Transmisión de tornillo sin fin

Un mecanismo de tornillo sin fin es un sistema de engranajes en el que un tornillo sin fin (que es un engranaje con forma de tornillo ) engrana con una rueda helicoidal (de apariencia similar a un engranaje recto ). Su función principal es transmitir el movimiento de dos ejes perpendiculares o transformar el movimiento circular en movimiento lineal (por ejemplo, una abrazadera de manguera tipo banda ). Estos dos elementos también se denominan tornillo sin fin y engranaje helicoidal . La terminología suele generar confusión debido al uso impreciso del término " engranaje helicoidal" para referirse al tornillo sin fin, la rueda helicoidal o el mecanismo de tornillo sin fin como una sola unidad.

El mecanismo de tornillo sin fin fue inventado por Arquitas de Tarento, Apolonio de Perga o Arquímedes , siendo este último el autor más probable. ^{[ 1 ]} Posteriormente, el mecanismo de tornillo sin fin apareció en el subcontinente indio , para su uso en desmotadoras de algodón de rodillos , durante el Sultanato de Delhi en los siglos XIII o XIV. ^{[ 2 ]}

Una caja de engranajes diseñada con un tornillo sin fin y una rueda helicoidal es considerablemente más pequeña que una hecha con engranajes rectos simples, y sus ejes de transmisión están a 90° entre sí. Con un tornillo sin fin de una sola entrada , por cada giro de 360° del tornillo sin fin, la rueda helicoidal avanza solo un diente. Por lo tanto, independientemente del tamaño del tornillo sin fin (a pesar de las limitaciones de ingeniería razonables), la relación de transmisión es "tamaño de la rueda helicoidal  -  a  -  1" . Dado un tornillo sin fin de una sola entrada, una rueda helicoidal de 20 dientes reduce la velocidad en una relación de 20:1. Con engranajes rectos, un engranaje de 12 dientes debe coincidir con un engranaje de 240 dientes para lograr la misma relación de 20:1. Por lo tanto, si el paso diametral (PD) de cada engranaje es el mismo, entonces, en términos del tamaño físico del engranaje de 240 dientes en comparación con el del engranaje de 20 dientes, el conjunto del tornillo sin fin es considerablemente más pequeño en volumen.

A diferencia de los trenes de engranajes convencionales, la dirección de transmisión (eje de entrada frente a eje de salida) no es reversible al usar grandes relaciones de reducción. Esto se debe a la mayor fricción entre el tornillo sin fin y la rueda helicoidal, y es especialmente frecuente cuando se utiliza un tornillo sin fin de una sola entrada (una espiral). Esto puede ser una ventaja cuando se desea eliminar cualquier posibilidad de que la salida impulse la entrada. Si se utiliza un tornillo sin fin de múltiples entradas (varias espirales), la relación se reduce en consecuencia, y puede ser necesario descartar el efecto de frenado del tornillo sin fin y la rueda helicoidal, ya que esta última podría impulsar el tornillo sin fin.

Las configuraciones de engranajes helicoidales en las que la rueda no puede accionar el tornillo sin fin se denominan autoblocantes . Que un engranaje helicoidal sea autoblocante depende del ángulo de avance, el ángulo de presión y el coeficiente de fricción.

Algunos atribuyen la invención del mecanismo de tornillo sin fin a Arquímedes durante la Primera Guerra Púnica , ^{[ 1 ]} donde el tamaño de los barcos que se construían requería una grúa mucho más grande que la disponible en ese momento. ^{[ 5 ] : 7} La grúa desarrollada para este propósito utilizaba un mecanismo de tornillo sin fin y varios engranajes de aumento y se denominó barulkon . La descripción de esta grúa se registró en la Biblioteca de Alejandría , y los ingenieros posteriores se basarían en las ideas de Arquímedes hasta que Leonardo da Vinci desarrolló los primeros dibujos técnicos de un mecanismo de tornillo sin fin ; ^{[ 6 ]} el diseño estaba limitado por el hecho de que los engranajes metálicos no se habían inventado a principios del siglo XV, y el mecanismo nunca se construyó en vida de Arquímedes. ^{[ 7 ]}

Desde su invención, se reconoció que el mecanismo de tornillo sin fin era más eficaz cuando se utilizaba una relación de transmisión elevada; hasta principios del siglo XX, se siguió utilizando con este fin, aunque sus aplicaciones fueron limitadas en el desarrollo inicial de los motores eléctricos, ya que los mecanismos se sobrecalentaban a altas velocidades del eje. ^{[ 5 ] : 10} Las aplicaciones modernas del mecanismo de tornillo sin fin comenzaron poco después de la introducción de métodos de lubricación más eficaces mediante carcasas de engranajes cerradas. ^{[ 5 ] : 11}

En los automóviles de principios del siglo XX, antes de la introducción de la dirección asistida, un pinchazo o reventón en una de las ruedas delanteras tendía a desviar el mecanismo de dirección hacia el lado afectado. El uso de un mecanismo de tornillo sin fin redujo este efecto. El posterior desarrollo de este mecanismo condujo a la incorporación de rodamientos de bolas recirculantes para disminuir las fuerzas de fricción, lo que transmitía parte de la fuerza de dirección a la rueda. Esto facilita el control del vehículo y reduce el desgaste que podría dificultar la dirección precisa.

Los reductores de tornillo sin fin son una solución compacta para reducir considerablemente la velocidad y aumentar el par motor. Los motores eléctricos pequeños suelen ser de alta velocidad y bajo par; la incorporación de un reductor de tornillo sin fin amplía el abanico de aplicaciones para las que puede ser adecuado, especialmente si se tiene en cuenta su tamaño compacto.

Los engranajes helicoidales se utilizan en prensas , laminadoras , sistemas de transporte , maquinaria minera, timones y sierras circulares . Además, los cabezales de fresado y las mesas giratorias se posicionan mediante engranajes helicoidales dúplex de alta precisión con juego ajustable . Los engranajes helicoidales se utilizan en numerosas aplicaciones de ascensores y escaleras mecánicas debido a su tamaño compacto y su irreversibilidad.

En la época de los veleros, la introducción del mecanismo de tornillo sin fin para controlar el timón supuso un avance significativo. Antes de su introducción, el timón se controlaba mediante un tambor de cuerda. El oleaje fuerte podía ejercer una fuerza considerable sobre el timón, lo que a menudo requería que varios hombres gobernaran la embarcación; algunos mecanismos contaban con dos ruedas de gran diámetro para que hasta cuatro tripulantes pudieran accionar el timón.

Los engranajes de tornillo sin fin se han utilizado en algunos sistemas de transmisión final del eje trasero de automóviles (aunque no en el diferencial propiamente dicho). Aprovechaban la ubicación del tornillo sin fin en la parte superior o inferior de la corona del diferencial. En la década de 1910, eran comunes en camiones; para obtener la mayor distancia al suelo en caminos embarrados, el tornillo sin fin se colocaba en la parte superior. En la década de 1920, la empresa Stutz los utilizó en sus automóviles; para tener un piso más bajo que sus competidores, el tornillo sin fin se ubicaba en la parte inferior. Un ejemplo de alrededor de 1960 fue el Peugeot 404. El engranaje de tornillo sin fin protege al vehículo contra el retroceso. Esta capacidad ha caído en desuso debido a las relaciones de reducción excesivas. ^{[ 8 ]}

Una excepción más reciente a esto es el diferencial Torsen , que utiliza engranajes helicoidales y planetarios, en lugar de los engranajes cónicos de los diferenciales abiertos convencionales. Los diferenciales Torsen se encuentran principalmente en el Humvee y algunos vehículos comerciales Hummer , y como diferencial central en algunos sistemas de tracción integral , como el quattro de Audi . Los camiones muy pesados, como los que se utilizan para transportar áridos , a menudo utilizan un diferencial de engranaje helicoidal para mayor resistencia. El engranaje helicoidal no es tan eficiente como un engranaje hipoide , y estos camiones invariablemente tienen una carcasa de diferencial muy grande, con un volumen correspondientemente grande de aceite para engranajes , para absorber y disipar el calor generado.

Los mecanismos de tornillo sin fin se utilizan para afinar muchos instrumentos musicales, como guitarras , contrabajos , mandolinas , bouzoukis y muchos banjos (aunque la mayoría de los banjos de gama alta utilizan engranajes planetarios o clavijas de fricción). Un dispositivo de afinación de tornillo sin fin se denomina clavijero .

Los engranajes helicoidales de plástico se utilizan a menudo en pequeños motores eléctricos a batería para proporcionar una velocidad angular menor (menos revoluciones por minuto) que la del motor, que funciona mejor a una velocidad relativamente alta, además de ser más silenciosos que un engranaje con engranajes metálicos. ^{[ 8 ]} Este sistema de motor-engranaje helicoidal se utiliza frecuentemente en juguetes y otros pequeños dispositivos eléctricos.

En las abrazaderas para mangueras tipo Jubilee o abrazaderas Jubilee se utiliza un mecanismo de tornillo sin fin . La rosca helicoidal del tornillo de apriete se acopla con las ranuras de la banda de la abrazadera.

En ocasiones, un mecanismo de tornillo sin fin se diseña para funcionar en sentido inverso, lo que provoca que el eje del tornillo gire mucho más rápido que la entrada. Ejemplos de esto se pueden observar en algunas centrífugas de manivela , en el soplador de una fragua de herrería o en el regulador de viento de una caja de música .

Un engranaje helicoidal derecho o tornillo sin fin derecho es aquel en el que los dientes giran en el sentido de las agujas del reloj a medida que se alejan de un observador que mira a lo largo del eje. Las denominaciones "derecho" e "izquierdo" son las mismas que en la práctica habitual para roscas, tanto externas como internas. Dos engranajes helicoidales externos que operan sobre ejes paralelos deben ser de sentido opuesto. Un engranaje helicoidal interno y su piñón deben ser del mismo sentido.

Un engranaje helicoidal izquierdo o tornillo sin fin izquierdo es aquel en el que los dientes giran en sentido antihorario a medida que se alejan de un observador que mira a lo largo del eje. ^{[ 4 ] : 72}

Las ruedas helicoidales se fabrican generalmente en varias etapas para lograr la geometría de los dientes y la calidad superficial requeridas. El proceso suele comenzar con el desbaste, una operación de mecanizado basto en la que se realizan ranuras profundas en la pieza en bruto para eliminar la mayor parte del material que posteriormente formará los espacios entre los dientes. Esta operación preliminar reduce significativamente la cantidad de material que debe eliminarse durante la etapa de acabado.

El proceso de ranurado se realiza generalmente con fresas o herramientas especiales diseñadas para crear espacios entre dientes que se aproximen a la geometría final. Dependiendo del tamaño y las especificaciones de la rueda helicoidal, pueden ser necesarias varias pasadas. Los dientes suelen quedar con un margen de mecanizado de hasta 5 mm, lo que proporciona suficiente material para las operaciones de acabado posteriores y garantiza que las dimensiones finales se puedan lograr con precisión.

Si el proceso de desbaste se realiza con la precisión suficiente, el posterior tallado de engranajes a menudo puede llevarse a cabo sin necesidad de herramientas de acabado con formas especiales. Durante el tallado, una herramienta de corte helicoidal genera progresivamente el perfil final del diente mediante un movimiento de indexación continuo entre la fresa y la pieza en bruto. Dado que gran parte del material ya se ha eliminado durante el desbaste, las cargas de corte sobre la fresa se reducen, lo que se traduce en un menor desgaste de la herramienta, una mayor precisión dimensional y tiempos de mecanizado más cortos.

Después de varias pasadas de desbaste y una operación final de tallado, la rueda helicoidal alcanza su geometría de diente final y luego se inspecciona para verificar parámetros como la precisión del perfil del diente, el paso y el acabado superficial antes de ser aprobada para su servicio. ^{[ 9 ]}

• Lista de nomenclatura de engranajes
• Engranaje
• Actuador lineal , en algunas variantes también denominado engranaje helicoidal o mecanismo de tornillo sin fin.
• Cremallera y piñón
• Mecanismo de giro

• La Biblioteca Digital de Modelos Cinemáticos para el Diseño (KMODDL) ofrece vídeos y fotografías de cientos de modelos de sistemas mecánicos en funcionamiento en la Universidad de Cornell. También incluye una biblioteca de libros electrónicos con textos clásicos sobre diseño e ingeniería mecánica.
• Fórmulas y cálculos para engranajes helicoidales
• Diversas especificaciones de diseño, modelos 2D-3D y catálogos de engranajes métricos descargables.
• Diversas cajas de engranajes helicoidales, modelos 3D
• Mecanizado de ejes y engranajes helicoidales