Engranajes de corte recto frente a engranajes helicoidales (pros y contras de cada uno)

Última actualización el 11 de marzo de 2021

Hoy, los engranajes son una parte importante de nuestras vidas. En su mayoría ocultos por recintos apropiados, hacen su trabajo en todo tipo de dispositivos serviles, desde lavadoras hasta impresoras láser y motosierras. Muchos aspectos de la vida serían muy diferentes y más difíciles sin engranajes.

Dos tipos específicos de engranajes son de uso común en todo el mundo. Engranajes de corte recto (o recto) y engranajes helicoidales. Estos pueden ser los tipos de engranajes más comunes que se utilizan en la actualidad.

Así que examinemos estos dos diseños, cómo se ven, cómo funcionan y los pros y los contras de cada uno en lo que respecta a las aplicaciones automotrices.

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Engranajes de corte recto

¿Qué son los engranajes de corte recto?

Como su nombre lo indica, los engranajes de corte recto tienen dientes de engranaje rectos que se alinean (son paralelos) al eje de montaje del engranaje. Al igual que con cualquier engranaje, los dientes se perfilan con precisión mediante procesos de mecanizado (tallado) extremadamente precisos. Los materiales utilizados tienen superficies de alta resistencia y extremadamente duras para permitir una larga vida útil.

Cuando se acoplan engranajes de corte recto, la tolerancia de fabricación para cada diente permite que solo un par de dientes soporte la carga en cualquier momento. Cuando dos de estos dientes de engranaje se toquen por primera vez, será a lo largo de una línea recta paralela a los dos ejes.

El efecto de este evento de impacto (recuerde, cada engranaje está girando) es generar sonido. Y a medida que gira una malla de espuela, ese sonido será un zumbido que aumenta en frecuencia y volumen a medida que aumenta la velocidad del engranaje.

Bajo carga, un par de engranajes de corte recto crearán una fuerza de separación que trabaja para separar los engranajes. La estructura de soporte de los ejes de transmisión debe diseñarse para oponerse adecuadamente a tales fuerzas.

Se generarán fuerzas axiales casi nulas (fuerzas paralelas a los ejes del engranaje). Estas fuerzas se deben a las inevitables tolerancias de fabricación presentes en los perfiles de los dientes del engranaje de acoplamiento. Pero son muy pequeños y tienen poca influencia en las consideraciones de diseño de la carcasa de la caja de engranajes rectos.

Ventajas de los engranajes de corte recto

Para los engranajes de corte recto, los beneficios en comparación con los engranajes helicoidales son los siguientes:

• Costo más bajo: Debido a que un engranaje de corte recto tiene sus dientes mecanizados en líneas rectas paralelas a la línea central del engranaje, el proceso de fabricación es más simple. Por tanto, el diseño y la producción son menos costosos.
• Carga de empuje mínima: Como se discutió anteriormente, este tipo de engranaje produce poca carga de empuje a lo largo de los ejes del engranaje. Esto simplifica los costos de diseño y fabricación de la caja de cambios. También ayuda a minimizar el peso y el tamaño de la carcasa de la caja de cambios, un beneficio importante para los autos de carreras.
• Mayor eficiencia: Los engranajes de corte recto funcionan con menos acción de deslizamiento que los engranajes helicoidales. Por lo tanto, se pierde menos energía durante el funcionamiento, lo que hace que dichos engranajes sean más eficientes energéticamente. Para aplicaciones de carreras, la máxima eficiencia aumenta la potencia de las ruedas traseras y, por lo tanto, más velocidad.

Contras de los engranajes de corte recto

Para los engranajes de corte recto, solo hay una desventaja principal:

• Ruido más alto: El ruido producido por los engranajes de corte recto sería considerado objetable por la mayoría de los propietarios de automóviles de pasajeros. Para el funcionamiento en carreras, el ruido no es un problema, y ​​los engranajes de corte recto a menudo encuentran un hogar allí.

Engranajes helicoidales

¿Qué son los engranajes helicoidales?

Helix es el nombre del patrón formado por una línea que gira en círculo y avanza en un ángulo constante paralelo a su centro de rotación. Piense en un tornillo de madera común. Los hilos que ve están cortados en un patrón helicoidal.

Los dientes de un engranaje helicoidal se mecanizan con un patrón de ángulo similar. El ángulo de la hélice con respecto a la dirección de rotación de un engranaje puede oscilar entre 15 y 30 grados.

Cuando los engranajes helicoidales se acoplan, primero se tocan en un punto y luego el acople aumenta a medida que el punto de contacto se desliza a lo largo de la superficie helicoidal de cada diente. Tal acoplamiento se produce con menos impacto que el de los engranajes de corte recto debido a la disposición angular de los dientes.

Además, se activará más de un par de dientes en cualquier momento. Para los cálculos de resistencia básica, la regla general es considerar que los juegos de 1,5 dientes soportan carga simultáneamente.

El diseño angular de los dientes de los engranajes helicoidales permite un funcionamiento más silencioso que el de los engranajes de engranajes de corte recto que funcionan a la misma velocidad y capacidad de carga.

Al igual que con los engranajes rectos, los engranajes helicoidales producen una fuerza de separación durante el funcionamiento. Pero además producen una fuerza axial o de empuje alineada con sus respectivos ejes.

A medida que aumenta la potencia transportada por los engranajes, también aumentará la carga de empuje. Cuanto mayor sea el ángulo de la hélice, mayor será la carga de empuje.

La carcasa de la caja de engranajes helicoidales y las partes internas relacionadas deben diseñarse específicamente para adaptarse a estas cargas de empuje. Esto agrega peso y tamaño al diseño de la carcasa.

Además, a medida que los engranajes helicoidales engranan, la acción de deslizamiento de este evento genera calor debido a la fricción. Este calor es energía perdida que resulta en una reducción en la eficiencia de la caja de cambios. La energía perdida calienta el aceite lubricante, y para algunas cajas de engranajes esto es tan grande que se requiere un enfriador de aceite para mantener el aceite a temperaturas de funcionamiento razonables.

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Ventajas de los engranajes helicoidales

Para los engranajes helicoidales, los beneficios en comparación con los engranajes de corte recto son los siguientes:

• Ruido más bajo: Por naturaleza, los engranajes helicoidales pueden producir hasta 12 Db (A) menos de ruido que los engranajes de corte recto de tamaño similar. Para el uso de automóviles de pasajeros o para un sistema que se usa en su hogar como una lavadora, el funcionamiento silencioso es una gran ventaja.
• Menos peso: Debido a que los engranajes helicoidales transfieren cargas esencialmente sobre 1,5 dientes de engranaje, para una capacidad de carga determinada, un juego de engranajes helicoidales puede pesar menos que un juego de engranajes rectos.

Contras de los engranajes helicoidales

Para los engranajes helicoidales, existen tres desventajas:

• Costo más alto: El mecanizado de un engranaje helicoidal es más complejo que el mecanizado de un engranaje recto del mismo tamaño. Esto agrega costos al proceso de construcción. Los centros de mecanizado controlados por computadora, sin embargo, han ayudado a reducir en gran medida este costo por pieza.
• Cargas de empuje: Debido a que los engranajes helicoidales desarrollan cargas de empuje, la carcasa del engranaje y los elementos internos requieren una resistencia adicional para resistir estas cargas. Esto agrega peso y tamaño al diseño de la caja de cambios. Para aplicaciones de carreras de automóviles, menos peso y tamaño siempre serán mejores.
• Menor eficiencia operativa: A medida que se acoplan los engranajes helicoidales, se genera calor. Esta es la energía perdida. El aceite lubricante absorbe este calor y, en algunos casos, se necesitará un intercambiador de calor para mantener el aceite frío. Para las aplicaciones de carreras, la pérdida de energía no es deseable porque cada bit de potencia es esencial para permitir la mejor aceleración y velocidad posibles.

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Cuando los engranajes de corte recto se vuelven esenciales

A menudo, los automóviles de calle se vuelven populares para las carreras. Cuando esto ocurre, los motores se modifican para producir más potencia. Me vienen a la mente el Subaru WRX y algunos modelos de Honda.

Estos coches, con acabados de calle, se pueden adquirir con caja de cambios manual. Estas transmisiones tienen engranajes helicoidales y sincronizadores para un funcionamiento fácil y silencioso. Esto es ideal para uso en la calle.

Pero para los niveles de potencia de carreras, estas cajas de cambios, específicamente las carcasas de la caja de cambios, no pueden soportar las cargas de empuje de los engranajes helicoidales más altas.

Para contrarrestar este problema, varios proveedores inteligentes del mercado secundario ofrecen conversiones de engranajes de corte recto. Estos kits proporcionan los engranajes y otras piezas esenciales para convertir una caja de cambios de uso en la calle en una disposición de engranajes de corte recto más duradera pero más ruidosa sin tener que reemplazar la carcasa de la caja de cambios original.

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