En el ámbito de los engranajes, el ángulo de avance es un parámetro fundamental que influye en el rendimiento, la eficiencia y las aplicaciones de un engranaje. Comprender el ángulo de avance es esencial para los ingenieros y técnicos que trabajan con distintos tipos de engranajes, desde los simples engranajes rectos hasta los diseños helicoidales y en espiga más complejos.
Este artículo profundiza en el concepto de ángulo de avance, explorando su definición, fórmula de cálculo y relación con el ángulo de hélice. También examinaremos diferentes tipos de engranajes según sus ángulos de avance, incluyendo engranajes rectos con ángulo de avance cero, engranajes helicoidales con ángulos de avance distintos de cero, y las diferencias entre engranajes helicoidales de derecha e izquierda, así como engranajes helicoidales dobles o de espiga.
¿Qué es el ángulo de avance?
El ángulo de avance (también llamado ángulo de salida en la notación de los libros de texto antiguos), representado como Ψ (psi), es el ángulo entre la línea de acción de la fuerza del diente del engranaje y un plano perpendicular al eje del engranaje. En otras palabras, el ángulo de avance es el ángulo que forman los dientes de un engranaje helicoidal con el eje del engranaje. El ángulo de avance se mide en un plano que incluye el eje del engranaje y un punto en el círculo primitivo.
El ángulo de avance es consecuencia del ángulo de hélice, que es el ángulo entre la hélice (diente) y el eje del engranaje. El ángulo de hélice se representa con la letra β (beta). El ángulo de avance y el ángulo de hélice están relacionados, y su relación depende del diámetro primitivo del engranaje.
Fórmula para calcular el ángulo de avance
La fórmula del ángulo de avance relaciona el ángulo de avance con el ángulo de hélice y el ángulo de presión normal:
tan(Ψ) = tan(β) × cos(α)
Lugar:
- Ψ es el ángulo de avance
- β es el ángulo de hélice
- α es el ángulo de presión normal (normalmente 20° o 25°).
Para encontrar el ángulo de avance, es necesario conocer el ángulo de hélice y el ángulo de presión normal. El ángulo de hélice está determinado por el diseño del engranaje y se puede calcular utilizando el diámetro de paso del engranaje y el avance (paso axial).
Relación entre el ángulo de avance y el ángulo de hélice
El ángulo de avance y el ángulo de hélice están relacionados, pero no son lo mismo. El ángulo de hélice es el ángulo entre la traza del diente y un plano perpendicular al eje del engranaje, mientras que el ángulo de avance es el ángulo entre la línea de acción y un plano perpendicular al eje del engranaje.
La relación entre el ángulo de avance y el ángulo de hélice viene dada por:
tan(Ψ) = tan(β) × cos(α)
Esto significa que, para un ángulo de hélice determinado, el ángulo de avance será menor que el ángulo de hélice. La diferencia entre los dos ángulos depende del ángulo de presión normal.
Tipos de engranajes según el ángulo de avance
Engranajes rectos (ángulo de avance cero)
Los engranajes rectos tienen dientes paralelos al eje del engranaje, lo que da como resultado un ángulo de avance de cero. Son el tipo de engranaje más simple y se utilizan para transmitir potencia entre ejes paralelos. Los engranajes rectos no tienen un componente de carga axial, lo que significa que solo transmiten cargas radiales.
Engranajes helicoidales (ángulo de avance distinto de cero)
Los engranajes helicoidales tienen dientes inclinados respecto del eje del engranaje, lo que genera un ángulo de avance distinto de cero. Los dientes forman una hélice alrededor de la circunferencia del engranaje.
Engranajes helicoidales de mano derecha e izquierda
Los engranajes helicoidales se pueden clasificar como de mano derecha o de mano izquierda según la dirección de la hélice. Un engranaje helicoidal de mano derecha tiene dientes que giran en el sentido de las agujas del reloj cuando se lo mira desde el frente, mientras que un engranaje helicoidal de mano izquierda tiene dientes que giran en el sentido contrario a las agujas del reloj.
La dirección de la carga axial depende del sentido de giro del engranaje. Los engranajes helicoidales de giro a la derecha generan cargas axiales en la dirección del eje del engranaje, mientras que los engranajes helicoidales de giro a la izquierda generan cargas axiales en dirección opuesta a la del eje del engranaje.
Engranajes helicoidales dobles (engranajes en espiga)
Los engranajes helicoidales dobles, también conocidos como engranajes en espiga, tienen dos juegos de dientes helicoidales que se reflejan en el plano medio del engranaje. Un juego de dientes es dextrógiro, mientras que el otro es zurdo. Los ángulos de hélice opuestos anulan las cargas axiales, lo que da como resultado un engranaje que puede transmitir pares más altos sin generar cargas de empuje.
Engranajes helicoidales (de ángulo de ataque y autoblocantes)
Un engranaje helicoidal es esencialmente un engranaje con un ángulo de hélice tan elevado que uno o más dientes se enrollan continuamente alrededor del eje formando roscas. Dado que uno de sus componentes es un tornillo, el ángulo de avance determina de forma exclusiva si el mecanismo puede funcionar en sentido inverso.
Los tornillos sin fin industriales suelen utilizar ángulos de avance estándar de entre 2° y 25°, limitados por las necesidades prácticas de fabricación. El autobloqueo se produce cuando el ángulo de avance es igual o inferior a arctan(μ); para un tornillo sin fin de acero sobre una rueda de bronce (μ estático ≈ 0.145), ese umbral se sitúa cerca de 5°–6°.
Por debajo de este valor, la salida no puede controlar la entrada, razón por la cual se especifican reductores de tornillo sin fin (incluidas las reductoress de engranajes de tornillo sin fin de la serie NMRV) para polipastos, gatos de tornillo y operadores de puertas que deben soportar carga sin freno. La contrapartida: ángulos de avance bajos pueden reducir la eficiencia por debajo del 50 %, mientras que ángulos de avance superiores a 10° alcanzan más del 90 %, pero se pierde el autobloqueo.
