Los engranajes helicoidales son componentes de transmisión de potencia que se utilizan principalmente como reducciones de alta relación para cambiar la dirección de rotación del eje y para disminuir la velocidad y aumentar el par entre ejes giratorios no paralelos. Se utilizan en ejes con ejes perpendiculares que no se cruzan. Debido a que los dientes de los engranajes engranados se deslizan entre sí, los engranajes helicoidales son ineficientes en comparación con otras transmisiones por engranajes, pero pueden producir reducciones masivas de velocidad en espacios muy compactos y, por lo tanto, tienen muchas aplicaciones industriales. Básicamente, los engranajes helicoidales se pueden clasificar en de envoltura simple y doble, lo que describe la geometría de los dientes engranados. Los engranajes helicoidales se describen aquí junto con una discusión sobre su funcionamiento y aplicaciones comunes.

Engranajes helicoidales cilíndricos

La forma básica del tornillo sin fin es la cremallera de espiral mediante la cual se generan engranajes rectos. Los dientes de cremallera tienen paredes rectas, pero cuando se utilizan para generar dientes en engranajes en bruto, producen la familiar forma de diente curvo del engranaje recto involuto. Esta forma de diente de cremallera esencialmente se enrolla alrededor del cuerpo del gusano. el apareamiento rueda helicoidal está compuesto deengranaje helicoidaldientes cortados en un ángulo que coincide con el ángulo del diente del gusano. La verdadera forma del espolón sólo se produce en la sección central de la rueda, cuando los dientes se curvan para envolver el gusano. La acción de engrane es similar a la de una cremallera que impulsa un piñón, excepto que el movimiento de traslación de la cremallera es reemplazado por el movimiento giratorio del gusano. La curvatura de los dientes de las ruedas a veces se describe como "con garganta".

Los gusanos tendrán al menos uno y hasta cuatro (o más) subprocesos o inicios. Cada hilo encaja en un diente de la rueda helicoidal, que tiene muchos más dientes y un diámetro mucho mayor que el gusano. Los gusanos pueden girar en cualquier dirección. Las ruedas helicoidales suelen tener al menos 24 dientes y la suma de las roscas helicoidales y los dientes de la rueda normalmente debe ser superior a 40. Las ruedas helicoidales se pueden fabricar directamente en el eje o por separado y deslizarse en un eje más tarde.
En teoría, muchos reductores de tornillo sin fin son autoblocantes, es decir, incapaces de ser impulsados ​​hacia atrás por la rueda helicoidal, una ventaja en muchos casos como el de elevación. Cuando la característica deseada es la marcha atrás, la geometría del tornillo sin fin y la rueda se pueden adaptar para permitirla (a menudo requiriendo múltiples arranques).
La relación de velocidad del tornillo sin fin y la rueda está determinada por la relación entre el número de dientes de la rueda y las roscas del tornillo sin fin (no sus diámetros).
Debido a que el tornillo sin fin sufre comparativamente más desgaste que la rueda, a menudo se utilizan materiales diferentes para cada uno, como un tornillo sin fin de acero endurecido que acciona una rueda de bronce. También se encuentran disponibles ruedas helicoidales de plástico.

Engranajes helicoidales de envolvente simple y doble

Envolver se refiere a la forma en que los dientes de la rueda helicoidal se envuelven parcialmente alrededor del gusano o los dientes del gusano se envuelven parcialmente alrededor de la rueda. Esto proporciona una mayor área de contacto. Un engranaje helicoidal de una sola envoltura utiliza un gusano cilíndrico para engranar con los dientes dentados de la rueda.
Para brindar una superficie de contacto aún mayor con los dientes, a veces el gusano tiene una garganta (con forma de reloj de arena) para que coincida con la curvatura de la rueda helicoidal. Esta configuración requiere un posicionamiento axial cuidadoso del gusano. Los engranajes helicoidales de doble envoltura son complejos de mecanizar y tienen menos aplicaciones que los engranajes helicoidales de envoltura simple. Los avances en el mecanizado han hecho que los diseños de doble envolvente sean más prácticos que en el pasado.
Los engranajes helicoidales de eje cruzado a veces se denominan engranajes helicoidales no envolventes. Es probable que una abrazadera de avión tenga un diseño no envolvente.

Aplicaciones

Una aplicación común de los reductores de tornillo sin fin son las transmisiones por correa transportadora, ya que la correa se mueve comparativamente lentamente con respecto al motor, lo que justifica una reducción de alta relación. La resistencia al retroceso a través de la rueda helicoidal se puede utilizar para evitar la inversión de la correa cuando el transportador se detiene. Otras aplicaciones comunes son en actuadores de válvulas, gatos y sierras circulares. A veces se utilizan para indexación o como accionamientos de precisión para telescopios y otros instrumentos.
El calor es una preocupación con los engranajes helicoidales, ya que esencialmente todo el movimiento se desliza como una tuerca en un tornillo. Para un actuador de válvula, es probable que el ciclo de trabajo sea intermitente y el calor probablemente se disipe fácilmente entre operaciones poco frecuentes. En el caso de un accionamiento de cinta transportadora, posiblemente con funcionamiento continuo, el calor juega un papel importante en los cálculos de diseño. Además, se recomiendan lubricantes especiales para los tornillos sin fin debido a las altas presiones entre los dientes, así como a la posibilidad de fricción entre los diferentes materiales del tornillo sin fin y de las ruedas. Las carcasas de los tornillos sin fin suelen estar equipadas con aletas de refrigeración para disipar el calor del aceite. Se puede lograr casi cualquier cantidad de enfriamiento, por lo que los factores térmicos para los engranajes helicoidales son una consideración, pero no una limitación. Generalmente se recomienda que los aceites se mantengan por debajo de los 200 °F para que haya un funcionamiento eficaz de cualquier tornillo sin fin.
El retroceso puede ocurrir o no, ya que depende no solo de los ángulos de la hélice sino también de otros factores menos cuantificables, como la fricción y la vibración. Para asegurar que esto siempre ocurrirá o nunca ocurrirá, el diseñador del tornillo sin fin debe seleccionar ángulos de hélice que sean lo suficientemente pronunciados o lo suficientemente poco profundos para anular estas otras variables. Un diseño prudente a menudo sugiere incorporar frenado redundante con accionamientos autoblocantes cuando la seguridad está en juego.
Los engranajes helicoidales están disponibles como unidades alojadas y como juegos de engranajes. Algunas unidades se pueden adquirir con servomotores integrales o con diseños de varias velocidades.
Se encuentran disponibles gusanos de precisión especiales y versiones sin juego para aplicaciones que implican reducciones de alta precisión. Algunos fabricantes ofrecen versiones de alta velocidad.