Cremalleras helicoidales versus rectas: la fuerza axial que nadie presupuesta

Cremallera helicoidal, ángulo de hélice de 19 grados 31'42"

Palabra clave objetivo:rejilla helicoidal versus rejilla recta

Secundario:Empuje axial de cremallera de engranaje helicoidal, ruido de piñón y cremallera, ángulo de hélice de 19 grados 31'42"

Meta descripción:Cuando las cremalleras helicoidales superan a las rectas, los umbrales de velocidad que las justifican y la fuerza de empuje axial que generan - aproximadamente 0,355 × fuerza tangencial en el ángulo de hélice estándar.

Una vez, un cliente llamó acerca de un pórtico de piñón y cremallera que seguía destruyendo los cojinetes del eje del piñón. Cuatro meses, tres juegos de rodamientos. El estante estaba bien. El piñón estaba bien. La caja de cambios era buena.

Habían especificado engranajes helicoidales para reducir el ruido y dimensionaron los rodamientos solo para carga radial.

En el ángulo de hélice estándar, una cremallera helicoidal empuja lateralmente el eje del piñón con aproximadamente el 35% de la fuerza motriz. En una transmisión de 10 kN, es decir, 3,5 kN de empuje axial, los rodamientos nunca fueron clasificados. Es el descuido más común con las cremalleras helicoidales y es completamente predecible.

Aquí está la comparación completa, incluido ese número.

El ángulo de la hélice no es arbitrario.

En toda la industria, un ángulo de hélice domina la producción de estanterías:19 grados 31' 42".

Convertido: 19 + 31/60 + 42/3600 =19.52833 grados. El rango genérico de los libros de texto para engranajes helicoidales es de 15 grados a 25 grados, pero la producción de cremalleras ha convergido en este valor, razón por la cual a menudo engranan cremalleras y piñones de diferentes fuentes. Hay una razón para esta figura extrañamente específica: en este ángulo de hélice, el módulo se convierte en un paso circular de número entero-, por lo que las longitudes de los racks aparecen en números redondos.

A menudo - no siempre. Más sobre eso a continuación.

Lo que realmente te compra helicoidal

Se citan constantemente cuatro ventajas sobre las parrillas rectas:

Figura 1. Empuje axial generado por una cremallera helicoidal en el ángulo de hélice estándar de 19 grados 31'42".

Funcionamiento más silencioso, especialmente a altas velocidades.

Mayor relación de contacto - más dientes efectivamente acoplados - lo que aumenta la capacidad de carga

Longitudes en números redondos: 500,0 mm y 1000,0 mm, frente a longitudes de bastidor rectas que siempre son múltiplos de π, por ejemplo, . 502.65 mm y 1005,31 mm

"¡En la mayoría de los casos, cuestan lo mismo que las parrillas rectas!"

Dicho sin rodeos: las cremalleras helicoidales son más resistentes y silenciosas que las rectas del mismo tamaño, pero producen fuerzas de empuje y es necesario tomar medidas para contrarrestarlas.

El tercer punto parece trivial y no lo es. Una cremallera recta con módulo 4 tiene un paso de dientes de π × 4=12.566 mm, por lo que un número entero de dientes da 502,65 mm o 1005,31 mm -, nunca una cifra redonda. Los bastidores helicoidales se cortan de modo que las longitudes sean exactamente de 500 o 1000 mm. Cuando se colocan estanterías de extremo a extremo a lo largo de una plataforma de máquina dimensionada en números redondos, esa diferencia ahorra verdaderos dolores de cabeza de diseño y montaje.

El motivo por el que la capacidad de carga es mayor depende de cómo progresa el contacto. En una rejilla recta, cada diente se engancha en todo el ancho de la cara a la vez y luego se suelta. La transferencia de carga es abrupta. En una cremallera helicoidal, la línea de contacto recorre diagonalmente el flanco, por lo que el acoplamiento es gradual y más de un diente siempre soporta la carga. Tanto la reducción de ruido como el aumento de capacidad provienen de la misma geometría.

Advertencia honesta: ninguna de las fuentes de fabricantes que verificamos publicó una cifra de relación de contacto numérica, un aumento porcentual de la capacidad de carga o una reducción de ruido en dB para bastidores helicoidales versus rectos. Los beneficios se afirman consistentemente y son físicamente sólidos, pero las cifras específicas no se publican y no las vamos a inventar.

La fuerza de empuje axial

Los dientes acodados empujan el piñón hacia los lados. La relación estándar:

Fa=pies · bronceado

Donde Fa es el empuje axial, Ft es la fuerza impulsora tangencial y es el ángulo de la hélice.

A=19.52833 grado, bronceado =0.35468.

Entonces Fa ≈ 0,355 × Pies.

Una fuerza motriz de 20 kN genera aproximadamente 7,1 kN de empuje axial sobre el eje del piñón, de forma continua, en una dirección que se invierte cuando el eje se invierte.

La diferencia con los engranajes rectos es absoluta: un ángulo de hélice mayor produce una fuerza axial mayor, mientras que en los dientes rectos no actúa ninguna fuerza axial.

Este es el único inconveniente real del engranaje helicoidal: el ángulo de la hélice produce una fuerza lateral que aumenta directamente con la fuerza motriz tangencial.

La consecuencia es inevitable: los cojinetes del eje del piñón deben seleccionarse y dimensionarse para soportar esta carga de empuje, lo que agrega costo y complejidad al extremo impulsor.

Tres implicaciones prácticas:

Selección de rodamientos.Los rodamientos rígidos de bolas tienen una capacidad axial limitada. Los rodamientos de contacto angular o un par de rodillos cónicos manejan cargas combinadas correctamente. Aquí es donde el pórtico de ese cliente salió mal.

Clasificación de salida de la caja de cambios.Los reductores planetarios para accionamientos de piñón y cremallera emiten una fuerza axial máxima permitida sobre el eje de salida. Compárelo con 0,355 × su fuerza de diseño. Superarlo daña el cojinete de salida de la caja de cambios, no la cremallera, y esa falla es costosa.

Rigidez de montaje.El empuje invierte su dirección cada vez que el eje se invierte. Un montaje que se flexiona bajo una carga axial inversa se mostrará como un error de posición y, eventualmente, como un desgaste en las interfaces.

Umbrales de velocidad

Las directrices publicadas se agrupan en una banda estrecha.

Cremalleras de dientes-rectos en producción

Lectura transversal: por debajo de 1 m/s, las rejillas rectas son el valor predeterminado más sensato. Entre 1 y 2 m/s es una decisión que los entornos sensibles al ruido - - empujan hacia la hélice. Por encima de 2 m/s, helicoidal.

El ruido no es el único problema a gran velocidad. El acoplamiento abrupto de los dientes rectos genera un pico de carga dinámica cada vez que se encuentra un par de dientes, y el pico aumenta con velocidad. El ruido y el desgaste dental acelerado son dos síntomas de la misma causa.

La regla del apareamiento que sorprende a la gente

Las cremalleras y los piñones helicoidales deben coincidir. Al engranar una cremallera helicoidal con un engranaje helicoidal, el ángulo de la hélice debe ser igual en valor y de dirección opuesta.

Mano opuesta. Una cremallera-derecha toma un piñón-izquierdo.

Las tablas de acoplamiento publicadas para las gamas de bastidores originales muestran solo combinaciones de manos específicas permitidas, excluyendo todo lo demás. El contraste es instructivo: con la excepción de las cremalleras helicoidales, las cremalleras originales generalmente se acoplarán con cualquier engranaje recto del mismo módulo.

Esa excepción es el punto. Las cremalleras rectas perdonan - que cualquier piñón recto del módulo derecho engrane. Los bastidores helicoidales requieren un ángulo coincidente y el lado opuesto, y si está uniendo secciones, "unir bastidores de calibre para bastidores helicoidales debe tener el lado opuesto al de los bastidores".

De esto se desprenden consejos prácticos:

Para obtener una unidad silenciosa,-de baja holgura y con una larga vida útil, obtenga el piñón y la cremallera de un solo proveedor. Las tolerancias importan enormemente con los dientes helicoidales.

Junto con un punto relacionado que vale la pena recordar: el contragolpe se produce por la interacción de cada componente de la cadena. No tiene sentido combinar una caja de cambios con un juego muy-bajo-con un piñón sobredimensionado o una cremallera de menor calidad.

Cómo se ve una rejilla helicoidal real

Un rango de producción típico fabrica concreto de clasificación - 1045 acero, ángulo de hélice de 19 grados, 31'42", longitudes de 1000 mm:

Piñón emparejado suministrado con la cremallera para controlar la tolerancia del mallado.

Mismo material, misma dureza, mismo ángulo de hélice. La diferencia entre Q6 y Q10 radica totalmente en si los dientes se rectificaron después del endurecimiento.

Notas de instalación que se aplican de cualquier manera

Guía de instalación estándar:

"Siempre debe haber una pequeña cantidad de juego en el engranaje de piñón y cremallera. El nivel de juego debe establecerse en el punto más alto de la línea de paso de la cremallera, lo que establecerá el valor mínimo de juego y evitará cualquier atasco a lo largo de todo el recorrido de la cremallera".

Verifique el patrón de contacto azulando los dientes del piñón y girándolos lentamente en ambos sentidos. "El patrón de contacto ideal estaría centrado en la línea de lanzamiento y se extendería a lo ancho de la cara".

En ambientes sucios, monte "los dientes hacia abajo o protegidos para evitar la contaminación".

Es posible funcionar en seco, pero "los engranajes deben ser sobredimensionados para compensar el mayor desgaste, pero no se puede garantizar la vida útil".

En superficies de montaje y de referencia:

Asegure las rejillas con pasadores; rejilla de perforación y base simultáneamente.

"Las líneas de paso de las rejillas se controlan utilizando la superficie inferior como referencia. Si mecaniza las superficies inferiores, la precisión de las rejillas puede verse afectada".

"Para evitar problemas de precisión de los engranajes, no reduzca el ancho de la cara."

Este último surge cuando alguien necesita colocar un estante en un bolsillo ligeramente estrecho y decide hojear el costado. No - el ancho de la cara es la capacidad de carga, y las superficies de referencia son desde donde se mide la precisión.

Resumen de decisión

Rejilla recta cuando:velocidad inferior a 1 m/s, el ruido no es una preocupación, desea disposiciones de rodamientos simples sin carga axial o necesita acoplarse con piñones rectos existentes.

Cremallera helicoidal cuando:velocidad superior a 2 m/s, el ruido importa, necesita la máxima capacidad de un tamaño de bastidor determinado o desea números redondos-longitudes para la integración de la cama -ysus rodamientos y caja de cambios pueden soportar 0.355 × pies de empuje.

Preguntas frecuentes

¿Cuánta fuerza axial generará mi cremallera helicoidal?

Aproximadamente 0,355 × fuerza tangencial en el ángulo de hélice estándar de 19 grados 31'42", desde Fa=Ft · tan. Compruébelo con la clasificación axial del eje de salida de la caja de cambios y la capacidad de carga del piñón.

¿Puedo utilizar un piñón recto en una cremallera helicoidal?

No. Los ángulos de la hélice deben coincidir en valor y ser opuestos en la mano. La hélice-recta-proporciona contacto con los bordes y un fallo rápido.

¿Son más caras las cremalleras helicoidales?

En la mayoría de los casos, el bastidor en sí cuesta lo mismo. El costo adicional recae en los rodamientos y la caja de cambios que tienen que absorber el empuje.

¿Por qué las longitudes de rejilla helicoidales son números redondos pero las longitudes de rejilla rectas no?

La longitud de la cremallera recta es un número entero de dientes multiplicado por π × módulo, por lo que llega a valores como 1005,31 mm. Los bastidores helicoidales se fabrican con longitudes exactas de 500 o 1000 mm.

¿Los engranajes helicoidales reducen el juego?

No de forma inherente, pero el juego efectivo bajo carga puede ser menor porque hay más dientes que comparten contacto. El juego real aún depende de la distancia entre centros y la alineación del montaje.

Tianjin OuNaiDa Transmissions Technology suministra cremalleras de engranajes rectas y helicoidales con piñones emparejados, cortados o rectificados después del endurecimiento. Comprar cremallera y piñón de un solo proveedor evita la acumulación de tolerancias-que causa la mayoría de los problemas de malla helicoidal - envíenos su velocidad, carga y orientación y le cotizaremos un juego compatible.