Los compradores coreanos y asiáticos que especifican un reductor de engranajes helicoidales con una relación i superior a 60 se enfrentan constantemente a la misma pregunta de configuración: ¿mantener un tornillo sin fin de una sola etapa y aceptar la penalización en eficiencia, o optar por un híbrido de tornillo sin fin helicoidal de dos etapas y pagar el sobrecoste y el mayor espacio requerido para obtener una mayor eficiencia (η)? La respuesta depende del ciclo de trabajo, la relación objetivo, la tarifa energética y las limitaciones de espacio, y los datos técnicos aclaran la elección una vez presentados. El artículo a continuación analiza las ventajas y desventajas de cada configuración, los escenarios de aplicación donde cada una resulta más ventajosa y un filtro de decisión de tres preguntas para el ingeniero de compras. Para consultar las curvas de eficiencia subyacentes que explican por qué la configuración de dos etapas ofrece una mayor eficiencia (η) con una relación general alta, consulte nuestro documento complementario. análisis de curvas de eficiencia.

El gusano helicoidal de dos etapas en una sola imagen.

Un reductor de engranajes helicoidales de dos etapas es exactamente lo que su nombre indica: un par de engranajes helicoidales que actúan como etapa de reducción primaria, alimentando un par de tornillo sin fin y rueda que actúan como etapa de reducción secundaria. Ambas etapas están alojadas en una sola carcasa. El motor hace girar el piñón helicoidal a su máxima velocidad; la rueda helicoidal transfiere la velocidad al eje del tornillo sin fin; y el tornillo sin fin impulsa la rueda de bronce a la velocidad de salida final. Algunos ejemplos son las series Nord SK 13, SEW S, Bonfiglioli VF-EP y Sumitomo Cyclo-HE.

La ventaja arquitectónica reside en la división del trabajo. El par helicoidal gestiona la reducción de alta velocidad con una eficiencia de 96-97%. El par de tornillo sin fin gestiona la reducción de alta relación con una eficiencia de 80-85%, con una relación menor que la que tendría un reductor de tornillo sin fin de una sola etapa comparable. La eficiencia combinada es de aproximadamente 85-92%, considerablemente superior a la de un reductor de tornillo sin fin de una sola etapa con la misma relación global.

La misma arquitectura también amplía el rango de relación mucho más allá de lo que puede ofrecer un reductor de engranajes helicoidales de una sola etapa. El reductor de engranajes helicoidales de una sola etapa tiene un límite en i = 100 antes de que su eficiencia se desplome; el híbrido helicoidal-helicoidal funciona sin problemas hasta i = 3631 en los bastidores de catálogo más grandes. Para aplicaciones que requieren velocidades de salida bajas con alto par, la elección arquitectónica es esencialmente binaria: helicoidal-helicoidal de 2 etapas o helicoidal de 3 etapas (que cuesta aún más y pierde la salida en ángulo recto y las ventajas de autobloqueo que ofrece la geometría del tornillo sin fin).

¿Por qué añadir una etapa primaria helicoidal?

Cuatro razones técnicas impulsan a los diseñadores a pasar de un reductor de engranajes helicoidales de una etapa a uno híbrido de dos etapas. Cada una ofrece un beneficio cuantificable, y la mayoría de las especificaciones prácticas que justifican esta mejora implican que dos o tres de las cuatro funcionen conjuntamente.

• AMayor alcance de la relación general — ir más allá del techo de una sola etapa i = 100 sin llegar a una configuración helicoidal pura de 3 etapas que pierde las ventajas del gusano.
• BMayor eficiencia a alta relación — η combinado de 85-92% frente a 60-70% de una sola etapa a i > 60. La diferencia en el costo de energía en los variadores de servicio continuo recupera rápidamente la prima de costo unitario.
• doMayor aceptación de velocidad de entrada — El engranaje primario helicoidal soporta una entrada de motor de más de 3000 rpm, mientras que un reductor de engranajes helicoidales de una sola etapa tiene dificultades por encima de las 1500 rpm debido al calor generado por la velocidad de deslizamiento.
• DMarco compacto de alta relación — La configuración de una sola etapa a i = 100 requiere una rueda de bronce grande; la configuración de dos etapas a la misma i = 100 divide la reducción, por lo que la rueda helicoidal permanece pequeña. Carcasa compacta del reductor de engranajes helicoidales para la misma relación general.

Alcance de la relación: Tapa de una etapa y extensión de dos etapas

The ratio range each configuration covers determines which one is even an option for a given application. The visualisation below shows the practical range each delivers, with the overlap zone where either configuration is viable and the engineer’s choice depends on efficiency or cost factors.

Por debajo de i = 9, solo es viable un reductor de engranajes helicoidales de una sola etapa; el engranaje primario helicoidal no puede reducir la velocidad por debajo de su propia relación mínima. Por encima de i = 100, solo un reductor de engranajes helicoidales-helicoidales de dos etapas ofrece una eficiencia aceptable. El rango intermedio, i = 30-100, es donde el cálculo de costo-eficiencia cobra verdadera importancia y en el que se centra el resto de este artículo.

Mejora de la eficiencia cuantificada

La ventaja de eficiencia de la configuración de dos etapas aumenta a medida que se incrementa la relación global. La comparación que se muestra a continuación presenta valores típicos de η para tres relaciones de referencia, sobre aceite sintético PAG ISO VG 220 a una temperatura de 70 °C.

El patrón es claro: para un reductor de engranajes helicoidalesCuanto mayor sea la relación total, mayor será la ventaja de eficiencia de la configuración de dos etapas. Con i = 30, la diferencia es de 13 puntos; con i = 100, la diferencia es de 26 puntos. Para variadores de velocidad de servicio continuo que operan con una alta relación, la configuración de dos etapas ofrece ahorros de energía cuantificables durante su vida útil, generalmente entre 20 000 y 40 000 USD en 10 años para un variador de velocidad de servicio continuo de 7,5 kW, según las tarifas industriales coreanas.

Compromiso entre costo y huella ambiental

La configuración del reductor de engranajes helicoidales de dos etapas ofrece mayor eficiencia y rango de relación, aunque a costa de un sobrecoste unitario de 30-50% y una mayor superficie de la carcasa (25-35%). Estas desventajas son menores de lo que parecen si se comparan con la alternativa de un accionamiento helicoidal puro de tres etapas (que cuesta entre 1,8 y 2,2 veces más que el reductor de engranajes helicoidales de una sola etapa y añade un acoplamiento cónico externo para la salida en ángulo recto).

Selección de aplicaciones: cinco escenarios para cada configuración.

Diez clases de aplicaciones comunes de reductores de engranajes helicoidales coreanos y asiáticos y la configuración típica que elige cada una. La división a continuación muestra dónde el reductor de engranajes helicoidales de 1 etapa sigue siendo el estándar de ingeniería y dónde el híbrido de 2 etapas se convierte en la mejor opción. Para aplicaciones de accionamiento agrícola donde la carga de choque favorece la configuración de 2 etapas, consulte las notas de dimensionamiento relacionadas para dimensionamiento de cajas de cambios agrícolas.

El filtro de decisiones: tres preguntas

Para los ingenieros de compras que necesitan tomar una decisión rápidamente, las tres preguntas siguientes resuelven la elección de configuración en 60 segundos. Resuelva las preguntas en orden; la primera respuesta definitiva define la elección y las demás permiten refinar la especificación.

Preguntas frecuentes sobre gusanos helicoidales de 1 etapa frente a gusanos helicoidales de 2 etapas

Editor: Cxm