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 sin fin 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 el tornillo sin fin como una unidad.
El tornillo sin fin o "tornillo sin fin" fue inventado por Arquitas de Tarento, Apolonio de Perga o Arquímedes , siendo este último el autor más probable. [1] El tornillo sin fin apareció más tarde en el subcontinente indio , para su uso en desmotadoras de algodón con rodillo , durante el Sultanato de Delhi en los siglos XIII o XIV. [2]
Una caja de cambios 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 accionamiento a 90° entre sí. Con un sinfín de arranque único , por cada giro de 360° del sinfín, la rueda sinfín avanza sólo un diente. Por lo tanto, independientemente del tamaño del tornillo sin fin (a pesar de los límites razonables de ingeniería), la relación de transmisión es el "tamaño de la rueda helicoidal - a - 1" . Dado un tornillo sin fin de arranque único, una rueda helicoidal de 20 dientes reduce la velocidad en una proporción de 20:1. Con los 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 al del engranaje de 20 dientes, la disposición de tornillo sin fin tiene un volumen considerablemente menor.
Todo el accionamiento (tanto de tornillo sin fin como de rueda) se puede clasificar de la siguiente manera:
Estas clasificaciones se refieren al propio gusano:
A diferencia de los trenes de engranajes ordinarios, la dirección de transmisión (eje de entrada versus 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 sin fin y la rueda helicoidal, y es especialmente frecuente cuando se utiliza un tornillo sin fin de arranque único (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 arranque múltiple (múltiples espirales), entonces la relación se reduce en consecuencia y es posible que sea necesario descontar el efecto de frenado de un tornillo sin fin y una rueda helicoidal, ya que la rueda puede ser capaz de impulsar el tornillo sin fin.
Las configuraciones de tornillo sin fin en las que la rueda no puede impulsar el tornillo sin fin se denominan autoblocantes . El autobloqueo de un tornillo sin fin depende del ángulo de avance, del ángulo de presión y del coeficiente de fricción.
Algunos atribuyen la invención del tornillo sin fin a Arquímedes durante la Primera Guerra Púnica , [1] en la que el tamaño de los barcos que se construían requería una grúa mucho más grande que la que estaba disponible en ese momento. [5] : 7 La grúa desarrollada para este propósito utilizaba un tornillo sin fin y varios engranajes de aumento y recibió el nombre de barulkon . La descripción de esta grúa quedó registrada 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 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 accionamiento nunca se construyó durante su vida. [7]
Desde la invención del tornillo sin fin se reconoció que era más eficaz cuando se iba a utilizar una relación de transmisión grande; Hasta la década de 1900, continuó utilizándose para este propósito, aunque encontró aplicaciones limitadas en el desarrollo inicial de motores eléctricos, ya que las transmisiones se sobrecalentaban a altas velocidades del eje. [5] : 10 Las aplicaciones modernas del tornillo sin fin comenzaron poco después de la introducción de métodos de lubricación más efectivos mediante carcasas de engranajes cerradas. [5] : 11
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 de la rueda pinchada. El uso de un tornillo sin fin redujo este efecto. Un mayor desarrollo de la transmisión helicoidal condujo a rodamientos de bolas de recirculación 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 para girar con precisión.
Los tornillos sin fin son un medio compacto para reducir sustancialmente la velocidad y aumentar el par. Los motores eléctricos pequeños son generalmente de alta velocidad y de 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 tornillos sin fin se utilizan en prensas , laminadores , sistemas de transporte , máquinas para la industria minera, timones y sierras circulares . Además, los cabezales de fresado y las mesas giratorias se posicionan mediante tornillos sin fin dúplex de alta precisión con juego ajustable . Los accionamientos helicoidales se utilizan en muchas aplicaciones de accionamiento de ascensores y escaleras mecánicas, debido a su tamaño compacto y su no reversibilidad.
En la era de los veleros, la introducción de un tornillo sin fin para controlar el timón supuso un avance significativo. Antes de su introducción, un tambor de cable controlaba el timón. Los mares agitados podían aplicar una fuerza sustancial al timón, lo que a menudo requería que varios hombres gobernaran el barco; algunos propulsores tenían dos ruedas de gran diámetro para que hasta cuatro tripulantes pudieran operar el timón.
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Los engranajes helicoidales se han utilizado en algunos mandos finales del eje trasero de automóviles (aunque no en el diferencial en sí). Aprovecharon que la ubicación del gusano estaba 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, se colocó el gusano encima. En la década de 1920, la firma Stutz los utilizó en sus coches; para 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 sin fin protege el vehículo contra el retroceso. Esta capacidad ha caído en gran medida en desgracia debido a los ratios de reducción superiores a los necesarios. [8]
Una excepción más reciente a esto es el diferencial Torsen , que utiliza ruedas helicoidales y tornillos 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 comerciales Hummer , y como diferencial central en algunos sistemas de tracción total , como el quattro de Audi . Los camiones muy pesados, como los que se utilizan para transportar agregados , suelen utilizar un diferencial de tornillo sin fin para mayor resistencia. El tornillo sin fin no es tan eficiente como un engranaje hipoide , y estos camiones invariablemente tienen una caja de diferencial muy grande, con un volumen correspondientemente grande de aceite para engranajes , para absorber y disipar el calor creado.
Los tornillos sin fin 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 alta gama utilizan engranajes planetarios o clavijas de fricción). Un dispositivo de afinación 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, además de ser más silencioso que un accionamiento con engranajes metálicos. [8] Este sistema de motor-gusano se utiliza a menudo en juguetes y otros dispositivos eléctricos pequeños.
Se utiliza un tornillo sin fin en las abrazaderas de manguera tipo Jubilee o en las abrazaderas Jubilee . La rosca sin fin del tornillo de apriete encaja en las ranuras de la banda de sujeción.
Ocasionalmente, un tornillo sin fin está diseñado para funcionar en reversa, lo que hace que el eje sin fin gire mucho más rápido que la entrada. Ejemplos de esto se pueden ver en algunas centrífugas de manivela , en un soplador de forja de herrería o en el regulador de viento de una caja de música .
Un engranaje helicoidal a la derecha o un tornillo sin fin a la derecha 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 las roscas de los tornillos, tanto externas como internas. Dos engranajes helicoidales externos que operen sobre ejes paralelos deben estar en lados opuestos. Un engranaje helicoidal interno y su piñón deben ser del mismo lado.
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 primero se tallan para desbastar los dientes y luego se tallan hasta alcanzar las dimensiones finales. [9]
