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Un cliente especifica un reductor de tornillo sinfín para una aplicación de elevación porque los engranajes de tornillo sinfín son autoblocantes, por lo que la carga no puede retroceder. No se necesita freno, lo que reduce costos.
Este razonamiento aparece en muchos diseños de máquinas y es lo suficientemente peligroso como para figurar como advertencia explícita en un documento técnico de AGMA:
Nota: Los juegos de engranajes de tornillo sinfín no deben considerarse autoblocantes. Bajo ciertas condiciones de carga, es posible el movimiento inverso de la rueda dentada del tornillo sinfín.
Una referencia técnica reconocida lo expresa con mayor contundencia, identificando directamente la aplicación:
En la práctica, un tornillo sinfín no debe utilizarse como dispositivo de frenado en sistemas vinculados a la seguridad, por ejemplo, polipastos. Algunas condiciones de material y de funcionamiento pueden provocar el deslizamiento inverso de un engranaje de tornillo sinfín.
Si está diseñando un polipasto, un elevador, una compuerta o cualquier sistema en el que la caída de una carga pueda lesionar a una persona, necesita un freno. La geometría del tornillo sinfín no es un sustituto válido.
A continuación se explica la base técnica de esta afirmación.
El bloqueo automático depende de la relación entre el ángulo de avance de la rosca y el ángulo de fricción. Declaraciones publicadas de esta regla, provenientes de tres fuentes independientes:
· El bloqueo automático ocurre cuando el ángulo de avance de la rosca equivale a arctan(coeficiente de fricción), típicamente en el rango de 2 a 8 grados gama
· Cuando el ángulo de avance es menor que el ángulo de fricción, la rueda dentada no puede accionar la rosca en sentido inverso
· La condición es: ángulo de avance < arctan(coeficiente de fricción)
Las tres fuentes expresan lo mismo, aunque con notación distinta. Por debajo de cierto ángulo de avance, el mecanismo resiste el accionamiento inverso.
El criterio utiliza un coeficiente de fricción. ¿Qué coeficiente de fricción?
A velocidad de deslizamiento nula, el valor publicado es 0.15. Es decir, el valor estático, y constituye el valor máximo. En cuanto comienza el deslizamiento, el coeficiente de fricción disminuye.
Una referencia señala que el coeficiente estático es el relevante para el límite de bloqueo automático, precisamente porque no se puede iniciar el movimiento del engranaje.
Este es el mecanismo detrás de los fallos. En reposo, la fricción es alta y el accionamiento se mantiene fijo. Al introducir vibración, el accionamiento experimenta micro-movimiento. El micro-movimiento desplaza el contacto desde la condición estática hacia la condición dinámica, donde la fricción es menor. El ángulo de fricción disponible para sostener la carga se reduce y la carga comienza a deslizarse lentamente.
La vibración no es una condición exótica. Una máquina que funciona cerca, un motor que arranca en el mismo bastidor o un vehículo que pasa fuera del edificio: todo ello puede anular el autobloqueo estático.
No existe en la bibliografía publicada que pudimos encontrar ningún factor cuantificado de reducción de capacidad por vibración. Esa ausencia es, en sí misma, informativa: la respuesta ingenieril no consiste en reducir la capacidad de autobloqueo, sino en no confiar en él.
El autobloqueo y la eficiencia son dos perspectivas de la misma geometría. Un accionamiento que resiste la transmisión inversa es un accionamiento que disipa mucha energía al avanzar.
Eficiencia del engranaje de tornillo sinfín según el número de inicios. El comportamiento de autobloqueo existe únicamente en la región de baja eficiencia.
La fórmula que rige:
η = tan(λ) / tan(λ + φ)
donde λ es el ángulo de avance del tornillo sinfín y φ es el ángulo de fricción equivalente.
Un ejemplo resuelto publicado: para un tornillo sinfín de un solo inicio con λ = 5 grados y φ = 6 grados, la eficiencia es del 45,01 %.
Eficiencia según el número de inicios del tornillo sinfín:
| Tipo de tornillo sinfín | Eficiencia publicada |
| Un solo inicio | 40 a 50 % |
| Inicio sencillo, buenas condiciones y alta precisión de mecanizado | 50 a 70 % |
| Inicio doble | del 70 al 78 % |
| Inicio múltiple | 78 a 92 % |
Para diseños de alta eficiencia, el ángulo de avance recomendado es 10 a 20 grados . Obsérvese que este valor está muy por encima de la banda de autobloqueo de 2 a 8 grados. No es posible tener ambas características.
Una referencia indica una eficiencia global del 98 % en las relaciones de transmisión más bajas, descendiendo hasta el 20 % en las más altas. Otra cita valores del 50 al 90 %, dependiendo del ángulo de avance, del número de inicios y de la fricción.
El compromiso es inevitable: el bloqueo automático le cuesta más de la mitad de su potencia de entrada.
Si necesita comportamiento de bloqueo automático:
· Acepte un solo inicio, ángulo de avance bajo y una eficiencia del 40 al 50 %
· Dimensione el motor según las pérdidas, no solo según la carga
· Dimensione la caja de cambios según la disipación térmica, porque la potencia perdida se convierte en calor
·Instale igualmente un freno si la posibilidad de accionamiento inverso implica riesgo de lesión o daño
Si necesita eficiencia:
· Múltiples inicios, ángulo de avance de 10 a 20 grados y eficiencia del 78 al 92 %
· Aceptar que el accionamiento retrocederá por sí solo
· Instalar un freno, un contrapeso o utilizar un tipo distinto de engranaje
Si necesita ambas funciones, la transmisión por tornillo sinfín es la opción incorrecta. Considere una unidad helicoidal o helicoidal-cónica con un freno de retención adecuado.
Las cajas de tornillo sinfín suelen estar limitadas térmicamente más que mecánicamente . Los dientes del engranaje podrían soportar mayor par que el que la caja puede disipar como calor.
Esto es una consecuencia directa de los valores de rendimiento indicados anteriormente. Una transmisión por tornillo sinfín de una sola entrada con un rendimiento del 45 % convierte más de la mitad de su potencia de entrada en calor dentro de una carcasa pequeña. Por ello, los catálogos de cajas reductoras de tornillo sinfín especifican una clasificación térmica por separado de la clasificación mecánica, y por eso la clasificación térmica suele ser la limitación determinante.
Consecuencias prácticas:
· Las clasificaciones para servicio continuo son mucho más bajas que las de servicio intermitente
· La temperatura ambiente es relevante; una caja calificada en un taller a 20 grados se comporta de forma distinta en una sala de máquinas a 40 grados
· La refrigeración forzada o una caja más grande suelen ser más económicas que lidiar con fallos prematuros
Cubiertas de engranajes de tornillo sinfín de reducción simple 5:1 a 75:1 según una referencia, mientras que otra cita 5:1 a 300:1 para engranajes de tornillo sinfín utilizados específicamente en grandes reducciones.
La verdadera ventaja del engranaje de tornillo sinfín es su capacidad de alta relación en una sola etapa, junto con su disposición en ángulo recto y su funcionamiento silencioso derivado del contacto deslizante. Esas son las razones para elegirlo. El bloqueo automático no debe figurar en dicha lista.
Para un ángulo normal de presión estándar de 20 grados, el ángulo de avance debe mantenerse por debajo de 25 grados .
Las ruedas dentadas de tornillo sinfín funcionan en bronce contra un tornillo sinfín de acero endurecido. La razón radica en el contacto deslizante: el engranaje de tornillo sinfín se desliza, no rueda; por tanto, el par requiere materiales distintos con buenas características de deslizamiento y conformabilidad. El bronce frente al acero es la combinación que funciona.
El tornillo sinfín está endurecido y rectificado; la rueda es el componente sacrificable. Esto es intencional. Cuando el accionamiento se desgasta, se reemplaza la pieza más económica y fácil de sustituir.
La velocidad de la línea de paso puede alcanzar los 30 m/s en condiciones ideales, pero la mayoría de los engranajes de tornillo sinfín industriales funcionan muy por debajo de este valor.
¿Puedo usar un reductor de tornillo sinfín para sostener una carga sin freno?
No donde una caída de carga pueda causar daños. Las directrices publicadas por AGMA y las referencias técnicas reconocidas indican expresamente que los conjuntos de tornillo sinfín no deben considerarse autoblocantes y advierten específicamente contra su uso como dispositivos de frenado en polipastos.
Mi reductor de tornillo sinfín ha sostenido una carga durante años sin deslizamiento. ¿No es, entonces, autoblocante?
Es estáticamente autoblocante bajo sus condiciones actuales. Cambie el lubricante, permita que el engranaje se desgaste, añada vibraciones provenientes de nuevos equipos o incremente la carga, y esta condición puede cambiar. El autobloqueo es una condición, no una propiedad.
¿Por qué mi reductor de tornillo sinfín funciona tan caliente?
Porque los engranajes de tornillo sin fin son ineficientes y la potencia perdida se convierte en calor. Verifique si está dentro del límite térmico, no del límite mecánico; se trata de valores distintos y normalmente el límite térmico es el que rige primero.
¿Resolvería mi problema de eficiencia un tornillo sin fin de doble inicio?
Elevaría la eficiencia desde el intervalo del 40 al 50 % hasta el intervalo del 70 al 78 %. Asimismo, elimina cualquier comportamiento de autobloqueo. Asegúrese de que nada en la máquina dependa de dicho comportamiento.
¿Qué eficiencia debo usar para dimensionar el motor?
Utilice el valor correspondiente a su relación de transmisión y número de inicios específicos, tomado de los datos del fabricante del reductor, no un valor genérico. El rango de eficiencias entre distintos diseños de engranajes de tornillo sin fin es lo bastante amplio como para que una suposición genérica provoque un dimensionamiento incorrecto del motor.
¿Es el bronce la única opción para la rueda dentada del tornillo sin fin?
Es el material estándar por una buena razón, pero el tipo específico de bronce varía según la aplicación. Especifique la aleación con su proveedor de reductores, basándose en la carga, la velocidad y el ciclo de trabajo.
Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. fabrica juegos de tornillo sin fin y rueda dentada, con rueda de bronce acoplada a un tornillo sin fin de acero endurecido y rectificado, en versiones de una sola entrada y de múltiples entradas. Indíquenos la relación de transmisión, el ciclo de trabajo y si el accionamiento debe resistir el giro inverso; le informaremos con sinceridad si los engranajes de tornillo sin fin son la opción adecuada para su carga.