15:11 Un sistema de transmisión por engranajes ruidoso o sobrecargado puede provocar vibraciones, calor, desgaste y costosos paros de producción. Estos problemas se agravan a velocidades más altas. Un engranaje helicoidal correctamente diseñado proporciona un acoplamiento más suave entre los dientes, un mejor reparto de la carga y una transmisión de potencia más silenciosa que muchos diseños básicos de dientes rectos.
A engranaje helicoidal Se utiliza para transmitir el movimiento y la potencia entre ejes giratorios en cajas de cambios, vehículos, bombas, compresores, cintas transportadoras, máquinas-herramienta, equipos de elevación y maquinaria industrial. Sus dientes inclinados se engranan gradualmente, lo que permite un funcionamiento más suave y silencioso y una mayor capacidad de carga que un engranaje recto equivalente, aunque también genera un empuje axial.
¿Para qué se utiliza un engranaje helicoidal en la transmisión de potencia?
Un engranaje helicoidal es un engranaje cilíndrico con dientes cortados en ángulo respecto al eje del engranaje. Los dientes no discurren en línea recta a lo largo de la superficie del engranaje, sino que siguen una trayectoria inclinada alrededor del mismo.
Esta disposición angular de los dientes distingue al engranaje helicoidal del engranaje recto. Los dientes de un engranaje recto discurren en paralelo al eje. Por lo general, entran en contacto a lo largo de todo el ancho del diente casi al mismo tiempo. Los dientes helicoidales se acoplan de forma más gradual.
Un engranaje helicoidal es un tipo de engranaje que se utiliza habitualmente en ejes paralelos. También puede emplearse en determinadas configuraciones de ejes cruzados, aunque un engranaje helicoidal cruzado presenta límites de carga y rendimiento distintos a los de un juego de engranajes de ejes paralelos.
Las partes principales y los términos de diseño incluyen:
KHK describe los engranajes helicoidales como engranajes cilíndricos con trazas de dientes inclinadas. En comparación con los engranajes rectos, presentan un mayor solapamiento de los dientes, un acoplamiento más suave, menos vibraciones y un funcionamiento más silencioso.
Un par de engranajes helicoidales transmite el par cuando los dientes del engranaje motriz empujan contra el engranaje de acoplamiento dientes. A continuación, el engranaje conducido gira en sentido contrario para lograr un acoplamiento externo.
La principal diferencia radica en cómo se inicia el contacto. El diente de un engranaje recto suele entrar en contacto en gran parte de su anchura de una sola vez. El diente de un engranaje helicoidal comienza el contacto cerca de uno de sus extremos y, poco a poco, va introduciendo una mayor parte de la superficie del diente en el engranaje.
Este acoplamiento progresivo permite una transmisión de la fuerza más suave:
Contacto entre engranajes rectos:
Engranamiento en toda la anchura → aplicación más rápida de la carga
Contacto entre engranajes helicoidales:
Engranamiento por los bordes → solapamiento gradual → contacto total → salida gradual
Es posible que más de un par de dientes comparta la carga durante parte de la rotación. Este mayor índice de contacto, en comparación con los engranajes rectos, puede mejorar la suavidad del funcionamiento y soportar una mayor carga transmitida cuando el diseño completo del engranaje, los materiales, los rodamientos, la lubricación y la alineación son los adecuados.
Un par de engranajes helicoidales para ejes paralelos suele utilizar el mismo ángulo de hélice, pero con sentidos de dentado opuestos. Un engranaje helicoidal de dentado a la derecha se acopla con un engranaje adecuado de dentado a la izquierda. El módulo, el ángulo de presión, la distancia entre centros, la geometría de los dientes y otras condiciones de diseño también deben coincidir.
La principal ventaja de los dientes de los engranajes helicoidales es el acoplamiento gradual. Esto reduce el impacto repentino cuando los dientes que se acoplan entran en contacto.
Entre las ventajas prácticas de los engranajes helicoidales se pueden citar:
Estas características explican por qué se prefieren los engranajes helicoidales en cajas de cambios cerradas, transmisiones de automóviles, reductores de velocidad industriales, compresores y otros sistemas que deben funcionar con suavidad.
Un engranaje helicoidal bien diseñado también puede soportar una superficie de contacto amplia. A medida que el contacto se desplaza a lo largo de la superficie, varias secciones del diente contribuyen a soportar la carga. Esto permite una transmisión de potencia eficiente en conjuntos de engranajes compactos.
Sin embargo, las ventajas no se deben únicamente a la forma de los dientes. La calidad de los engranajes, su alineación, la rigidez del eje, la rigidez de la carcasa, los rodamientos, la lubricación, el tratamiento térmico y el acabado superficial influyen todos ellos en el rendimiento final.
Un diseño robusto del piñón no puede compensar un eje débil, un soporte de cojinete deficiente o una carcasa desalineada.
¿Para qué se utiliza un engranaje helicoidal en la transmisión de potencia?
En los sistemas mecánicos se utilizan varios tipos de engranajes helicoidales. Los ingenieros eligen entre ellos en función de la posición del eje, el par, la velocidad, el espacio disponible, el empuje axial y los requisitos de fabricación.
Los engranajes helicoidales simples tienen una serie continua de dientes inclinados. Son habituales en las cajas de cambios industriales de ejes paralelos y en los sistemas de transmisión de los vehículos.
Su diseño es relativamente compacto, pero la carga en los dientes en ángulo genera una fuerza axial a lo largo del eje. Los rodamientos y los rebordes deben controlar este empuje.
Un engranaje de doble hélice tiene dos conjuntos de dientes con direcciones de hélice opuestas en el mismo cuerpo del engranaje. Las direcciones opuestas de los dientes permiten contrarrestar gran parte de la fuerza axial.
Es posible que ambas caras tengan una ranura de alivio central que las separe. Esta ranura proporciona espacio para la herramienta de corte durante algunos procesos de fabricación de engranajes.
Los diseños de doble hélice se utilizan en aplicaciones industriales de alta carga, como compresores de gran tamaño, transmisiones marinas, maquinaria pesada de laminación y reductores de alta potencia.
Un engranaje en espiga es similar a un engranaje helicoidal doble, pero sus dientes opuestos suelen encontrarse formando una V, sin dejar un hueco central.
Un engranaje en espiga puede proporcionar una transmisión suave y de gran capacidad, al tiempo que reduce el empuje axial neto. Su fabricación resulta más complicada y costosa que la de muchos engranajes helicoidales estándar.
Engranajes helicoidales cruzados transmitir el movimiento entre ejes no paralelos y que no se cruzan. En algunas referencias técnicas, esta disposición también se denomina «sistema de engranaje helicoidal».
A diferencia de un par de engranajes helicoidales paralelos, los engranajes helicoidales cruzados presentan un contacto deslizante significativo. Su capacidad de carga suele ser menor, lo que los hace más adecuados para la transmisión de movimiento en aplicaciones ligeras que para la transmisión de grandes potencias. KHK señala que las disposiciones helicoidales cruzadas o en hélice presentan contacto puntual y requieren una lubricación cuidadosa.
Un piñón helicoidal puede engranar con una cremallera helicoidal para convertir el movimiento giratorio en movimiento lineal. Esta configuración puede proporcionar un desplazamiento más suave que un sistema de cremallera recta y engranaje recto.
Tanto un engranaje recto como uno helicoidal pueden transmitir potencia entre ejes paralelos. La diferencia fundamental radica en la dirección de los dientes.
Los dientes de un engranaje recto son rectos y paralelos al eje del engranaje. En un engranaje helicoidal, los dientes están cortados en ángulo con respecto al eje.
| Característica | Engranaje recto | Engranaje helicoidal |
|---|---|---|
| Orientación de los dientes | Heterosexual | En ángulo |
| Compromiso dental | Más repentino | Gradual |
| Ruido a alta velocidad | Normalmente más alto | Normalmente inferior |
| Vibración | Más evidente | Más suave |
| Empuje axial | Poca o ninguna, según el ángulo del diente | Presente |
| Fabricación | Más sencillo | Más complejo |
| Requisitos de los rodamientos | Carga principalmente radial | Cargas radiales y axiales |
| Índice de contacto | Por lo general, más bajo | En general, más alto |
| Coste habitual | Inferior | Más alto |
| Uso a alta velocidad | Limitado por el ruido y el impacto | A menudo se prefiere |
| Eficiencia | Alto | Alta, con algunas pérdidas por deslizamiento adicionales |
| Aplicaciones habituales | Accionamientos sencillos y maquinaria de baja velocidad | Cajas de cambios, vehículos, compresores, accionamientos industriales |
Los engranajes rectos son sencillos, económicos y eficientes. Siguen siendo una excelente opción para muchas aplicaciones de engranajes a baja y media velocidad.
En comparación con los engranajes rectos, los engranajes helicoidales suelen ofrecer un funcionamiento más suave, pero someten al eje y a los rodamientos a cargas más complejas. El tipo de engranaje más adecuado depende de la máquina en su conjunto.
La diferencia no se reduce simplemente a “básico frente a avanzado”. Un engranaje recto bien diseñado puede ofrecer un rendimiento superior al de un engranaje helicoidal mal elegido.
El ángulo de hélice es el ángulo que forma la dirección de los dientes con el eje del engranaje. Influye de manera significativa en el engranamiento de los dientes, el empuje axial, la relación de contacto y la geometría de fabricación.
A medida que aumenta el ángulo de hélice, también puede aumentar el solapamiento entre los dientes. Esto puede dar lugar a un contacto más suave y permitir que un mayor número de dientes reparta la carga.
Sin embargo, un ángulo mayor también aumenta la fuerza axial. Los rodamientos, los rebordes del eje, la carcasa y el sistema de lubricación deben soportar ese empuje adicional.
Una relación simplificada tiene este aspecto:
Ángulo de hélice mayor
│
├── Superposición más gradual de los dientes
├── Funcionamiento potencialmente más suave
├── Mayor empuje axial
├── Mayor contacto deslizante
└── Diseño de rodamientos más exigente
El ángulo de hélice de ambos engranajes debe ser compatible. En el caso de un par de engranajes externos en ejes paralelos, los engranajes suelen tener ángulos iguales pero sentidos opuestos.
El ángulo de presión también es importante. Influye en la forma del diente, la fuerza de separación, la resistencia del diente y la compatibilidad con el engranaje de acoplamiento.
La norma ISO 6336 establece métodos reconocidos internacionalmente para evaluar la capacidad de carga de los engranajes cilíndricos rectos y helicoidales de involuta. La norma abarca factores relacionados con la rotura de la raíz del diente, la corrosión por picaduras, el rayado, la microcorrosión por picaduras y otros riesgos de diseño dentro de su ámbito de aplicación definido.
Por lo tanto, un diseñador cualificado debería tener en cuenta más aspectos que el diámetro y el número de dientes. El cálculo completo puede incluir:
A engranaje helicoidal Se utiliza cuando una máquina necesita una transmisión de par fiable con menos ruido, menos vibraciones o una mayor capacidad de carga de la que puede ofrecer una disposición básica de dientes rectos.
Los engranajes helicoidales se utilizan habitualmente en cajas de cambios manuales, conjuntos de transmisión automática, diferenciales, sistemas de transferencia y transmisiones auxiliares de vehículos.
Su engranaje gradual de los dientes contribuye a reducir el ruido y las vibraciones a las velocidades de funcionamiento del vehículo. Las marchas atrás de algunos diseños de caja de cambios más antiguos o sencillos pueden utilizar dientes rectos, lo que ayuda a explicar su sonido más perceptible.
Los reductores de velocidad industriales suelen utilizar conjuntos de engranajes helicoidales para reducir la velocidad del motor y aumentar el par de salida.
Entre sus aplicaciones se incluyen:
Las máquinas CNC, los tornos, las fresadoras, los equipos de rectificado y otros sistemas de producción utilizan componentes de engranajes de precisión en los que es fundamental mantener una velocidad estable y un movimiento controlado.
Un juego de engranajes de precisión debe cumplir con los requisitos relativos al perfil de los dientes, la precisión del paso, la precisión de la hélice, el juego, la excentricidad y el estado de la superficie.
Los compresores, los sopladores y las bombas industriales pueden utilizar un sistema de transmisión por engranajes helicoidales para transmitir una gran potencia y, al mismo tiempo, reducir el ruido y las vibraciones.
La elección exacta del engranaje depende de la velocidad, el par, el lubricante, la temperatura de funcionamiento y los requisitos de funcionamiento continuo.
Los reductores de engranajes helicoidales pueden utilizarse en maquinaria de elevación, grúas, polipastos y sistemas de accionamiento de ascensores. Estas aplicaciones requieren una cuidadosa consideración de los factores de seguridad, la integración del sistema de frenado, la selección de rodamientos y el diseño de la carcasa.
Se pueden elegir diseños de doble hélice o en espiga para grandes transmisiones marinas e industriales en las que sea importante disponer de un par elevado y un empuje equilibrado.
Un movimiento suave ayuda a reducir las vibraciones en las líneas de impresión, transformación, embotellado, etiquetado y envasado. La precisión de los engranajes es fundamental, ya que las variaciones de velocidad pueden afectar al registro y a la calidad del producto.
Las etapas de engranajes helicoidales pueden encontrarse en las cajas de cambios de los aerogeneradores y en otros sistemas energéticos. Estas aplicaciones requieren un análisis detallado de la fatiga, la lubricación, la temperatura y la vida útil.
¿Para qué se utiliza un engranaje helicoidal en la transmisión de potencia?
Un eje de semirremolque estándar no suele utilizar una transmisión motriz como la de un eje motriz de camión. Sin embargo, pueden encontrarse sistemas de transmisión por engranajes en determinados tipos de remolques y en maquinaria pesada relacionada.
En función del diseño del remolque, los mecanismos de engranajes pueden utilizarse en:
No todos estos mecanismos utilizan un engranaje helicoidal. Algunos diseños emplean un engranaje recto, un engranaje helicoidal sin fin, engranajes cónicos, transmisión por cadena, un cilindro hidráulico o un conjunto de engranajes planetarios.
Como fabricantes profesionales de semirremolques, evaluamos el sistema operativo en su conjunto, en lugar de seleccionar los componentes basándonos únicamente en su denominación. La carga, las condiciones de la carretera, el acceso para el mantenimiento, la frecuencia prevista de uso, la exposición a la corrosión y la disponibilidad local de piezas son factores que influyen en el diseño final.
Para los propietarios de flotas, la pregunta relevante no es solo: “¿Este remolque utiliza un engranaje helicoidal?”, sino también:
Antes de elegir los engranajes helicoidales, hay que tener en cuenta sus desventajas.
La limitación más importante es la fuerza axial. Dado que los dientes están inclinados, los engranajes helicoidales generan un empuje axial a lo largo del eje del engranaje.
Los rodamientos deben soportar tanto cargas radiales como axiales. Una selección incorrecta de los rodamientos puede provocar calor, ruido, movimiento del eje, contacto irregular entre los engranajes y fallos prematuros. KHK advierte expresamente que los rodamientos utilizados con engranajes helicoidales deben seleccionarse de manera que soporten la fuerza de empuje resultante.
Los engranajes helicoidales se fabrican con un control más riguroso de la geometría de la hélice, el perfil de los dientes, el paso, el avance y el acabado superficial. Su producción puede requerir procesos especializados de corte, rectificado, inspección y utillaje.
El engranaje en sí, los rodamientos, los ejes, la carcasa y el proceso de montaje pueden resultar más caros que un sistema de transmisión equivalente con engranajes rectos simples.
Los dientes en ángulo provocan un cierto deslizamiento a lo largo de la superficie del engranaje. Esto puede aumentar la fricción y el calor en comparación con el contacto por rodadura ideal de los dientes rectos.
Es fundamental contar con una buena lubricación.
Un juego de engranajes helicoidales puede presentar un contacto deficiente si los ejes están desalineados o si la carcasa se deforma bajo carga. La carga en los bordes puede provocar picaduras, desgaste, calor y daños en los dientes.
Normalmente, un engranaje helicoidal desgastado debe evaluarse junto con su engranaje de acoplamiento. Sustituir solo uno de los componentes puede provocar un contacto deficiente entre los engranajes si el otro ya está desgastado.
La fabricación de engranajes comienza con la selección del material y un plano técnico definido. Entre los materiales más habituales para los engranajes se encuentran el acero aleado, el acero al carbono, el acero inoxidable, el hierro fundido, el bronce, los polímeros técnicos y otros materiales específicos para cada aplicación.
Un proceso típico de fabricación de engranajes puede incluir:
El fresado de engranajes es un método habitual que se utiliza para cortar dientes helicoidales. Una fresadora de engranajes coordina la rotación de la pieza en bruto del engranaje y la herramienta de corte para crear la forma y la hélice deseadas en los dientes.
KHK explica que determinados engranajes helicoidales pueden tallarse con la misma fresa utilizada para los engranajes rectos cuando el módulo normal y el ángulo de presión correspondiente siguen siendo compatibles, aunque el posicionamiento de la herramienta debe seguir la hélice requerida.
Los requisitos de mayor calidad pueden incluir:
Un fabricante de engranajes de confianza debe confirmar el material, el tratamiento térmico, el grado de precisión de los engranajes, la dureza de los dientes, el método de inspección, el par admisible, la lubricación y las condiciones de acoplamiento.
La selección de un juego de engranajes helicoidales comienza por los datos de la aplicación. No basta con el diámetro de catálogo y el número de dientes.
Los ingenieros deben definir:
| Aportaciones al diseño | Por qué es importante |
|---|---|
| Potencia de entrada | Determina la carga transmitida |
| Velocidad de entrada | Influye en la velocidad de la línea de lanzamiento y en la potencia |
| Velocidad de salida | Establece la reducción exigida |
| Relación de transmisión | Define la relación entre la velocidad y el par |
| Ciclo de trabajo | Distingue entre el uso ocasional y el uso continuado |
| Carga de choque | Afecta al factor de servicio |
| Disposición del eje | Determina el tipo de engranaje |
| Espacio disponible | Límites de diámetro y anchura de la cara |
| Objetivo de ruido | Influye en la forma y la precisión de los dientes |
| Lubricación | Controla el desgaste y la temperatura |
| Medio ambiente | Influye en el sellado y en la elección de los materiales |
| Vida útil requerida | Guías para el cálculo de la fatiga |
| Plan de mantenimiento | Influye en la accesibilidad y el diseño |
Los engranajes acoplados deben tener una geometría compatible. Los ingenieros también deben verificar la distancia entre ejes, el sentido de la hélice, la dirección del eje, la dirección prevista de la fuerza de empuje y la disposición de los rodamientos.
En el caso de los sistemas críticos, el diseñador de engranajes puede recurrir a la norma ISO 6336 o a los métodos pertinentes de la AGMA para evaluar la capacidad de carga. La ISO señala que estos cálculos requieren un diseñador de engranajes con experiencia que conozca los límites y los factores que influyen en el método seleccionado.
Un engranaje helicoidal no puede funcionar correctamente sin un soporte adecuado mediante rodamientos.
El engranaje produce:
Los rodamientos deben soportar estas cargas y, al mismo tiempo, mantener la posición del eje. En función de la aplicación, se pueden elegir rodamientos de bolas de contacto angular, rodamientos de rodillos cónicos, rodamientos de empuje u otras configuraciones.
La lubricación crea una película protectora entre los dientes de los engranajes que se acoplan. Ayuda a reducir la fricción, el desgaste, las rayaduras, las picaduras, el ruido y el calor.
La elección del lubricante adecuado depende de:
Una cantidad insuficiente de lubricante puede provocar daños rápidos. Una cantidad excesiva puede aumentar las pérdidas por agitación y el calor. El aceite contaminado también puede actuar como un abrasivo.
En el caso de los equipos de uso intensivo para exteriores, las juntas y los respiraderos son tan importantes como la elección del aceite. El polvo, el agua, el barro y la sal de carretera pueden acortar la vida útil de un engranaje si penetran en la carcasa.
Imaginemos un sistema de elevación que debe subir y bajar un mecanismo pesado muchas veces al día. El sistema de transmisión original utiliza un sencillo sistema de engranajes rectos.
A baja velocidad, funciona. A medida que aumentan la velocidad de funcionamiento y la carga, surgen varios problemas:
El equipo de diseño está barajando la posibilidad de utilizar un reductor de engranajes helicoidales. El nuevo sistema ofrece un contacto más suave, pero también genera un empuje axial.
Por lo tanto, un rediseño satisfactorio requiere algo más que cambiar los dientes del engranaje. Los ingenieros también revisan:
De este modo, el sistema de transmisión mejorado puede ofrecer un funcionamiento más suave y una mejor distribución de la carga.
Cambiar el tipo de engranaje sin revisar los cojinetes y la carcasa no supone un rediseño completo.
El mismo principio se aplica a los equipos auxiliares, de elevación, de cabrestante y de bombeo relacionados con los remolques. El conjunto completo debe adaptarse a las condiciones reales de trabajo.
Los operadores de flotas suelen centrarse en la carga útil y el precio de los remolques. Estos aspectos son importantes, pero la fiabilidad del equipo también depende de la interacción entre el bastidor principal, la suspensión, los ejes, el sistema de frenos, el equipo hidráulico, el tren de apoyo y los mecanismos auxiliares.
En los proyectos de semirremolques OEM y ODM, revisamos:
Un remolque para minería que circula por carreteras en mal estado requiere una estructura diferente a la de un chasis portacontenedores. Un camión cisterna tiene requisitos de seguridad y bombeo distintos a los de un remolque de plataforma baja. Un remolque desmontable de cuello de cisne cuenta con mecanismos de funcionamiento distintos a los de un remolque con cortinas laterales.
Nuestra función, como fabricante de remolques especializado en ingeniería, consiste en aunar todos estos requisitos en uno solo. solución práctica de transporte. En el caso de los equipos auxiliares con engranajes, nos aseguramos de que su par, su modo de funcionamiento, sus protecciones, su mantenimiento y su integración se adapten al remolque.
Un engranaje helicoidal se acopla gradualmente a lo largo de la superficie del diente. Esto reduce el impacto repentino sobre el diente y distribuye la carga a lo largo de una trayectoria de contacto más extensa, lo que da lugar a un funcionamiento más suave y, en general, más silencioso que el de un engranaje recto equivalente.
Puede transmitir una mayor carga en un espacio similar, ya que varios dientes pueden repartirse la carga. La capacidad real depende del tamaño de los dientes, la anchura de la cara, el material, el tratamiento térmico, la velocidad, la lubricación, la alineación y la norma de diseño.
Los engranajes helicoidales simples generan un empuje axial debido a la inclinación de sus dientes. Los diseños helicoidales dobles y en espiga utilizan direcciones opuestas de los dientes para contrarrestar gran parte de esta fuerza.
En el caso de los ejes externos paralelos, el par de engranajes suele presentar ángulos de hélice iguales pero con sentido de giro opuesto. Las disposiciones helicoidales cruzadas siguen una geometría diferente y pueden presentar dientes con el mismo sentido de giro, dependiendo de la configuración de los ejes.
Los engranajes helicoidales de ejes paralelos suelen tener una alta eficiencia, ya que su engranaje presenta un importante componente de contacto rodante. Los engranajes de tornillo sinfín suelen tener más fricción por deslizamiento, especialmente con relaciones de reducción elevadas. La eficiencia exacta depende de la geometría, la relación de transmisión, la velocidad, el material y la lubricación.
No. Un engranaje recto es más sencillo, más económico y no genera empuje axial debido a los dientes. Puede ser la mejor opción para maquinaria de velocidad moderada, con baja sensibilidad al ruido, de mantenimiento sencillo o con un presupuesto limitado.
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