El engranaje helicoidal es uno de los tipos de transmisión más antiguos y, al mismo tiempo, más utilizados en la tecnología de accionamientos. Ya sea en la dirección electromecánica, en los sistemas de accionamiento de elevadores, en el motor del limpiaparabrisas o en el accionamiento de posicionamiento de una instalación de producción, siempre que se requieren relaciones de transmisión elevadas en un espacio de instalación reducido, este tipo de engranaje ofrece importantes ventajas. Pero, ¿cómo funciona exactamente un engranaje helicoidal?, ¿por qué puede autobloquearse y qué aspectos son importantes durante la fabricación del tornillo sinfín?
1. ¿Cómo funciona el engranaje helicoidal?
Un engranaje helicoidal consta de dos componentes principales: el tornillo sinfín y el engrane helicoidal. El tornillo sinfín es un eje alrededor del cual se enrollan uno o varios dientes en forma helicoidal, comparable a una rosca. Puede entenderse como una forma especial de engranaje helicoidal con un ángulo de hélice muy grande. La corona de tornillo sinfín es el engranaje conjugado correspondiente, cuyos dientes están adaptados con exactitud a la geometría del tornillo sinfín. Característica de la transmisión de tornillo sinfín es la disposición de los dos ejes: se cruzan sin llegar a intersectarse, generalmente bajo un ángulo de 90 grados.
Cuando el tornillo sinfín gira, sus espiras empujan continuamente los dientes del engrane helicoidal — de manera similar a un tornillo que avanza a través de una tuerca. Por cada vuelta del tornillo sinfín, el engrane helicoidal avanza únicamente tantos dientes como entradas tenga el tornillo sinfín. De esto resulta la relación de transmisión de la transmisión de tornillo sinfín: equivale al número de dientes del engrane helicoidal dividido entre el número de entradas del tornillo sinfín. Un tornillo sinfín de una entrada que acciona un engrane helicoidal de 60 dientes genera una reducción de 60:1 en una sola etapa de transmisión. Los diseños habituales van desde aproximadamente 5:1 hasta más de 70:1, y en casos especiales aún más.
Representación de un tornillo sinfín y un engrane helicoidal, que ilustra el principio de funcionamiento: las espiras del tornillo sin fin empujan hacia delante los dientes del engrane helicoidal.
Una característica distingue a la transmisión de tornillo sinfín de las transmisiones de engranajes clásicas: en el engrane, el componente de deslizamiento predomina claramente sobre el componente de rodadura. Los flancos del tornillo sinfín deslizan sobre los dientes del engrane helicoidal. Esto genera fricción, pero también proporciona la marcha notablemente silenciosa y de baja vibración por la que esta forma constructiva de transmisión es conocida. Para controlar la fricción de deslizamiento, se emplea habitualmente una pareja de materiales lubricada compuesta por un tornillo sinfín de acero templado y rectificado y un engrane helicoidal de bronce.
Mecanizado de un tornillo sinfín para el accionamiento de un ascensor. El autobloqueo del engranaje helicoidal mantiene la carga de forma segura incluso sin alimentación eléctrica, lo que constituye un argumento clave para su uso en la tecnología de elevación.
2. ¿Qué finalidad cumple esta tecnología?
La finalidad más importante del engranaje helicoidal es conseguir relaciones de transmisión muy elevadas hacia velocidades bajas con un espacio de montaje mínimo. Donde se necesitarían engranajes cilíndricos de varias etapas, aquí basta con una sola etapa. Esto ahorra componentes, peso y espacio. Al mismo tiempo, el engranaje helicoidal desvía el flujo de fuerza 90 grados, lo que en muchas situaciones de montaje es precisamente lo que se busca desde el punto de vista constructivo, por ejemplo, cuando un motor eléctrico está situado transversalmente al eje de salida.
Una segunda función, a menudo relevante para la seguridad, es el autobloqueo: si el ángulo de paso del tornillo sinfín es menor que el ángulo de fricción de la combinación de materiales, el engranaje solo puede ser accionado desde el tornillo sinfín. Un torque aplicado a los engranajes de tornillo sin fin no es suficiente para poner en movimiento el tornillo sinfín. En ese caso, el engranaje se bloquea por sí solo, sin necesidad de ningún freno adicional. Esta característica convierte al engrane de tornillo sin fin en una opción ideal en sistemas de elevación y transporte, en aplicaciones de escenarios y ascensores, o en actuadores de posicionamiento que deben mantener su posición de forma segura incluso sin alimentación eléctrica.
Por ello, sus campos de aplicación son muy variados. En la industria automotriz, se utiliza en los sistemas de dirección asistida electromecánica de los automóviles. En el ámbito industrial, se emplea en sistemas de elevación, equipos de embalaje y transporte, así como en innumerables accionamientos de posicionamiento utilizados en la construcción de maquinaria e instalaciones industriales. Los engranajes helicoidales se caracterizan por su larga vida útil, especialmente cuando las velocidades del motor no son muy elevadas. Por lo tanto, constituyen una muy buena alternativa a los engranajes cónicos.
Rectificado de un tornillo sinfín de dirección. En los sistemas de dirección asistida electromecánica, un engranaje helicoidal reduce la velocidad de giro del servomotor. Se trata de un mercado en crecimiento, con requisitos cada vez mayores en cuanto a funcionamiento silencioso y precisión.
3. ¿Quién lo inventó?
El principio de funcionamiento del engranaje helicoidal tiene más de 2.000 años de antigüedad. Ya en la Antigüedad se atribuyó a Arquímedes de Siracusa (287–212 a. C.) la idea del «tornillo sin fin», con el que era posible mover cargas pesadas mediante una manivela. Este es el principio básico del tornillo sinfín y la corona. Leonardo da Vinci desarrolló aún más esta idea hacia el año 1500: en sus cuadernos de bocetos se encuentran representaciones sorprendentemente modernas de engranajes helicoidales, entre las que ya figura una forma helicoidal globoidal que distribuye el engranaje entre varios dientes.
El engranaje helicoidal alcanzó finalmente su madurez industrial en el siglo XIX con el auge de la tecnología de las máquinas-herramienta: solo los procesos de fresado y rectificado con gran precisión hicieron posible fabricar perfiles helicoidales con tal precisión que se pudieran transmitir altos rendimientos de forma confiable. Hasta hoy sigue siendo válido que el rendimiento de un engranaje helicoidal depende totalmente de la calidad de fabricación del tornillo sinfín y del engrane de tornillo sin fin.
Rectificado de un tornillo sinfín dúplex cuyo grosor de los dientes varía de forma continua a lo largo de su longitud. Mediante un desplazamiento axial, se puede ajustar y reajustar con precisión el juego entre los dientes en el engranaje helicoidal.
4. ¿Qué ventajas e inconvenientes tiene el engranaje helicoidal?
Las ventajas principales son evidentes: el engranaje helicoidal alcanza relaciones de transmisión muy elevadas en una sola etapa, lo que le confiere un diseño excepcionalmente compacto. El engranaje deslizante lo convierte en uno de los tipos de engranaje más silenciosos que existen. Una ventaja cada vez más importante en una época en la que las instalaciones deben ser cada vez más silenciosas. A ello se suman el posible autobloqueo como función de seguridad integrada y el ahorro de costes, ya que se pueden prescindir de los frenos; la buena amortiguación de los golpes y las vibraciones en la cadena cinemática; así como el cambio de dirección de 90 grados, a menudo muy apreciado desde el punto de vista constructivo.
A esto se contraponen algunas desventajas de carácter físico. La fricción por deslizamiento reduce el rendimiento; sin embargo, en cuanto a rendimiento, los engranajes helicoidales son claramente mejores de lo que se cree y, en muchos aspectos, superiores a los engranajes cónicos. Solo los engranajes rectos y los planetarios, al no presentar entrecruzamiento de ejes, son superiores a los engranajes helicoidales. Para aplicaciones de funcionamiento continuo, alto rendimiento y máxima eficiencia energética, estos conceptos de engranajes suelen ser la mejor opción. No obstante, como reductor compacto, robusto, duradero y silencioso, el engranaje helicoidal sigue siendo inigualable en términos de rentabilidad.
Eje de tornillo sinfín rectificado para un motorreductor en la productiva GR 250 de doble husillo de EMAG. Los flancos del diente se fabrican con una precisión de unos pocos micrómetros — la base para transmisiones de tornillo sinfín silenciosas y duraderas.
5. ¿Qué nos depara el futuro?
El engranaje helicoidal es un clásico con perspectivas de crecimiento. El principal motor de este crecimiento es la electrificación: en los sistemas de dirección electromecánicos, los frenos de estacionamiento eléctricos, los sistemas de ajuste de asientos y un sinfín de otros actuadores de los vehículos modernos funciona, en cada caso, un pequeño engranaje helicoidal. Las cantidades aumentan con cada nuevo modelo de vehículo. Al mismo tiempo, crecen las exigencias: en los silenciosos vehículos eléctricos, el comportamiento acústico y vibratorio (NVH) cobra especial importancia, lo que eleva aún más los requisitos de precisión del perfil y calidad de la superficie del eje helicoidal. También cobran importancia los diseños especiales, como el tornillo sinfín dúplex, cuyo espesor de diente varía de forma continua a lo largo de su longitud: mediante un desplazamiento axial, permite ajustar con exactitud el juego entre los dientes en el engranaje, lo que resulta ideal para accionamientos de precisión con poco juego.
Para la fabricación, esto significa que, tras girar el eje helicoidal, se realiza primero un fresado de perfil y los engranajes de tornillo sin fin se fresan por generación. En el caso de los tornillos sin fin de precisión templados, a continuación, se procede al rectificado de los flancos de los dientes con una precisión de unas pocas micras. Las máquinas de EMAG cubren íntegramente esta cadena de procesos: desde el fresado de tornillos sin fin y engranajes helicoidales, pasando por el fresado de perfiles, hasta el rectificado de tornillos sin fin de todas las formas dentadas normalizadas (ZA, ZI, ZK, ZN, ZC), así como de tornillos sin fin dúplex y perfiles especiales. Existen diversas variantes disponibles: por un lado, máquinas horizontales altamente flexibles para piezas individuales y series pequeñas y medianas, destinadas al fresado y rectificado de perfiles. Las máquinas horizontales son muy fáciles de preparar y, por lo tanto, constituyen la primera opción para una gran variedad de piezas de trabajo. Por otro lado, EMAG cuenta en su catálogo con fresadoras de perfiles y fresadoras de engranajes verticales con cargador de anillos para la producción de grandes lotes, en las que también se pueden realizar el fresado de las llaves de paso. Una rectificadora de perfiles altamente productiva con mesa de doble husillo para discos abrasivos rectificables y de CBN completa la gama de prestaciones. De este modo se fabrican engranajes helicoidales que también satisfacen las exigencias del futuro: más silenciosos, con mayor precisión y más duraderos.
La rectificadora de perfil horizontal G 375 H realiza el rectificado de ejes de tornillo sinfín de todas las formas de dentado normalizadas, así como perfiles dúplex y especiales, con tiempos de preparación inferiores a diez minutos.
