Transmisión por tornillo sin fin

Un sinfín es un mecanismo de engranajes en el que un sinfín (que es un engranaje en forma de tornillo ) engrana con una rueda helicoidal (que es similar en apariencia a un engranaje recto ). Su propósito principal es traducir el movimiento de dos ejes perpendiculares o traducir el movimiento circular a movimiento lineal (ejemplo: abrazadera de manguera tipo banda ). Los dos elementos también se denominan tornillo sinfín y engranaje sinfín . La terminología a menudo se confunde por el uso impreciso del término engranaje sinfín para referirse al sinfín, la rueda helicoidal o el mecanismo de sinfín como una unidad.

El mecanismo de 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 mecanismo de tornillo sin fin apareció más tarde 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 cambios diseñada con un sinfín 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 un solo arranque , por cada giro de 360° del sinfín, la rueda helicoidal avanza solo un diente. Por lo tanto, independientemente del tamaño del sinfín (a pesar de los límites de ingeniería razonables), la relación de transmisión es el "tamaño de la rueda helicoidal - a - 1" . Dado un sinfín de un solo arranque, 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 (DP) de cada engranaje es el mismo, entonces, en términos del tamaño físico del engranaje de 240 dientes con respecto al del engranaje de 20 dientes, la disposición del sinfín es considerablemente más pequeña en volumen.

El conjunto del accionamiento (tanto el tornillo sin fin como la rueda) se puede clasificar de la siguiente manera:

Sinfines sin garganta

Estos no tienen una garganta o ranura mecanizada alrededor de la circunferencia ni del sinfín ni de la rueda helicoidal.

Sinfines de garganta única

La rueda helicoidal tiene garganta.

Sinfines de doble garganta

Ambos engranajes tienen garganta. Este tipo de engranaje puede soportar la carga más alta. ^[3]

Estas clasificaciones se refieren al gusano en sí:

Gusano envolvente (gusano reloj de arena)

El gusano tiene uno o más dientes y aumenta de diámetro desde su porción media hacia ambos extremos. ^{[4] : 3}

Gusano de doble envoltura

El engranaje del sinfín está formado por sinfines envolventes acoplados con ruedas helicoidales totalmente envolventes. También se lo conoce como engranaje helicoidal globoidal. ^{[4] : 4}

A diferencia de los trenes de engranajes ordinarios, la dirección de transmisión (eje de entrada vs. eje de salida) no es reversible cuando se utilizan relaciones de reducción grandes. Esto se debe a la mayor fricción involucrada entre el sinfín y la rueda helicoidal, y es especialmente frecuente cuando se utiliza un sinfín de una sola entrada (una espiral). Esto puede ser una ventaja cuando se desea eliminar cualquier posibilidad de que la salida accione la entrada. Si se utiliza un sinfín de varias entradas (múltiples espirales), entonces la relación se reduce en consecuencia, y puede ser necesario descartar el efecto de frenado de un sinfín y una rueda helicoidal, ya que la rueda puede ser capaz de accionar el sinfín.

Las configuraciones de transmisión por tornillo sin fin en las que la rueda no puede accionar el tornillo sin fin se denominan autoblocantes . El hecho de que una transmisión por tornillo sin fin sea autoblocante depende del ángulo de avance, el ángulo de presión y el coeficiente de fricción.

La invención del sinfín se atribuye a Arquímedes durante la Primera Guerra Púnica , ^[1] en la que el tamaño de los barcos que se estaban construyendo requería una grúa mucho más grande que la disponible en ese momento. ^{[5] : 7} La grúa desarrollada para este propósito utilizó un sinfín 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 sinfín ; ^[6] el diseño estaba limitado por el hecho de que los engranajes metálicos no se habían inventado para la llegada del siglo XV, y el mecanismo nunca se construyó durante su vida. ^[7]

Desde la invención del sinfín se reconoció que era más eficaz cuando se debía utilizar una relación de transmisión grande; hasta la década de 1900, se siguió utilizando para este propósito, aunque encontró aplicaciones limitadas en el desarrollo temprano de motores eléctricos, ya que los accionamientos se sobrecalentaban a altas velocidades del eje. ^{[5] : 10} Las aplicaciones modernas del sinfín comenzaron poco después de la introducción de métodos de lubricación más efectivos a través de carcasas de engranajes cerradas. ^{[5] : 11}

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

Los sinfines son un medio compacto para reducir sustancialmente la velocidad y aumentar el par motor. Los motores eléctricos pequeños suelen tener alta velocidad y bajo par motor; la incorporación de un sinfín aumenta la variedad de aplicaciones para las que puede ser adecuado, especialmente si se tiene en cuenta la compacidad del sinfín.

Los sinfines se utilizan en prensas , laminadores , sistemas de transporte , máquinas de la industria minera, timones y sierras circulares . Además, los cabezales de fresado y las mesas giratorias se posicionan mediante sinfines dúplex de alta precisión con juego ajustable . Los sinfines 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 barcos de vela, la introducción de un mecanismo de transmisión por tornillo sin fin para controlar el timón supuso un avance significativo. Antes de su introducción, el timón se controlaba mediante un mecanismo de tambor de cuerda. Los mares agitados podían aplicar una fuerza considerable al timón, lo que a menudo requería que varios hombres manejaran el barco; algunos mecanismos de transmisión tenían dos ruedas de gran diámetro para que hasta cuatro tripulantes pudieran operar el timón.

Los sinfines se han utilizado en algunos sistemas de transmisión final de eje trasero de automóviles (aunque no en el diferencial en sí). Aprovechaban la ubicación del sinfín, que se encontraba en la parte superior o inferior de la corona del diferencial. En la década de 1910, eran comunes en los camiones; para obtener el máximo espacio libre en caminos embarrados, el sinfín 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 sinfín se ubicó en la parte inferior. Un ejemplo de alrededor de 1960 fue el Peugeot 404. El sinfín protege al vehículo contra el retroceso. Esta capacidad ha caído en desuso en gran medida, debido a las relaciones de reducción más altas de lo necesario. ^[8]

Una excepción más reciente a esto es el diferencial Torsen , que utiliza ruedas helicoidales y sinfines planetarios, en lugar del engranaje cónico de los diferenciales abiertos convencionales. Los diferenciales Torsen se utilizan de forma 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 áridos , a menudo utilizan un diferencial de transmisión por sinfín para mayor resistencia. La transmisión por sinfín 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 creado.

Los sinfines se utilizan como mecanismo de afinación para muchos instrumentos musicales, incluidas guitarras , contrabajos , mandolinas , buzukis y muchos banjos (aunque la mayoría de los banjos de alta gama utilizan engranajes planetarios o clavijas de fricción). Un dispositivo de afinación con sinfín se llama clavijero .

Los sinfines de plástico se utilizan a menudo en pequeños motores eléctricos que funcionan con batería, para proporcionar una salida con una velocidad angular menor (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 sinfín-motor se utiliza a menudo en juguetes y otros pequeños dispositivos eléctricos.

En las abrazaderas para mangueras tipo Jubilee o Jubilee Clamps se utiliza un sinfín . La rosca sinfín del tornillo de apriete encaja en las ranuras de la banda de la abrazadera.

En ocasiones, un sinfín está diseñado para funcionar en sentido inverso, lo que hace que el eje del sinfín gire mucho más rápido que el de entrada. Se pueden ver ejemplos de esto en algunas centrífugas accionadas manualmente, en el soplador de una fragua de herrería o en el regulador de viento de una caja de música .

Un engranaje helicoidal de mano derecha o sinfín de mano derecha es aquel en el que los dientes giran en el sentido de las agujas del reloj a medida que se alejan del observador que mira a lo largo del eje. Las designaciones, mano derecha e mano izquierda, son las mismas que en la práctica establecida desde hace mucho tiempo para las roscas de tornillo, tanto externas como internas. Dos engranajes helicoidales externos que funcionan en ejes paralelos deben ser de mano opuesta. Un engranaje helicoidal interno y su piñón deben ser de la misma mano.

Un engranaje helicoidal de mano izquierda o un tornillo sin fin de mano izquierda 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}

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Las ruedas helicoidales se cortan primero para desbastar los dientes y luego se refinan más para acercarse a la forma final del engranaje, generalmente con una precisión de 0,5 milímetros (0,020 pulgadas). Si el corte se realiza con la suficiente precisión, no se necesitarán herramientas especiales para el proceso de tallado . Después de unas cuantas pasadas de corte, se tallan hasta obtener su forma final ^[9].

• Lista de nomenclatura de engranajes
• Engranaje
• Actuador lineal , algunas formas a veces también se denominan engranaje helicoidal o transmisión helicoidal
• Cremallera y piñón
• Accionamiento de giro

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Engranajes helicoidales .

• Biblioteca digital de modelos cinemáticos para el diseño (KMODDL)
  Películas 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 mecánico e ingeniería.
• Fórmulas y cálculos para transmisión por tornillo sin fin
• Varias especificaciones de diseño descargables de engranajes métricos, modelos 2D-3D y catálogos
• Varios modelos 3D de reductores helicoidales
• Mecanizado de ejes helicoidales y engranajes helicoidales