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 usaban predominantemente en los trenes de transmisión de camiones pesados.

En ese momento, la genialidad de la invención fue el desplazamiento entre los ejes de los engranajes, lo que permitió bajar el bastidor del camión. Este desarrollo tuvo un profundo impacto en los diseños de los vehículos, lo que llevó 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 usan en esta capacidad, también tienen una presencia creciente en las industrias de control de movimiento y transmisión de energía industrial.

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 los que más se asemejan a los hipoides.

A diferencia de los engranajes cónicos estándar, los ejes del engranaje de acoplamiento para los conjuntos de engranajes hipoidales 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 pensando en el eje trasero, lo que lleva a las mejoras en el rendimiento del vehículo descritas anteriormente.

El desplazamiento del eje permite que el diámetro del piñón sea más grande y tenga un ángulo de espiral mayor que el 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 área de contacto aumentada y la fuerza 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 de espiral y el área de contacto entre los conjuntos de engranajes hipoidales incluyen menor desgaste, menor fricción, menor pérdida de energía y mayor eficiencia, todo lo cual ayuda a prolongar la vida útil de los engranajes hipoidales y las cajas de engranajes.

Debido a su mayor ángulo de espiral y a la fuerza de sus dientes, los engranajes hipoidales pueden transportar carga a través de varios dientes simultáneamente. El número medio 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 con un diente de engranaje a la vez. Un mayor contacto de diente a diente permite que los engranajes hipoidales transmitan un mayor par en comparación con los engranajes cónicos de tamaño similar. Además de transmitir más par, los engranajes hipoidales y las cajas de engranajes tienden a ser más pequeños y compactos que las cajas de engranajes cónicos con clasificaciones de par 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 eficientemente relaciones de 3:1 a 10:1, lo que brinda más opciones de relación 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 hipoidales pueden alcanzar velocidades de entrada continuas de hasta 3000 rpm.

El engrane entre los juegos de engranajes hipoidales implica una acción deslizante, lo que da como resultado una transmisión muy suave y silenciosa. Posteriormente, se pueden transmitir cargas más altas 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 torsión, 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 hipoidales 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 hipoidal. Los hipoides requieren lubricación con aditivos de extrema presión, mientras que los engranajes cónicos pueden funcionar con grasa o aceite estándar para engranajes.

Las cajas de engranajes cónicos compactas tienen otra ventaja sobre los 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 engranajes de ángulo recto que los hipoides están invadiendo es la tecnología de engranajes helicoidales. 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 costo-torque favorable y la capacidad de ofrecer una amplia gama de relaciones en una sola etapa, generalmente de 3:1 a 100:1, el engranaje helicoidal se usa ampliamente en varias industrias manufactureras. Hoy, 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 en relaciones de reducción altas y velocidades bajas. 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 varía entre el 40 % y el 85 %. Además, la eficiencia hipoidal permanece constante en una amplia gama de relaciones y velocidades, mientras que la eficiencia de los engranajes helicoidales varía tanto con la relación como con la velocidad.

Una mayor eficiencia tiene muchos beneficios, empezando por el ahorro de energía. Más eficiencia significa que se pueden usar motores más pequeños para impulsar máquinas, lo que reduce los costos de compra iniciales y reduce los costos de energía y mantenimiento a largo plazo. La eficiencia también afecta la generación de calor. Los engranajes hipoidales 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 todo 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 ocupado por la máquina. El tiempo cuesta dinero y también lo hace el espacio, dando 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 se bloquean automáticamente, 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 retroceda en ausencia de un par de retención o un freno.

El precio de compra inicial de los engranajes hipoides también puede ser más caro que el de los engranajes helicoidales y cajas de engranajes comparables. Sin embargo, los numerosos beneficios de rendimiento de los engranajes hipoides, como una mayor eficiencia, una mayor precisión, una mayor velocidad, una mayor capacidad de torsión y una huella más pequeña, pueden demostrar que la tecnología hipoidal es más rentable con el tiempo. Para 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 transmisión de energía es un testimonio de este hecho.

Otra enorme ventaja que tiene el engranaje hipoidal sobre los engranajes cónicos y los engranajes helicoidales es la precisión o exactitud medida en la holgura de los dientes del engranaje. Los engranajes cónicos, en particular los engranajes cónicos en espiral, se pueden fabricar en conjuntos para que sean muy precisos, con una holgura de aproximadamente 6 minutos de arco. Sin embargo, la mayoría de los engranajes de tornillo sin fin y rueda de tornillo sin fin tienen mucho más juego en el engrane de los dientes del engranaje, lo que los hace inadecuados para muchas aplicaciones más allá de la transmisión de potencia.

Los engranajes hipoides pueden lograr especificaciones de contragolpe tan bajas como 3 minutos de arco, lo que los hace mucho más precisos que los engranajes cónicos o helicoidales. Este nivel de precisión, combinado con las 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 control de movimiento y automatización. Sus características de rendimiento los hacen ideales tanto para aplicaciones de baja y alta velocidad como para aplicaciones de alta frecuencia de ciclos que requieren una precisión extrema. Disponibles en configuraciones de una y dos etapas, empaquetadas con una etapa de engranajes planetarios, las cajas de engranajes hipoides ofrecen una amplia gama de relaciones desde 3:1 hasta 100:1.

Los reductores planetarios de precisión han estado presentes en la industria del control de movimiento durante muchos años. Para convertir una disposición planetaria en línea en un reductor de ángulo recto, los fabricantes de cajas de engranajes incorporaron un conjunto de engranajes cónicos en espiral para hacer el giro de 90 grados. En los últimos años, estos conjuntos de engranajes cónicos dentro de cajas de engranajes planetarios de ángulo recto y multietapas se han reemplazado por engranajes hipoidales, 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 los servomotores métricos y NEMA, se monten directamente en la carcasa de la caja de engranajes. Ya sea que se utilicen en una caja de engranajes de ángulo recto de una sola etapa o junto con etapas planetarias, los engranajes hipoides tienen una presencia creciente en la industria del control de movimiento.

Es poco probable que Ernest Wildhaber pudiera haber anticipado que su invento viajaría mucho más allá de los trenes motrices de los vehículos y se adentraría en el mundo de la transmisión de potencia 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, de alta velocidad, alto par, alta eficiencia, precisión extrema, bajo nivel de ruido, bajo calor y larga vida: estas características de rendimiento son sinónimo de engranajes y cajas de engranajes hipoidales. La combinación de estas características ha hecho que los engranajes hipoidales sean una solución de reducción de velocidad cada vez más popular para las crecientes demandas de las industrias actuales de control de movimiento y transmisión de potencia.

Este artículo fue una contribución de Candy Controls, Niles, IL. Para mas informacion, visite aqui .

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

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