenta en función de la relación de reducción, menos las pérdidas de transmisión.
Esto explica por qué los usuarios que preguntan cómo funciona un sistema de transmisión por tornillo sin fin o cómo funciona un engranaje de tornillo sin fin están realmente interesados en la relación entre el movimiento tipo tornillo, el contacto deslizante y la reducción de velocidad.
Debido a que se produce un deslizamiento considerable entre las superficies en contacto, la fricción genera calor. Esto convierte la selección del lubricante, el acabado superficial, la compatibilidad de materiales y el control térmico en aspectos fundamentales del diseño del engranaje, en lugar de consideraciones secundarias de mantenimiento.
Dibujo simple de un engranaje helicoidal
A dibujo sencillo de un engranaje helicoidal debe identificar al menos:
- De tornillo sin fin
- Rueda helicoidal
- Eje del tornillo sin fin
- Eje de la rueda
- Rotación de entrada
- Rotación de salida
- Rosca o paso del tornillo sin fin
- Dirección del acoplamiento
Un diagrama útil debería dejar claramente establecido que los dos ejes suelen ser perpendiculares y que el tornillo sin fin, con forma de hélice, acciona la rueda dentada.
Texto alternativo sugerido para la imagen: Dibujo sencillo de un engranaje de tornillo sin fin que muestra un mecanismo de tornillo sin fin y rueda dentada
Relación de transmisión del engranaje de tornillo sin fin y geometría básica
El rendimiento de un par de engranajes de tornillo sin fin está determinado por varios parámetros geométricos interrelacionados.
| Parámetro | Función principal |
|---|---|
| El tornillo sin fin comienza | Controla el avance por cada revolución del tornillo sin fin |
| Los dientes de la rueda | Ayuda a determinar la relación de reducción |
| El módulo | Define el tamaño de los dientes |
| Diámetro primitivo | Establece la geometría básica del engranaje |
| Plomo | Avance axial de la rosca del tornillo sin fin |
| Ángulo de avance | Influyen en la eficiencia y en la capacidad de accionamiento inverso |
| Ángulo de presión | Afecta las fuerzas sobre los dientes y el contacto |
| Distancia entre centros | Controla la disposición de la caja de cambios y la posición del engrane |
| Ancho de la cara | Influye en el área de contacto útil |
Un diseño práctico de tornillo sin fin no puede completarse de manera independiente del de rueda helicoidal. El módulo, el paso, los diámetros primitivos, la geometría de los dientes y la distancia entre centros deben ser compatibles en todo el par.
Cómo calcular la relación de transmisión del engranaje de tornillo sin fin
El básico relación de transmisión del engranaje helicoidal es:
Relación de transmisión = Número de dientes de la rueda dentada ÷ Número de arranques del tornillo sin fin
Por ejemplo, considere una rueda dentada de 60 dientes.
| El tornillo sin fin comienza | Los dientes de la rueda | La relación de transmisión |
|---|---|---|
| 1 | 60 | 60:1 |
| 2 | 60 | 30:1 |
| 4 | 60 | 15:1 |
Un tornillo sin fin de dos arranques que acciona una rueda de 60 dientes produce, por lo tanto, una Relación de transmisión de 30:1 entre el tornillo sin fin y la rueda. La misma relación se aplica al calcular una la relación de transmisión del sistema de transmisión por tornillo sin fin, relación de transmisión para un engranaje de tornillo sin fin, o relación de transmisión del engranaje de tornillo sin fin.
Al aumentar el número de arranques, normalmente:
- reduce la relación de reducción,
- se incrementa la velocidad de la rueda para la misma velocidad del tornillo sin fin,
- incrementa el avance del tornillo sin fin,
- aumenta el ángulo de avance,
- tiende a mejorar la eficiencia,
- y reduce la tendencia al autobloqueo.
Por esta razón, la elección del número de entradas nunca debe separarse de los requisitos de eficiencia y de retroceso.
el módulo del engranaje helicoidal
El módulo define el tamaño básico del diente en un sistema de engranajes métrico. Un módulo mayor produce dientes físicamente más grandes y, en general, permite una mayor capacidad de carga, pero también aumenta las dimensiones de los componentes.
Cuando los ingenieros buscan los módulos de los engranajes helicoidales, por lo general se refieren al módulo utilizado para coordinar la geometría de los dientes del tornillo sin fin y de la rueda helicoidal.
la selección del módulo afecta:
- el tamaño de los dientes,
- el diámetro primitivo,
- el diámetro exterior de la rueda,
- la distancia entre centros,
- la resistencia de los dientes,
- la manufacturabilidad.
Por lo tanto, un módulo mayor no es automáticamente mejor. Debe ajustarse al espacio disponible, al tiempo que proporciona suficiente capacidad para el par motor requerido y las condiciones de servicio.
¿Por qué es tan importante el ángulo de avance del tornillo sin fin?
El ángulo de avance es uno de los parámetros más influyentes en de engranaje helicoidal.
Describe la inclinación de la rosca del tornillo sin fin respecto a un plano perpendicular al eje del tornillo. Aunque algunos usuarios simplemente lo denominan el ángulo del tornillo sin fin, el ángulo de avance es el término técnico más útil al hablar de eficiencia, comportamiento de deslizamiento y autobloqueo.
Cambiar el ángulo de avance modifica simultáneamente varias características.
| el Ángulo de Avance | la tendencia de eficiencia | la capacidad de retroceso | la tendencia al autobloqueo | la prioridad típica |
|---|---|---|---|---|
| pequeña | Menor | Menor | Más alto | sostenida / alta reducción |
| Medio | Moderada | Dependiente de la aplicación | Dependiente de la aplicación | reducción general |
| Grande | Más alto | Más alto | Menor | transmisión continua |
Un ángulo de avance pequeño suele aumentar el componente de deslizamiento del movimiento y dificulta que la rueda haga retroceder al tornillo sin fin.
Un ángulo de avance mayor orienta el diseño hacia una mayor eficiencia y un retroceso más fácil.
Esto genera una de las principales compensaciones en los sistemas de transmisión por tornillo sin fin:
Alta reducción y comportamiento de retención frente a eficiencia y capacidad de retroceso.
¿Cómo funciona el autobloqueo en un engranaje de tornillo sin fin?
El autobloqueo describe una condición en la que el tornillo puede accionar la rueda, pero la rueda tiene dificultad para hacer retroceder al tornillo.
Dos conceptos son importantes:
- el Ángulo de Avance, λ
- el Ángulo de Fricción, φ
En un modelo simplificado, el autobloqueo se vuelve posible cuando la resistencia por fricción es suficientemente alta en relación con la geometría del avance del tornillo.
Una interpretación simplificada y comúnmente utilizada indica que la tendencia al autobloqueo aumenta cuando el ángulo de fricción supera el ángulo de avance.
Sin embargo, el comportamiento real también depende de:
- el coeficiente de fricción,
- los materiales del tornillo y la rueda,
- el acabado superficial,
- la lubricación,
- condiciones estáticas frente a condiciones de funcionamiento,
- la temperatura,
- la vibración,
- el desgaste.
Por esta razón, seleccionar únicamente un ángulo de avance bajo no debe considerarse una garantía absoluta de que un mecanismo cargado permanecerá bloqueado de manera segura en todas las condiciones de operación.
El comportamiento de autobloqueo resulta especialmente relevante para:
- los mecanismos de elevación,
- los gatos,
- los sistemas de ajuste,
- los dispositivos de indexación,
- los mecanismos de posicionamiento.
Cuando la retención de carga reviste importancia crítica para la seguridad, aún debe considerarse la estrategia total de frenado y retención a nivel de máquina.
Engranajes de tornillo sin fin de una sola hélice frente a múltiples hélices
Un tornillo sin fin puede tener uno o varios giros helicoidales. Esta diferencia afecta mucho más que simplemente el número de roscas.
| Característica | tornillo sin fin de una sola vuelta | tornillo sin fin de múltiples vueltas |
|---|---|---|
| Plomo | más pequeño | más grande |
| Ángulo de avance | generalmente más pequeño | generalmente más grande |
| la relación de transmisión | Más alto | Menor |
| la velocidad de salida | Menor | Más alto |
| la tendencia de eficiencia | Menor | Más alto |
| la capacidad de retroceso | Menor | Más alto |
| la tendencia al autobloqueo | Más alto | Menor |
Un tornillo sin fin de un solo giro desplaza la rueda una diente por cada revolución del tornillo. Un tornillo de dos giros lo desplaza dos dientes, mientras que uno de cuatro giros lo desplaza cuatro.
¿Cuándo es adecuado un engranaje de tornillo sin fin de una sola hélice?
Las prioridades típicas incluyen:
- una gran reducción de velocidad,
- un movimiento lento y controlado,
- indexación,
- posicionamiento,
- aplicaciones donde es deseable la resistencia al retroceso.
¿Cuándo es adecuado un engranaje de tornillo sin fin de múltiples hélices?
Las prioridades típicas incluyen:
- mayor velocidad de salida,
- mejora de la eficiencia de la transmisión,
- conducciones de servicio continuo,
- aplicaciones donde el autobloqueo no es necesario.
La decisión de diseño es, por lo tanto, un equilibrio entre relación y comportamiento de retención versus velocidad y eficiencia.
tipos de engranajes helicoidales
Las dos familias estructurales importantes son las engranajes de tornillo sin fin cilíndricos y globoides.
Engranaje helicoidal cilíndrico
A engranaje helicoidal cilíndrico utiliza un cuerpo de tornillo sin fin cilíndrico recto con una forma de rosca helicoidal.
Ventajas incluyen:
- geometría relativamente simple,
- fabricación más sencilla,
- costo de producción más bajo,
- adecuación para muchos accionamientos industriales generales.
Su disposición de contacto es menos envolvente que la de un diseño globoide, por lo que suele seleccionarse cuando la capacidad de carga extrema no es el requisito principal.
Engranaje de tornillo sin fin globoidal o de doble envolvente
Un tornillo sin fin globoide presenta una forma similar a un reloj de arena que envuelve parcialmente la rueda de tornillo sin fin.
Esta geometría puede aumentar el área efectiva de contacto y permitir que la carga se distribuya a lo largo de una región de contacto entre dientes más amplia.
Sin embargo, también introduce:
- fabricación más compleja,
- requisitos más estrictos de alineación,
- mayor sensibilidad a las variaciones en la distancia entre ejes y a los errores de montaje,
- costo de producción más alto.
| Característica | Tornillo sinfín cilíndrico | Tornillo sinfín globoidal |
|---|---|---|
| Forma del tornillo sinfín | Cilíndrico | En forma de reloj de arena / envolvente |
| Área de contacto | más pequeño | más grande |
| Capacidad de carga potencial | Moderada | Más alto |
| Fabricación | Más fácil | Más complejo |
| Sensibilidad a la alineación | Menor | Más alto |
| Costo | Menor | Más alto |
La frase engranaje de tornillo sinfín metálico no describe un tipo separado de engranaje de tornillo sin fin. La mayoría de los sistemas de transmisión por tornillo sin fin industriales son metálicos, y su rendimiento depende en gran medida de la combinación de los materiales utilizados en el tornillo y la rueda.
Materiales para engranajes de tornillo sinfín
A diferencia de un par simple de engranajes rectos idénticos, el tornillo sin fin y la rueda de tornillo sin fin suelen fabricarse con materiales cuyas propiedades superficiales son deliberadamente distintas.
Material del tornillo sinfín
El tornillo sin fin debe soportar un contacto deslizante continuo.
Los requisitos importantes incluyen:
- dureza,
- resistencia al desgaste,
- suavidad superficial,
- resistencia suficiente del núcleo,
- estabilidad dimensional.
Una solución común es el acero endurecido o cementado.
La superficie del tornillo sin fin también puede requerir un acabado de precisión, ya que la rugosidad puede aumentar la fricción y acelerar el desgaste de la rueda.
Material de la rueda del tornillo sinfín
La rueda generalmente necesita:
- compatibilidad con el tornillo sin fin,
- buen comportamiento frente al desgaste,
- fricción relativamente baja,
- resistencia al agarrotamiento,
- capacidad de adaptarse a la superficie correspondiente del tornillo sin fin.
Por estas razones, el bronce se asocia ampliamente con las ruedas de tornillo sin fin industriales.
Cómo seleccionar los materiales para el tornillo sin fin y la rueda de tornillo sin fin
| Requisitos de operación | De tornillo sin fin | Rueda del tornillo sinfín | Motivo del diseño |
|---|---|---|---|
| Transmisión industrial general | Acero endurecido | Bronce | desgaste y fricción equilibrados |
| Carga mayor | Acero aleado endurecido | bronce de alta resistencia adecuado | resistencia y durabilidad |
| Servicio ligero/intermitente | Acero | hierro fundido o polímero adecuado | economía cuando las condiciones lo permiten |
| Entorno corrosivo | Acero resistente a la corrosión | material resistente compatible | Durabilidad ambiental |
| Servicio ligero con bajo nivel de ruido | Acero | polímero o bronce adecuados | Amortiguación y reducción del ruido |
La selección final debería considerar:
- Par motor,
- Velocidad,
- Velocidad de deslizamiento,
- Ciclo de trabajo,
- la lubricación,
- la temperatura,
- Corrosión,
- Vida útil deseada,
- Costo de fabricación.
Lubricación y generación de calor en los engranajes de tornillo sin fin
La lubricación es especialmente importante en los sistemas de transmisión por tornillo sin fin, debido a que las superficies dentadas se deslizan extensamente unas sobre otras.
Un lubricante cumple tres funciones fundamentales:
- Reduce la fricción,
- aleja el calor de la zona de engrane,
- Protege las superficies dentadas.
la lubricación deficiente puede contribuir a:
- Marcas,
- Desgaste adhesivo,
- Desgaste excesivo del bronce,
- Sobrecalentamiento,
- Daños superficiales,
- Vida útil acortada.
Dependiendo del diseño de la caja de cambios, la lubricación puede emplear:
- Baño de aceite,
- Lubricación por salpicadura,
- lubricación circulante o forzada.
El sistema adecuado depende de la velocidad de operación, la carga, la orientación de la caja de cambios, la temperatura, el sellado y el ciclo de trabajo.
Eficiencia y calor
Un alto relación de transmisión del engranaje helicoidal no implica necesariamente una alta eficiencia de transmisión.
La eficiencia se ve influenciada por:
- Ángulo de avance,
- el coeficiente de fricción,
- Emparejamiento de materiales,
- el acabado superficial,
- la lubricación,
- Velocidad,
- Carga de operación.
La energía perdida por fricción se convierte en calor.
Por lo tanto, para accionamientos de mayor potencia, los ingenieros pueden necesitar considerar:
- Zona de la caja de cambios,
- Volumen de lubricante,
- Temperatura del aceite,
- Material de la carcasa,
- Flujo de aire,
- Medidas de refrigeración,
- Ciclo de trabajo.
Un sistema de transmisión por tornillo sin fin debe considerarse tanto como una transmisión mecánica como un sistema térmico.
¿Para qué se utilizan los engranajes de tornillo sin fin?
¿Para qué se utiliza un engranaje de tornillo sin fin? En general, Aplicaciones de los engranajes de tornillo sinfín resultan atractivos cuando una máquina requiere una gran relación de reducción, una transmisión compacta en ángulo recto, un movimiento lento controlado o una capacidad limitada de retroceso.
El aplicación del tornillo sin fin y la rueda dentada los sistemas deben analizarse siempre junto con las compensaciones de diseño descritas anteriormente.
| Aplicación | Por qué se utiliza un engranaje de tornillo sin fin |
|---|---|
| Mesa giratoria | Gran reducción y posicionamiento controlado |
| Actuador de válvula | alta relación en un paquete compacto |
| Transportador | reducción de velocidad en ángulo recto |
| Mecanismo de elevación | Alta reducción y posible comportamiento de retención |
| Sistema de ajuste | Movimiento incremental fino |
| Robótica | transmisión compacta y posicionamiento |
| Caja de cambios industrial | gran reducción de etapa única |
| Mecanismo de indexación | Salida lenta y controlada |
Mecanismos de elevación
Para aplicaciones de elevación, entre los factores importantes se incluyen:
- Relación de reducción,
- Características de retención,
- Par de salida,
- Cargas del eje y los rodamientos,
- Medidas de seguridad.
mesas giratorias y equipos de posicionamiento
Aquí, las prioridades cambian hacia:
- Juego lateral,
- Rigidez torsional,
- Repetitividad,
- Movimiento suave,
- Rigidez de los rodamientos.
Transportadores
Un transportador que funciona durante largos periodos puede priorizar más:
- Eficiencia,
- Generación de calor,
- Vida útil del lubricante,
- Desgaste,
- Capacidad de servicio continuo.
Movimiento robótico
La robótica puede requerir:
- Tamaño compacto,
- Alta rigidez,
- Bajo juego lateral,
- reducción controlada,
- baja inercia rotacional.
Por lo tanto, preguntar para qué se utilizan los engranajes de tornillo sin fin y la rueda no existe una respuesta única. El valor del mecanismo depende de cuál de sus características se ajusta a los requisitos de la máquina.
Ejemplos de engranajes de tornillo sin fin
Varios ejemplos de engranajes de tornillo sin fin muestran cómo los requisitos de la aplicación modifican el diseño.
Ejemplo 1: Mesa giratoria
Un motor acciona el tornillo sin fin, mientras que la rueda del tornillo está conectada a la mesa.
prioridades importantes de diseño:
- alta reducción,
- posicionamiento angular,
- Bajo juego lateral,
- rigidez del eje.
Ejemplo 2: Accionador de válvula
El tornillo sin fin reduce la velocidad de entrada del motor o manual y aumenta el par disponible en la rueda.
Prioridades importantes:
- dimensiones compactas,
- alta reducción,
- salida predecible,
- durabilidad.
Ejemplo 3: Mecanismo de ajuste
Un tornillo de ajuste puede requerir un movimiento de salida muy preciso.
El mecanismo de tornillo sin fin proporciona una rotación incremental controlada y puede ayudar a resistir movimientos inversos no deseados.
Ejemplo 4: Junta robótica
A aplicación de la rueda de tornillo en una articulación robótica puede combinar un diseño compacto del reductor con una relación de reducción relativamente grande.
Sin embargo, la holgura y la eficiencia se vuelven más significativas que en un dispositivo básico de ajuste manual.
Estos son más útiles ejemplos de engranajes de tornillo sin fin y rueda que simplemente enumerar industrias, porque cada ejemplo explica por qué se selecciona el engranaje de tornillo sin fin.
orientación de montaje del engranaje de tornillo sin fin
la orientación física del engranaje y rueda de tornillo afecta la lubricación, el calor y las condiciones de los rodamientos.
Tornillo debajo de la rueda
Ventajas:
- acceso fácil a un baño de aceite,
- lubricación confiable a velocidades bajas y moderadas.
Posibles desventajas:
- el tornillo sin fin puede agitar el lubricante,
- la pérdida de potencia y la generación de calor pueden aumentar.
Tornillo sobre la rueda
Ventajas:
- menos agitación del aceite,
- potencialmente más adecuado para operaciones a mayores velocidades.
Posible problema:
- el lubricante aún debe alcanzar de manera fiable la zona de contacto y los rodamientos.
disposición horizontal o lateral
Esto puede ofrecer un compromiso práctico entre:
- la lubricación,
- carga sobre los rodamientos,
- embalaje,
- generación de calor.
| Disposición | Lubricación | Pérdida por agitación | la prioridad típica |
|---|---|---|---|
| Tornillo debajo de la rueda | Muy buena | Más alto | Velocidad baja o moderada |
| Tornillo sobre la rueda | Más exigente | Menor | Velocidad más alta |
| Disposición horizontal | Equilibrado | Moderada | Maquinaria general |
Por lo tanto, la orientación del reductor no puede elegirse únicamente por razones de comodidad en cuanto al embalaje.
fuerzas que actúan sobre un engranaje de tornillo sin fin
Un engranaje de tornillo sin fin genera fuerzas en múltiples direcciones.
Los tres componentes principales son la fuerza tangencial, la radial y la axial.
Fuerza tangencial
La fuerza tangencial transmite el par motor y está directamente relacionada con el par que actúa en el radio de paso.
Fuerza radial
La fuerza radial tiende a separar el tornillo sin fin y la rueda.
Afecta:
- flexión del eje,
- carga sobre los rodamientos,
- rigidez de la carcasa,
- alineación.
Fuerza axial
la fuerza axial actúa a lo largo del eje del árbol.
Las transmisiones por tornillo sin fin pueden generar una fuerza de empuje considerable, lo que hace que el cálculo de la fuerza axial sea especialmente importante al seleccionar los rodamientos.
| Fuerza sobre el tornillo | Fuerza correspondiente de la rueda |
|---|---|
| Tangencial | Axial |
| Axial | Tangencial |
| Radial | Radial |
Ignorar la fuerza axial puede provocar que un eje adecuadamente dimensionado se combine con un conjunto de rodamientos inadecuado.
diseño del eje del tornillo sin fin y del eje de la rueda dentada
Un eje no debe dimensionarse únicamente en función del par transmitido.
una secuencia práctica de diseño es:
- determinar el par transmitido.
- Calcular las fuerzas tangenciales, radiales y axiales sobre los engranajes.
- establecer las posiciones de los engranajes y los rodamientos.
- crear diagramas de carga del eje.
- calcular los momentos flectores.
- calcular el esfuerzo torsional.
- evaluar la carga combinada.
- Seleccionar el material del eje.
- determinar un diámetro inicial del eje.
- verificar la fatiga y la deflexión.
por qué importa la deflexión del eje
Incluso si un eje no presenta deformación ni fractura, una deflexión excesiva puede desalinear el tornillo sin fin respecto a su posición prevista con la rueda.
Las consecuencias incluyen:
- carga en los bordes,
- mal contacto entre dientes,
- mayor ruido,
- desgaste irregular,
- reducción de la vida útil de la caja de cambios.
Elementos como resaltes, chaveteros, estrías, ranuras para anillos de retención y cambios bruscos de diámetro también generan concentraciones locales de esfuerzo y deben considerarse durante el diseño del eje.
Huelgo en el engranaje de tornillo
El juego lateral es la holgura entre los flancos de los dientes en contacto.
Algunas cantidades de juego lateral son normalmente necesarias para adaptarse a condiciones prácticas de funcionamiento, tales como:
- variaciones en la fabricación,
- la lubricación,
- expansión térmica,
- tolerancia en el montaje.
demasiado juego puede provocar:
- pérdida de movimiento,
- error de posicionamiento,
- error de reversa,
- ruido.
Sin embargo, intentar eliminar por completo toda posible holgura puede ocasionar otros problemas:
- atrapamiento,
- fricción excesiva,
- calor,
- desgaste rápido,
- sensibilidad al crecimiento térmico.
Por lo tanto, la holgura adecuada depende de la aplicación.
Un reductor industrial general puede tolerar una holgura mayor que un mecanismo de posicionamiento rotatorio de precisión.
¿Cómo reduce el juego un tornillo sin fin dúplex?
Una tornillería dúplex es una solución especializada para ajustar la holgura.
En lugar de utilizar una geometría idéntica en ambos flancos del diente, el diseño emplea relaciones de avance ligeramente diferentes. Al desplazar axialmente la tornillería, se modifica la forma en que sus flancos engranan con la rueda helicoidal, permitiendo reducir la holgura.
| Característica | Tornillo estándar | Tornillo dúplex |
|---|---|---|
| Juego | principalmente mediante geometría y ensamblaje | Ajustable |
| Fabricación | Más sencillo | Más complejo |
| Ajuste | Limitado | ajuste axial disponible |
| Costo | Menor | Más alto |
| Aplicación típica | Transmisión general | Posicionamiento preciso |
los diseños dúplex pueden ser útiles en:
- Sistemas rotatorios CNC,
- Juntas robóticas,
- Equipos de medición,
- Actuadores de precisión,
- Sistemas de indexación.
Sin embargo, “holgura cero” no debe considerarse como un estado permanente e incondicional. El desgaste, la temperatura, la lubricación, el estado de los rodamientos y el ajuste pueden modificar la holgura de funcionamiento con el tiempo.
modos comunes de falla del engranaje de tornillo sin fin
Un buen diseño de engranajes con rueda de tornillo debe considerar no solo cómo transmite potencia un sistema, sino también cómo es probable que falle.
| Modo de falla | Síntoma típico | Causa probable | Respuesta del diseño |
|---|---|---|---|
| Picaduras | Pequeñas cavidades | fatiga por contacto / sobrecarga | Verificar las condiciones de carga, material y contacto |
| Desgaste abrasivo | Pérdida progresiva de material | Contaminación | Mejorar la filtración y la limpieza del lubricante |
| Desgaste adhesivo | Manchas / transferencia | Rotura de la lubricación | mejorar la lubricación y la compatibilidad de materiales |
| Marcas de muesca | Marcas profundas por deslizamiento | falla por altas temperaturas / película | Mejorar la lubricación y el control térmico |
| Rotura de los dientes | Dientes agrietados o fracturados | Choque o sobrecarga severa | Revisar nuevamente la resistencia y las cargas transitorias |
| Desgaste excesivo | Aumento de la holgura | Problemas de fricción, alineación o materiales | Verificar el engranaje, la lubricación y los materiales |
| Sobrecalentamiento | Temperatura elevada de la caja de cambios | Fricción o pérdida excesiva | Revisar el ángulo de avance, la carga y la refrigeración |
El análisis de fallas debe seguir:
Síntoma → Causa raíz → Corrección de diseño
Esto resulta más útil que simplemente reemplazar la rueda dañada sin identificar las causas de la falla.
Consideraciones de mecanizado CNC para engranajes de tornillería
Un diseño teórico correcto del diente aún puede rendir deficientemente si la caja de cambios fabricada no mantiene la geometría requerida.
Fabricación del tornillo
Dependiendo de la geometría, la ruta de producción, la cantidad y los requisitos de precisión, la fabricación de tornillerías puede incluir procesos tales como:
- Torneado CNC del cuerpo del eje,
- mecanizado de roscas o perfiles,
- Corte especializado del tornillo,
- Tratamiento térmico,
- Rectificado,
- Acabado.
Entre las características importantes se incluyen:
- Precisión en el avance,
- Perfil de la rosca,
- Consistencia del paso,
- Desviación del eje,
- Concentricidad,
- Acabado superficial.
Para un engranaje de tornillo sinfín metálico, el estado final de la superficie es especialmente importante porque la rueda desliza continuamente contra la tornilla.
Una superficie dura pero rugosa de la tornilla puede aumentar el desgaste de la rueda acoplada.
Fabricación de ruedas helicoidales
La fabricación puede implicar:
- mecanizado del cuerpo de la rueda,
- Hobbing o corte de engranajes,
- Mecanizado del agujero,
- Mecanizado del buje,
- producción de chaveteros o estrías,
- Acabado e inspección.
Entre las relaciones críticas se encuentran:
- la concentricidad entre el orificio y los dientes,
- Geometría del diente,
- Desviación radial,
- Alineación de la cara,
- la compatibilidad de la distancia entre centros.
Por qué son importantes las características de la caja de engranajes
La precisión del engranaje por sí sola no puede compensar una mala precisión de la caja de transmisión.
Si los casquillos de los rodamientos colocan los ejes a una distancia central o relación angular incorrectas, el contacto entre los dientes cambiará incluso cuando ambos engranajes hayan sido fabricados individualmente de manera correcta.
Por lo tanto, los controles importantes a nivel de la caja de cambios incluyen:
- Posición del agujero del rodamiento,
- la distancia entre centros,
- Desviación del eje,
- Ajuste del rodamiento,
- rigidez de la carcasa,
- Ubicación axial.
Esta es una de las razones por las que en el sector industrial los engranajes de tornillo sin fin y rueda helicoidal la producción debe considerarse como un problema de ensamblaje y no simplemente como dos componentes CNC independientes.
¿Puede fabricarse un engranaje de tornillo sin fin por cuenta propia?
A Engranaje de tornillo sin fin DIY el proyecto es viable para modelos educativos, prototipos o mecanismos con cargas ligeras.
Sin embargo, un par que aparentemente encaja visualmente no constituye automáticamente un sistema funcional de tornillo sin fin industrial.
Un sistema de soporte de carga requiere el control de:
- Módulo,
- Paso,
- Número de vueltas del tornillo,
- Geometría del diente de la rueda,
- la distancia entre centros,
- Juego lateral,
- Emparejamiento de materiales,
- Alineación del eje,
- Desviación,
- Acabado superficial.
Para fines de demostración, una geometría simplificada puede ser adecuada.
Para la transmisión de potencia, el posicionamiento preciso o el servicio continuo, la precisión de fabricación pasa a formar parte del diseño ingenieril.
El elemento motriz normalmente debería denominarse el Tornillo en lugar de un piñón convencional, aunque la frase Engranaje de piñón de tornillo se utiliza a veces de manera informal.
Cómo diseñar un engranaje helicoidal para una junta robótica
Una junta robótica es un ejemplo útil porque combina varios requisitos de diseño que entran en conflicto.
Las prioridades típicas incluyen:
- Tamaño compacto,
- Gran reducción,
- Alta rigidez,
- Bajo juego lateral,
- Baja inercia de rotación,
- Posicionamiento predecible.
Paso 1: Establecer la relación de transmisión requerida
Comenzar desde:
- Velocidad del motor,
- Velocidad requerida en la unión,
- Par de salida requerido.
Esto determina la relación de reducción aproximada.
Paso 2: Seleccionar el número de vueltas del tornillo
Una relación muy grande puede favorecer un menor número de arranques.
Si la eficiencia y la velocidad son más importantes, se pueden considerar más arranques.
Paso 3: Control del juego
Para el posicionamiento de precisión, las opciones pueden incluir:
- distancia entre centros estrechamente controlada,
- Enganche ajustable,
- Geometría de tornillo dúplex,
- estrategias adecuadas de precarga.
Paso 4: Selección de materiales
Una arquitectura posible es:
- Tornillo de acero endurecido,
- Rueda de tornillo de bronce,
- cuerpo ligero de aluminio.
Los grados reales de material deben seleccionarse según el par, el desgaste, la rigidez, el peso y los requisitos ambientales.
Paso 5: Diseñar los ejes y los rodamientos
Los rodamientos del tornillo deben soportar ambas:
- Cargas radiales,
- Empuje axial.
La rigidez del eje también es importante, ya que el contacto entre los engranajes puede deteriorarse si el conjunto se flexiona bajo carga.
Paso 6: Planificar la lubricación y el control térmico
Una junta robótica puede disponer de un espacio limitado en la carcasa para disipar el calor.
Por lo tanto, la eficiencia y el comportamiento del lubricante pasan a formar parte del problema de embalaje.
El resultado no es simplemente un par de engranajes. Se trata de una optimización completa del sistema que involucra la geometría, los materiales, los rodamientos, la carcasa, la lubricación, las tolerancias y el proceso de fabricación.
Lista de verificación para el diseño de engranajes de tornillo sin fin
Antes de liberar un de engranaje helicoidal Para la fabricación, revisar lo siguiente:
- Relación de reducción requerida
- Velocidad de entrada
- la velocidad de salida
- Par de entrada
- Par de salida
- El tornillo sin fin comienza
- Número de dientes de la rueda de tornillo
- El módulo
- Diámetro de paso del tornillo
- Diámetro de paso de la rueda
- Plomo
- Ángulo de avance
- Ángulo de presión
- Distancia entre centros
- Ancho de la cara
- Material del tornillo
- Material de la rueda
- Tratamiento térmico
- Acabado superficial
- Lubricante
- Método de lubricación
- Ciclo de trabajo
- Eficiencia esperada
- Condiciones térmicas
- Requisito de autobloqueo
- Requisito de retroceso
- Juego requerido
- Fuerza tangencial
- Fuerza radial
- Empuje axial
- Diámetro del eje
- Deflexión del eje
- Selección del rodamiento
- Rigidez de la carcasa
- Desalineación
- Concentricidad
- Alineación del engranaje
- Desgaste esperado
- Vida útil requerida
Un sistema de engranajes de tornillo sin fin no debería considerarse aceptable solo porque la relación y la geometría de los dientes sean matemáticamente correctas.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la relación de transmisión de un engranaje de tornillo sin fin?
El relación de transmisión de un engranaje de tornillo sin fin es igual al número de dientes de la rueda helicoidal dividido por el número de arranques del tornillo sin fin.
Relación de transmisión = Dientes de la rueda helicoidal ÷ Arranques del tornillo
Por ejemplo, una rueda de 60 dientes accionada por un tornillo de dos arranques produce:
60 ÷ 2 = 30:1
Un tornillo de un solo arranque con la misma rueda de 60 dientes produciría una relación de 60:1.
¿Puede un engranaje de tornillo sin fin ser accionado en sentido inverso?
Algunos engranajes de tornillo sin fin pueden ser accionados en sentido inverso, mientras que otros resisten dicho accionamiento.
El resultado depende principalmente de la relación entre la geometría del paso y la fricción, mientras que los materiales, la lubricación, el estado superficial, la temperatura y las condiciones de operación también pueden influir en su comportamiento.
No asuma que todos los engranajes de tornillo sin fin son automáticamente autobloqueantes.
¿Por qué los engranajes de tornillo sin fin suelen fabricarse con acero y bronce?
El tornillo experimenta un amplio contacto deslizante y, por lo tanto, se beneficia de una dureza elevada y de una superficie lisa y resistente al desgaste. Una rueda de bronce compatible ofrece características favorables de fricción y desgaste frente al acero.
Las propiedades materiales contrastantes permiten que las superficies en contacto actúen como un par tribológico.
¿Qué provoca el sobrecalentamiento de un engranaje de tornillo sin fin?
Los factores más comunes incluyen:
- Fricción por deslizamiento,
- Carga transmitida elevada,
- Lubricación deficiente,
- Lubricante inadecuado,
- Velocidad excesiva,
- Agitación del aceite,
- disipación insuficiente del calor,
- Contacto deficiente entre los dientes.
Por lo tanto, el sobrecalentamiento debe tratarse como un problema del sistema y no únicamente como un problema del lubricante.
¿Cómo reducir la holgura en los engranajes de tornillo sin fin?
La holgura puede controlarse mediante:
- geometría precisa del tornillo y la rueda,
- distancia entre centros controlada,
- Localización precisa del eje,
- configuraciones ajustables de acoplamiento,
- Sistemas de tornillo dúplex.
Reducir el juego de manera demasiado agresiva puede aumentar la fricción y el agarrotamiento; por ello, el valor objetivo adecuado depende de la precisión y los requisitos térmicos de la aplicación.
Conclusión
Eficaz de engranaje helicoidal se trata de un equilibrio entre la relación de transmisión, la eficiencia, el comportamiento de autobloqueo, la capacidad de par, el desgaste, el juego, el calor, la lubricación y la precisión de fabricación. El tornillo sin fin, la rueda, los ejes, los rodamientos, la carcasa y el lubricante deben funcionar como un único sistema.
Una alta relación de reducción puede favorecer una determinada geometría, mientras que un servicio continuo puede exigir un ángulo de avance y una estrategia de lubricación diferentes. El posicionamiento preciso puede desplazar la prioridad hacia el control del juego y la rigidez del eje.
Por lo tanto, el mejor tren de engranajes de tornillo sin fin no es aquel con la mayor relación de transmisión ni el que presenta el menor juego. Es el diseño cuya geometría, materiales, cargas, comportamiento térmico y tolerancias de fabricación se ajusten a las condiciones reales de operación.