Tornillo sin fin

Una transmisión helicoidal es una disposición de engranajes en la que un tornillo sin fin (que es un engranaje en forma de tornillo) engrana con una rueda helicoidal (que es similar en apariencia a un engranaje recto). Los dos elementos también se denominan tornillo sinfín y engranaje helicoidal. La terminología a menudo se confunde por el uso impreciso del término engranaje helicoidal para referirse al tornillo sin fin, la rueda helicoidal o la transmisión helicoidal como una unidad.

El tornillo sin fin o "tornillo sin fin" fue inventado por Arquitas de Terento, Apolonio de Perga o Arquímedes, siendo este último el autor más probable. El tornillo sin fin apareció más tarde en el subcontinente indio, para su uso en desmotadoras de algodón con rodillos, durante el Sultanato de Delhi en los siglos XIII o XIV.

Explicación

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 tiene sus ejes de transmisión a 90° entre sí. Con un tornillo sinfín de una sola salida, por cada giro de 360° del tornillo sinfín, la rueda de tornillo sinfín avanza un solo diente. Por lo tanto, independientemente del tamaño del tornillo sin fin (a pesar de los límites de ingeniería sensibles), la relación de transmisión es el "tamaño de la rueda del tornillo sinfín - a - 1". Dado un tornillo sinfín de arranque único, una rueda de tornillo sinfín de 20 dientes reduce la velocidad en una proporción 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 (DP) de cada engranaje es el mismo, entonces, en términos del tamaño físico del engranaje de 240 dientes y el del engranaje de 20 dientes, la disposición del tornillo sinfín es considerablemente menor en volumen.

Tipos

Hay tres tipos diferentes de engranajes que se pueden usar en un tornillo sin fin.

Los primeros son unidades de tornillo sin fin sin garganta. Estos no tienen una garganta o ranura maquinada alrededor de la circunferencia del tornillo sin fin o de la rueda de tornillo sin fin. Los segundos son accionamientos helicoidales de garganta simple, en los que la rueda helicoidal tiene garganta. El tipo final son las unidades de tornillo sin fin de doble garganta, que tienen ambos engranajes con garganta. Este tipo de engranaje puede soportar la carga más alta.

Un gusano envolvente (reloj de arena) tiene uno o más dientes y aumenta de diámetro desde su parte media hacia ambos extremos.

Los engranajes helicoidales de doble envoltura comprenden tornillos sin fin envolventes acoplados con ruedas helicoidales completamente envolventes. También se conoce como engranaje helicoidal globoidal.

Dirección de transmisión

A diferencia de los trenes de engranajes ordinarios, la dirección de transmisión (eje de entrada frente a eje de salida) no es reversible cuando se utilizan relaciones de reducción grandes. Esto se debe a la mayor fricción que existe entre el tornillo sinfín y la rueda del tornillo sinfín, y es especialmente frecuente cuando se utiliza un tornillo sinfín de un solo comienzo (una espiral). Esto puede ser una ventaja cuando se desea eliminar cualquier posibilidad de que la salida controle la entrada. Si se utiliza un tornillo sinfín de múltiples arranques (múltiples espirales), entonces la relación se reduce en consecuencia, y es posible que sea necesario descontar el efecto de frenado de un tornillo sinfín y una rueda de tornillo sinfín, ya que la rueda puede impulsar el tornillo sinfín.

Las configuraciones de tornillo sinfín en las que la rueda no puede conducir el tornillo sinfín se denominan autobloqueantes. El hecho de que un tornillo sinfín sea autoblocante depende del ángulo de avance, el ángulo de presión y el coeficiente de fricción.

Aplicaciones

En los automóviles de principios del siglo XX, antes de la introducción de la dirección asistida, el efecto de un pinchazo o reventón en una de las ruedas delanteras tendía a tirar del mecanismo de dirección hacia el lado del neumático pinchado. El uso de un tornillo sin fin redujo este efecto. El desarrollo posterior de la transmisión por tornillo sin fin condujo a rodamientos de bolas recirculantes para reducir las fuerzas de fricción, que transmitían algo de fuerza de dirección a la rueda. Esto ayuda al control del vehículo y reduce el desgaste que podría causar dificultades en la dirección precisa.

Los tornillos sin fin son un medio compacto de reducir sustancialmente la velocidad y aumentar el par. Los motores eléctricos pequeños son generalmente de alta velocidad y bajo par; la adición de un tornillo sin fin aumenta la gama de aplicaciones para las que puede ser adecuado, especialmente cuando se considera la compacidad del tornillo sin fin.

Los accionamientos de tornillo sin fin se utilizan en prensas, trenes de laminación, ingeniería de transporte, máquinas de la industria minera, timones y sierras circulares. Además, los cabezales de fresado y las mesas giratorias se posicionan mediante transmisiones de tornillo sin fin dúplex de alta precisión con juego ajustable. Los accionamientos de tornillo sin fin se utilizan en muchas aplicaciones de accionamiento de ascensores/ascensores y escaleras mecánicas, debido a su tamaño compacto y su irreversibilidad.

En la era de los veleros, la introducción de un tornillo sin fin para controlar el timón fue un avance significativo. Antes de su introducción, un accionamiento de tambor de cuerda controlaba el timón. El mar embravecido podía aplicar una fuerza sustancial al timón, lo que a menudo requería que varios hombres dirigieran la embarcación; algunas transmisiones tenían dos ruedas de gran diámetro para que hasta cuatro tripulantes pudieran operar el timón.

Las transmisiones helicoidales se han utilizado en algunas transmisiones finales de ejes traseros de automóviles (aunque no en el diferencial en sí). Aprovecharon la ubicación del gusano en la parte superior o inferior de la corona del diferencial. En la década de 1910, eran comunes en los camiones; para obtener el mayor espacio libre en caminos embarrados, el gusano se colocó en la parte superior. En la década de 1920, la firma Stutz los usó en sus autos; Al tener un piso más bajo que sus competidores, el gusano se ubicó en la parte inferior. Un ejemplo de alrededor de 1960 fue el Peugeot 404. El tornillo sinfín protege el vehículo contra retrocesos. Esta capacidad ha caído en gran medida en desgracia, debido a los índices de reducción más altos de lo necesario.

Una excepción más reciente a esto es el diferencial Torsen, que utiliza ruedas helicoidales y tornillos sinfín planetarios, en lugar del engranaje cónico de los diferenciales abiertos convencionales. Los diferenciales Torsen se presentan de manera más destacada en el Humvee y algunos vehículos Hummer comerciales, y como diferencial central en algunos sistemas de tracción total, como el quattro de Audi. Los camiones muy pesados, como los que se usan para transportar agregados, a menudo usan un diferencial de transmisión helicoidal para mayor resistencia. El tornillo sinfín no es tan eficiente como un engranaje hipoidal, y tales camiones invariablemente tienen una carcasa de diferencial muy grande, con un volumen correspondientemente grande de aceite para engranajes, para absorber y disipar el calor creado.

Los impulsores helicoidales se utilizan como mecanismo de afinación para muchos instrumentos musicales, incluidas 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 sintonización de tornillo sin fin se llama cabezal de máquina.

Los tornillos sin fin de plástico se utilizan a menudo en pequeños motores eléctricos que funcionan con baterías, para proporcionar una salida con una velocidad angular más baja (menos revoluciones por minuto) que la del motor, que funciona mejor a una velocidad bastante alta. Este sistema de motor-gusano-impulsión se utiliza a menudo en juguetes y otros dispositivos eléctricos pequeños.

Se utiliza un tornillo sin fin en abrazaderas de manguera tipo jubilee o abrazaderas jubilee. La rosca helicoidal del tornillo de apriete encaja en las ranuras de la abrazadera.

Ocasionalmente, un tornillo sin fin está diseñado para funcionar en reversa, lo que hace que el eje del tornillo sinfín gire mucho más rápido que la entrada. Se pueden ver ejemplos de esto en algunas centrífugas de manivela, sopladores de forja de herrería o el regulador de viento en una caja musical.

Gusano izquierdo y derecho

Un engranaje helicoidal derecho o tornillo sinfín 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 designaciones, derecha e izquierda, son las mismas que en la práctica establecida desde hace mucho tiempo para roscas de tornillo, tanto externas como internas. Dos engranajes helicoidales externos que operen en ejes paralelos deben ser de mano opuesta. Un engranaje helicoidal interno y su piñón deben ser de la misma mano.

Un engranaje helicoidal izquierdo o tornillo sinfín izquierdo es aquel en el que los dientes giran en sentido contrario a las agujas del reloj a medida que se alejan de un observador que mira a lo largo del eje.

Fabricar

Las ruedas helicoidales primero se cortan para desbastar los dientes y luego se tallan hasta las dimensiones finales.