Engranajes hipoides

Los engranajes hipoides son una categoría única de engranajes cónicos en espiral que se utilizan para transmitir potencia de rotación entre dos ejes en ángulo recto. Inventados por Ernest Wildhaber a principios de la década de 1920, los engranajes hipoides se utilizaban predominantemente en los trenes de transmisión de camiones pesados.

En aquel momento, la genialidad del invento fue el desplazamiento entre los ejes de transmisión, lo que permitía bajar el bastidor del camión. Este desarrollo tuvo un profundo impacto en los diseños de los vehículos, lo que condujo a mejoras significativas en el espacio disponible dentro del vehículo, la estabilidad de balanceo, el manejo del vehículo, la seguridad, la aerodinámica y el consumo de combustible. Si bien los engranajes hipoides todavía se utilizan en esta capacidad, también tienen una presencia cada vez mayor en las industrias de transmisión de energía industrial y control de movimiento.

Los engranajes hipoides se pueden clasificar como un tipo de engranaje cónico que se utiliza para transmitir potencia de rotación, o par, entre dos ejes en ángulo recto. Hay dos categorías principales de engranajes cónicos: dientes rectos y dientes en espiral. Se ha demostrado que los engranajes cónicos de dientes en espiral funcionan de manera más suave y silenciosa que los engranajes cónicos de dientes rectos y son estos engranajes cónicos en espiral a los que más se parecen los hipoides.

A diferencia de los engranajes cónicos estándar, los ejes de engranajes correspondientes para los juegos de engranajes hipoides no se cruzan porque el eje del engranaje más pequeño (denominado piñón) está desplazado del eje del engranaje más grande (denominado corona). Son estos ejes que no se cruzan los que el Sr. Wildhaber diseñó teniendo en cuenta el eje trasero, lo que condujo a las mejoras en el rendimiento del vehículo descritas anteriormente.

El desplazamiento del eje permite que el diámetro del piñón sea mayor y tenga un ángulo de espiral mayor del que sería posible de otro modo, lo que aumenta el área de contacto y la resistencia del diente. El ángulo en espiral entre el piñón y la corona hace que los engranajes engranen muy suavemente. El aumento del área de contacto y la resistencia de los dientes permiten una gama más amplia de relaciones de transmisión y la capacidad de transmitir mayores cantidades de torque.

Los beneficios adicionales resultantes del aumento del ángulo espiral y el área de contacto entre los juegos de engranajes hipoides incluyen un menor desgaste, menor fricción, menor pérdida de energía y mayor eficiencia, todo lo cual ayuda a extender la vida útil de los engranajes y cajas de engranajes hipoides.

Debido a su mayor ángulo de espiral y resistencia de los dientes, los engranajes hipoides pueden transportar carga a través de varios dientes simultáneamente. El número promedio de dientes de engranajes hipoides en contacto al mismo tiempo es de 2,2:1 a 2,9:1. Los engranajes cónicos, por otro lado, se cargan un diente a la vez. Un mayor contacto entre dientes permite que los engranajes hipoides transmitan un mayor torque en comparación con los engranajes cónicos de tamaño similar. Además de transmitir más torque, los engranajes hipoides y las cajas de engranajes tienden a ser más pequeños y compactos que las cajas de engranajes cónicos con índices de torque equivalentes, lo que los convierte en una mejor opción para aplicaciones que involucran espacios reducidos.

Los engranajes cónicos y las cajas de engranajes cónicos son más comunes en relaciones de 1:1 y 2:1, y algunos fabricantes ofrecen relaciones de hasta 5:1. Por el contrario, los engranajes hipoides no ofrecen soluciones para aplicaciones 1:1 y 2:1. Sin embargo, logran de manera eficiente relaciones desde 3:1 hasta 10:1, lo que brinda más opciones de relaciones con una sola etapa de engranaje. Las relaciones de reducción son relevantes para la velocidad, donde las cajas de cambios hipoides disfrutan de otra ventaja significativa sobre las cajas de cambios cónicas. La mayoría de las cajas de engranajes cónicos no pueden manejar velocidades superiores a 1500 rpm sin sobrecalentarse, mientras que las cajas de engranajes hipoides pueden alcanzar velocidades de entrada continuas de hasta 3000 rpm.

El engrane entre los engranajes hipoides implica una acción deslizante, lo que resulta en una transmisión muy suave y silenciosa. De este modo se pueden transmitir cargas más elevadas con niveles de ruido más bajos en comparación con los engranajes cónicos, que se vuelven ruidosos a velocidades más altas.

Los engranajes hipoides ofrecen más relaciones, mayores capacidades de torque, mayores velocidades de funcionamiento y menos ruido que sus contrapartes cónicas. Sin embargo, los engranajes hipoides suelen ser menos eficientes (90 a 95%) que un conjunto similar de engranajes cónicos en espiral, que pueden tener índices de eficiencia de hasta el 99%. La eficiencia de los engranajes hipoides disminuye a medida que aumenta el desplazamiento del eje y se debe prestar especial atención a la lubricación para evitar el desgaste del engranaje como resultado de la acción deslizante de los dientes del engranaje hipoide. Los hipoides requieren lubricación con aditivos de extrema presión, mientras que los engranajes cónicos pueden funcionar con grasa o aceite para engranajes estándar.

Las cajas de engranajes cónicos empaquetadas tienen otra ventaja sobre las hipoides. Las cajas biseladas ofrecen múltiples opciones de eje; Muchas cajas de engranajes cónicos están disponibles en configuraciones de 2, 3 y 4 ejes. Si una aplicación requiere una transmisión 1:1 o 2:1, una transmisión con 3 o 4 salidas o índices de eficiencia superiores al 95 %, entonces los engranajes cónicos pueden ser la mejor opción. Fuera de estos criterios, los engranajes hipoides están reemplazando a los engranajes cónicos en varias aplicaciones.

El otro tipo popular de engranaje en ángulo recto que están invadiendo los hipoides es la tecnología de engranaje helicoidal. Durante décadas, los engranajes helicoidales fueron la opción popular para la reducción de velocidad en ángulo recto porque son robustos y relativamente económicos. Con una relación coste-torque favorable y la capacidad de ofrecer una amplia gama de relaciones en una sola etapa (normalmente desde 3:1 hasta 100:1), los engranajes helicoidales se utilizan ampliamente en varias industrias manufactureras. Hoy en día, sin embargo, los engranajes hipoides pueden ser una mejor alternativa por muchas razones.

Si bien los hipoides disfrutan de una gran ventaja de velocidad sobre los engranajes helicoidales, la diferencia más impactante entre estos dos tipos de engranajes es la eficiencia. En comparación con los engranajes helicoidales, los hipoides son mucho más eficientes en la transmisión de potencia, especialmente a relaciones de reducción altas y bajas velocidades. La mayoría de los hipoides tienen una eficiencia de entre el 90 % y el 95 % en comparación con los engranajes helicoidales de tamaño similar, que varían entre el 40 % y el 85 %. Además, la eficiencia hipoide permanece constante en una amplia gama de relaciones y velocidades, mientras que la eficiencia del engranaje helicoidal varía tanto con la relación como con la velocidad.

Una mayor eficiencia tiene muchos beneficios, empezando por el ahorro de energía. Una mayor eficiencia significa que se pueden utilizar motores más pequeños para impulsar las máquinas, lo que reduce los costos de compra iniciales, así como los costos de energía y mantenimiento a largo plazo. La eficiencia también afecta la generación de calor. Los engranajes hipoides funcionan mucho más fríos que los engranajes helicoidales, lo que puede generar una ventaja en la vida útil esperada de los engranajes.

La tendencia actual es hacer que todo sea más pequeño y más eficiente y los hipoides ayudan a lograr estos objetivos. La ventaja de eficiencia que tienen los hipoides sobre los engranajes helicoidales es significativa y los hipoides son mucho más compactos y pueden caber en espacios físicos más reducidos que una disposición de engranajes helicoidales con una capacidad de torsión similar. Como se mencionó anteriormente, las máquinas pueden usar motores más pequeños y menos costosos como resultado de una mayor eficiencia, lo que reduce aún más el espacio que ocupa la máquina. El tiempo cuesta dinero y también el espacio, lo que da a los hipoides otra ventaja sobre los engranajes helicoidales.

Los engranajes helicoidales y de rueda helicoidal tienen algunas ventajas sobre los engranajes hipoides. Los engranajes helicoidales pueden proporcionar relaciones de hasta 100:1 o más con engranajes de una sola etapa, mientras que en una sola etapa, la mayoría de los fabricantes ofrecen cajas de engranajes hipoides de hasta 10:1. Además, debido a la ineficiencia y las altas relaciones de los engranajes helicoidales, muchas aplicaciones de transmisión por engranajes helicoidales son autoblocantes, lo que elimina la necesidad de un par de retención o un freno externo. Con eficiencias de hasta el 95%, los engranajes hipoides no son autoblocantes; Es posible que la transmisión gire hacia atrás en ausencia de par de retención o freno.

El precio de compra inicial de los engranajes hipoides también puede ser más caro que el de los engranajes helicoidales y cajas de cambios comparables. Sin embargo, los numerosos beneficios de rendimiento de los engranajes hipoides (como mayor eficiencia, mayor precisión, mayor velocidad, mayor capacidad de torque y menor tamaño) pueden demostrar que la tecnología hipoide es más rentable con el tiempo. Para lograr un rendimiento superior y ahorros de costos a largo plazo, los engranajes hipoides se han convertido en una alternativa atractiva a los engranajes helicoidales y el crecimiento de los hipoides en la industria de la transmisión de potencia es un testimonio de este hecho.

Otra enorme ventaja que tienen los engranajes hipoides sobre los engranajes cónicos y los engranajes helicoidales es la precisión o exactitud medida en el juego de los dientes del engranaje. Los engranajes cónicos, particularmente los engranajes cónicos en espiral, se pueden fabricar en juegos para que sean muy precisos, con un juego de hasta aproximadamente 6 minutos de arco. Sin embargo, la mayoría de los engranajes helicoidales y de rueda helicoidal tienen mucho más juego en el engranaje de los dientes del engranaje, lo que los hace inadecuados para muchas aplicaciones más allá de la transmisión de potencia.

Los engranajes hipoides pueden alcanzar especificaciones de juego tan bajos como 3 minutos de arco, lo que los hace mucho más precisos que los engranajes cónicos o helicoidales. Este nivel de precisión, combinado con muchas otras ventajas establecidas, ha permitido que los engranajes hipoides vayan más allá de la transmisión de potencia y penetren en el mercado del control de movimiento.

Los engranajes hipoides ahora se usan comúnmente en un amplio espectro de aplicaciones de automatización y control de movimiento. Sus características de rendimiento los hacen ideales para aplicaciones de alta y baja velocidad, así como para aplicaciones de alta velocidad de ciclos que requieren una precisión extrema. Disponibles en configuraciones de una y dos etapas, empaquetadas con una etapa de engranaje planetario, las cajas de engranajes hipoides ofrecen una amplia gama de relaciones desde 3:1 hasta 100:1.

Las cajas de cambios planetarias de precisión llevan muchos años presentes en la industria del control de movimiento. Para convertir una disposición planetaria en línea en un reductor de ángulo recto, los fabricantes de cajas de cambios incorporaron un conjunto de engranajes cónicos en espiral para realizar el giro de 90 grados. En los últimos años, estos conjuntos de engranajes cónicos dentro de cajas de engranajes planetarios de ángulo recto de múltiples etapas se están reemplazando por engranajes hipoides, lo que da como resultado cajas de engranajes más compactas, eficientes y precisas.

La mayoría de los fabricantes han diseñado bridas de motor en la entrada de estas cajas de engranajes hipoides para permitir que una variedad de motores, incluidos servomotores métricos y NEMA, se monten directamente en la carcasa de la caja de engranajes. Ya sea que se utilicen en una caja de cambios de ángulo recto de una sola etapa o junto con etapas planetarias, los engranajes hipoides tienen una presencia cada vez mayor en la industria del control de movimiento.

Es poco probable que Ernest Wildhaber hubiera anticipado que su invento iría mucho más allá de las transmisiones de vehículos y se adentraría en el mundo de la transmisión de energía industrial y el control de movimiento. Al revisar las características de diseño de los engranajes hipoides, es fácil ver por qué esta tecnología ha experimentado un crecimiento tan significativo.

Compacto, alta velocidad, alto torque, alta eficiencia, precisión extrema, bajo nivel de ruido, bajo calor y larga vida útil: estas características de rendimiento son sinónimo de engranajes y cajas de engranajes hipoides. La combinación de estas características ha hecho que el engranaje hipoide sea una solución de reducción de velocidad cada vez más popular para las crecientes demandas de las industrias actuales de transmisión de potencia y control de movimiento.

Este artículo fue contribuido por Candy Controls, Niles, IL. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de diciembre de 2021 de la revista Motion Design.

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