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Technical Documents - Documentos Técnicos: Power transfer mechanisms - Sistemas de transferencia de potencia

Power transfer mechanisms are normally divided into five general categories:

1. belts (flat, round, V-belts, timing)

2. chain (roller, ladder, timing)

3. plastic-and-cable chain (bead, ladder, pinned)

4. friction drives

5. gears (spur, helical, bevel, worm, rack and pinion, and many others)

Some of these, like V-belts and friction drives, can be used to provide the further benefit of mechanically varying the output speed. This ability is not usually required on a mobile robot, indeed it can cause control problems in certain cases because the computer does not have direct control over the actual speed of the output shaft. Other power transfer devices like timing belts, plastic-and-cable chain, and all types of steel chain connect the input to the output mechanically by means of teeth just like gears. These devices could all be called synchronous because they keep the input and output shafts in synch, but roller chain is usually left out of this category because the rollers allow some relative motion between the chain and the sprocket. The term synchronous is usually applied only to toothed belts which fit on their sprockets much tighter than roller chain.

For power transfer methods that require attaching one shaft to another,like motor-mounted gearboxes driving a separate output shaft, a method to deal with misalignment and vibration should be incorporated. This is done with shaft couplers and flexible drives. In some cases where shock loads might be high, a method of protecting against overloading and breaking the power transfer mechanism should be included. This is done with torque limiters and clutches.

Let's take a look at each method. We'll start with mechanisms that transfer power between shafts that are not inline, then look at couplers and torque limiters.

BELTS

Belts are available in at least 4 major variations and many smaller variations.

They can be used at power levels from fractional horsepower to tens of horsepower. They can be used in variable speed drives, remembering that this may cause control problems in an autonomous robot.

They are durable, in most cases quiet, and handle some misalignment.

The four variations are

 

. flat belt

. O-ring belt

. V-belt

. timing belt

Flat Belts

Flat belts are an old design that has only limited use today. The belt was originally made flat primarily because the only available durable belt material was leather. In the late 18 th and early 19 th centuries, it was used extensively in just about every facility that required moving rotating power from one place to another. There are examples running in museums and some period villages, but for the most part flat belts are obsolete. Leather flat belts suffered from relatively short life and moderate efficiency.

Having said all that, they are still available for low power devices with the belts now being made of more durable urethane rubber, sometimes reinforced with nylon, kevlar, or polyester tension members. They require good alignment between the driveR and driveN pulleys and the pulleys themselves are not actually flat, but slightly convex. While they do work, there are better belt styles to use for most applications. They are found in some vacuum cleaners because they are resistant to dirt buildup.

O-Ring Belts

O-ring belts are used in some applications mostly because they are extremely cheap. They too suffer from moderate efficiency, but their cost is so low that they are used in toys and low power devices like VCRs etc.

They are a good choice in their power range, but require proper tension and alignment for good life and efficiency.

V-Belts

V-belts get their name from the shape of a cross section of the belt, which is similar to a V with the bottom chopped flat. Their design relies on friction, just like flat belts and O-ring belts, but they have the advantage that the V shape jams in a matching V shaped groove in the pulley. This increases the friction force because of the steep angle of the V and therefore increases the transmittable torque under the same tension as is required for flat or O-ring belts. V-belts are also very quiet, allow some misalignment, and are surprisingly efficient. They are a good choice for power levels from fractional to tens of horsepower. Their only drawb ack is a slight tendency to slip over time. This slip means the computer has no precise control of the orientation of the output shaft, unless a feedback device is on the driveN pulley. There are several applications; however, where some slip is not much of a problem, like in some wheel and track drives. Figure #1 shows the cross sectional shape of each belt.

Timing Belts

Timing belts solve the slip problems of flat, O ring, and V belts by using a flexible tooth, molded to a belt that has tension members built in. The teeth are flexible allowing the load to be spread out over all the teeth in contact with the pulley. Timing belts are part of a larger category of power transmission devices called synchronous drives . These belt or cable-based drives have the distinct advantage of not slipping, hence the name synchronous. Synchronous or positive drive also means these belts can even be used in wet conditions, provided the pulleys are stainless steel or plastic to resist corrosion.

Timing belts come in several types, depending on their tooth profile and manufacturing method. The most common timing belt has a trapezoidal shaped tooth. This shape has been the standard for many years, but it does have drawbacks. As each tooth comes in contact with the mating teeth on a pulley, the tooth tends to be deflected by the cantilever force, deforming the belt's teeth so that only the base of the tooth remains in contact. This bending and deformation wastes energy and also can make the teeth ride up pulley's teeth and skip teeth. The deformation also increases wear of the tooth material and causes the timing belt drive to be somewhat noisy.

Several other shapes have been developed to improve on this design, the best of which is the curved tooth profile. A trade name for this shape is HTD for High Torque Design. Timing belts can be used at very low rpm, high torque, and at power levels up to 250 horsepower. They are an excellent method of power transfer, but for a slightly higher price than chain or plastic-and-cable chain discussed later in this chapter.

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Los mecanismos de transferencia de potencia se dividen normalmente en cinco categorías generales:

1. correas (planas, redondas, correas V, dentada)

2. cadena (de rodillos, escalera, dentada)

3. cadena del plástico-y-cable (de bolas, escalera, clavijas)

4. rueda de fricción

5. engranajes (estímulo, helicoidal, cónico, sinfín, piñón -cremallera, y muchos otros)

Algunos de éstos, como las correas en V y ruedas de fricción, se pueden utilizar para proporcionar la ventaja posterior de variar mecánicamente la velocidad de salida. Esta capacidad no se requiere generalmente en un robot móvil, en realidad de hecho esto puede causar problemas de control en ciertos casos porque la computadora no tiene control directo sobre la velocidad real del eje de salida. Otros dispositivos de transferencia de potencia como las correas dentadas, cadenas de plástico-y-cable, y todos los tipos de cadena de acero conectan la entrada con la salida mecánicamente por medio de dientes simplemente como engranajes. Estos dispositivos podrían todos ser llamados síncronos porque mantienen los ejes de entrada y de salida sincronizados, pero la cadena de rodillos se aleja generalmente de esta categoría porque los rodillos permiten un cierto movimiento relativo entre la cadena y el piñón. El término síncrono se aplica usualmente solamente a correas dentadas que caben en sus piñones mucho más apretados que cadena de rodillo.

Para los métodos de la transferencia de potencia que requieren el vínculo de un eje a otro, como las cajas de engranajes montadas en un motor con transmisión a un eje de salida separado, algún método para la corrección de la falta de alineación y la vibración deben ser incorporados. Esto se consigue con los acopladores de eje e impulsiones flexibles. En algunos casos donde las cargas de choque pudieran ser altas, un método de protección contra sobrecargas y de fractura del mecanismo de transferencia de energía deberá ser incluido. Esto se hace con los limitadores de torque y embragues.

Veamos un poco cada método. Comenzaremos con los mecanismos que transfieren energía entre los ejes que no están en línea, después vemos los acopladores y los limitadores de esfuerzo de torsión o torque.

CORREAS

Las correas están disponibles en por lo menos 4 variaciones importantes y muchas variaciones más pequeñas. Pueden ser utilizadas en niveles de energía desde fracciones de caballos de fuerza a decenas de caballos de fuerza. Pueden ser utilizadas en impulsiones de velocidad variable, recordando que éstas pueden causar problemas de control en un robot autónomo. Son durables, en la mayoría de los casos estables, y pueden manejan una cierta falta de alineado. Las cuatro variaciones son

. Correa plana

. Correa de anillo "O" ( también designadas como anulares, tóricas, tipo o-ring, etc.)

. Correas trapezoidales o tipo "V"

. Correa dentada

Correas planas

Las correas planas son un viejo diseño que tiene solamente uso limitado hoy. La correa fue originalmente hecha plana sobre todo porque el único material durable disponible para una correa era el cuero. A finales del siglo 18 y comienzos del 19 , fue utilizada extensivamente en casi cada industria que requería trasporte de energía giratoria de un lugar a otro. Hay ejemplos que funcionan en museos y algunas aldeas del período, pero en general las correas planas son obsoletas. Las correas planas de cuero sufrieron relativamente de corta vida y de eficacia moderada.

Habiendo dicho todo lo anterior, están todavía disponibles para dispositivos de baja energía con las correas hechas ahora de un caucho más durable de goma de uretano, a veces reforzados con nilón, kevlar, o miembros de refuerzo de poliester. Requieren de una buena alineación entre las poleas impulsoras y las impulsadas, y las poleas mismas no son realmente planas, sino levemente convexas. Mientras trabajan, hay mejores estilos de correas para utilizar en la mayoría de las aplicaciones. Se encuentran en algunas aspiradoras porque son resistentes a la acumulación de suciedad.

Correas anulares (tipo o-ring)

Las correas anulares o se utilizan en algunos usos sobre todo porque son extremadamente baratas. Sufren también de eficacia moderada, pero su coste es tan bajo que están utilizadas en juguetes y dispositivos de baja energía como los VCRs etc.

Son una buena opción en su gama de energía, pero requieren la tensión y la alineación apropiadas para una buena vida y eficacia.

Correas en V

Las correas en V deben su nombre a la forma de la sección transversal de la correa, que es similar a una V con la parte inferior tajada completamente. Su diseño depende de la fricción, en forma similar a las correas planas y las correas anulares, pero tienen la ventaja que la forma de V se inserta en un surco de la misma forma que encaja en la polea. Esto aumenta la fuerza de fricción debido al ángulo agudo de la V y por lo tanto aumenta el esfuerzo de torsión transmisible bajo la misma tensión que se requiere para las correas planas o las correas anulares. Las correas en V son también muy estables, permiten una cierta falta de alineado, y son asombrosamente eficientes. Son una buena opción para los niveles de energía de fracciones a decenas de caballos de fuerza. Su única desventaja es una tendencia leve a deslizarse en un cierto período de tiempo. Este resbalamiento significa que la computadora no tiene un control preciso de la orientación del eje de salida, a menos que un dispositivo de realimentación esté en la polea impulsada. Hay varios usos; sin embargo, donde un cierto resbalamiento no es un problema, como en algunos impulsores de rueda y de pista. La figura #1 muestra la forma seccionada transversalmente de cada correa.

Correas dentadas

Las correas dentadas solucionan los problemas de resbalamiento de las correas planas, anulares, y en V usando un diente flexible, moldeado a una correa que tenga refuerzos de tensión incorporados. Los dientes son flexibles permitiendo que la carga sea dispersa sobre todos los dientes en contacto con la polea. Las correas dentadas son parte de una categoría más grande de dispositivos de transmisión de energía llamados sistemas síncronos de transmisión. Estos sistemas de transmisión por correa o basados en cable tienen la ventaja distintiva de no deslizarse, por lo tanto de ahí el nombre de síncrono. La impulsión síncrona o positiva también significa que estas correas se pueden incluso utilizar en condiciones de humedad, con tal que las poleas sean de acero inoxidable o plástico para resistir la corrosión.

Las correas dentadas vienen en varios tipos, dependiendo de su perfil de diente y método de fabricación. La correa dentada más común tiene un diente de forma trapezoidal. Esta forma ha sido el estándar durante muchos años, pero tiene desventajas. Pues cada diente entra en contacto con los dientes de acoplamiento en una polea, el diente tiende a ser desviado por la fuerza voladiza, deformando los dientes de la correa de modo que solamente la base del diente permanece en contacto. Esta dobladura y deformación consume energía y puede además hacer que los dientes se monten encima de los dientes de la polea y los haga saltar. La deformación incrementa además el desgaste del material del diente y hace que la correa dentada pase a ser algo ruidosa.

 

Varias otras formas se han desarrollado para mejorar este diseño, de los cuales el mejor es el perfil curvado del diente. Un nombre comercial para esta forma es HTD (por "High Torque Design" o alto diseño de torque). Las correas dentadas se pueden utilizar a muy bajas rpm, alto esfuerzo de torsión, y en niveles de energía de hasta 250 caballos de fuerza. Son un método excelente de transmisión de energía, pero por un precio levemente más alto que las cadenas o cadena de plástico-y-cable.

Figure #1 Flat, O-ring, and V-belt profiles and pulleys Figura #1. Perfiles y poleas planas, toroidales, en V

 

Variable Belt Correa variable

Plastic-and-Cable Chain

The other type of synchronous drive is based on a steel cable core. It is actually the reverse of belt construction where the steel or synthetic cable is molded into the rubber or plastic belt. Plastic-and-cable chain starts with the steel cable and over-molds plastic or hard rubber teeth onto the cable. The result appears almost like a roller chain. This style is sometimes called Posi-drive, plastic-and-cable, or cable chain. It is made in three basic forms.

The simplest is molding beads onto the cable as shown in Figure #4 .

Figure #5 shows a single cable form where the plastic teeth protrude out of both sides of the cable, or even 4 sides of the cable. The third form is shown in Figure #6 . This is sometimes called plastic ladder chain. It is a double cable form and is the kind that looks like a roller chain, except the rollers are replaced with non-rolling plastic cross pieces. These teeth engage a similar shape profile cut in the mating pulleys.

Another form of the cable-based drive wraps a spiral of plastic coated steel cable around the base cable. The pulleys for this form have a matching spiral-toothed groove. This type can bend in any direction, allowing it to be used to change drive planes. Both of these synchronous drive types are cheap and functional for low power applications.

 

CHAIN

Chain comes in three basic types.

. Ladder chain, generally used for power levels below 1/4 horsepower

. Roller chain, for fractional to hundreds of horsepower

. Timing chain, also called silent chain, for power levels in the tens to

hundreds of horsepower

 

Cadena de Plástico y Cable

El otro tipo de sistema de transmisión síncrona se basa en un cable con núcleo de acero. Es en realidad, el revés de la construcción de la correa, en donde el acero o el cable sintético se moldea en la correa de goma o plástica. La cadena de plástico y cable comienza con el cable de acero y se sobre-moldean los dientes de plástico o caucho rígido sobre el cable. El resultado aparece casi como una cadena de rodillos. Este estilo se llama a veces Posi-drive, plástico y cable, o cadena de cable. Se hace en tres formas básicas. El más simple es moldeando bolas sobre el cable según las indicaciones de la figura #4 . La figura #5 muestra una forma de cable único donde los dientes plásticos sobresalen fuera de ambos lados del cable, o aún de los 4 lados del cable. La tercera forma se muestra en la figura #6 . Esta a veces se llama cadena plástica escalera. Es una forma de cable doble y es la clase que se parece a una cadena de rodillos, a menos que los rodillos se substituyan por piezas cruzadas plásticas que no rueden. Estos dientes se insertan en un perfil de forma similar cortado en las poleas de acoplamiento.

Otra forma de sistema de transmisión por cable envuelve un espiral de cable de acero cubierto de plástico alrededor del cable base. Las poleas para esta forma tienen un surco espiral-dentado haciendo juego. Este tipo se puede doblar en cualquier dirección, permitiéndole que sea utilizada para cambiar planos de transmisión. Ambos tipos de sistemas de transmisión síncronos son baratos y funcionales para usos en baja demanda de energía.

CADENA

La cadena viene en tres tipos básicos.

. Cadena escalera, usada generalmente para baja demanda de potencia debajo de 1/4 caballo de fuerza

. Cadena de rodillo, para fracciones a centenares de caballos de fuerza

. Cadena dentada, también llamada cadena silenciosa, para los niveles de potencia de decenas a centenares de caballos de fuerza

 

Figure #2 Trapezoidal Tooth Timing Belt Figura #2 . Correa dentada de diente trapezoidal

Figure #3 HTD Timing Belt Tooth Profile Figura #3 Perfil del diente de la correa dentada de HTD

 

 

 

 

 

 
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