Oficios Técnicos

www.sapiensman.com/tecnoficio


Información para el estudiante y el trabajador de oficios técnicos. 

 

 


Búsqueda personalizada

Mecánica. Dispositivos de transferencia indirecta de potencia.

Tornillos sin fin (Worm Gears)

Los engranajes tipo tornillo sin fin tienen un aspecto semejante a un gusano envolviendo un eje (en Inglés se los designa por esta semejanza). Son usados primariamente para relaciones de reducción elevadas, desde 5:1 a 100:1. Su principal desventaja es la ineficiencia causada por el contacto del tornillo sin fin con la rueda sin fin. En relaciones de reducción mayores, pueden ser auto bloqueantes, lo que significa que la transmisión mecánica de entrada es detenida, la salida no puede ser rotada. Vemos a  continuación una distribución de tornillo sin fin lubricado internamente, con envoltura doble inusual  que es un intento de incrementar la eficiencia y la vida de una caja de reducción.

Tornillo sin fin con engrane hidrostático.

La fricción será reducida en gran medida.

Lewis Research Center, Cleveland, Ohio

En una transmisión a tornillo sin fin propuesta, el aceite será bombeado a alta presión a través del contacto de los dientes del engranaje y el tornillo sin fin (figura 2-16). La presión en el aceite separa las superficies de endentado ligeramente, y el aceite reducirá la fricción entre estas superficies. Cada una de las fuerzas de separación en diferentes contactos de dientes contribuirá al torque del engranaje y a una fuerza axial sobre el tornillo sin fin. Para contrarrestar esta fuerza axial y reducir la fricción que la misma de otra produciría, el aceite sería bombeado bajo presión dentro de un soporte hidrostático de contrafuerza en un extremo del eje del tornillo sin fin.

 

Fig. 2-16. El aceite sería inyectado a alta presión para reducir la fricción en áreas críticas de contacto.

Este tipo de transmisión tornillo sin fin-engranaje fue concebido para su uso en el tren de transmisión entre el motor de turbina a gas y rotor de un helicóptero y podría ser útil en otras aplicaciones en las cuales el peso es crítico. El tornillo sin es atractivo en aplicaciones críticas por peso debido a (1) el mismo puede transmitir el torque de un eje de motor horizontal (u otra entrada) a un eje rotor vertical (u otra salida perpendicular), reduciendo la velocidad a la relación deseada en una etapa, y (2) en principio, un diseño de una etapa puede ser implementado en una caja de reducción que pese menos que una caja de reducción convencional de un helicóptero.

En consecuencia, la elevada fricción de deslizamiento entre las espiras del tornillo sin fin y el diente de engranaje de las transmisiones tornillo sin fin-engranaje han reducido la eficiencia tanto que tales transmisiones no podían ser usadas en helicópteros. La eficiencia de la transmisión tornillo sin fin-engranaje propuesta, con engrane hidrostático dependería en parte de la fricción remanente en los contactos hidrostáticos de dientes y en la potencia requerida para bombear el aceite. Los cálculos preliminares muestran que la eficiencia propuesta podría ser la misma que aquella de un tren de engranajes convencional de helicóptero.

Fig. 2-17. Este aparato de ensayo simula y mide algunas de las condiciones de carga de la transmisión tornillo sin fin-engranaje con engrane hisdrostático. Los datos de ensayo serán usados para diseñar transmisiones eficientes de éste tipo.

La figura 2-17 muestra un aparato que está siendo usado para obtener datos experimentales pertinentes a la eficiencia de un engranaje-tornillo sin fin con engrane hidrostático.  Dos sectores de discos estacionarios con bolsillos de aceite representan el diente del engranaje y están instalados en un marco calibre. Un disco que representa la espira del tornillo sin fin está localizado entre los sectores de disco en el calibre y es girado rápidamente por un motor y caja de reducción. El aceite es bombeado a alta presión a través de acanaladuras entre los sectores de disco rotativo y disco estacionario. El aparato es instrumentado para medir la fuerza friccional del engrane y la fuerza de carga.

Los sectores del disco estacionario pueden ser instalados con varias separaciones y varios ángulos con respecto al disco rotativo. Los sectores del disco estacionario pueden ser hechos con varias formas y bolsillos (cámaras) de aceite en varias posiciones. Un caudalímetro y un manómetro medirán la potencia de bomba. Aceites de varias viscosidades pueden ser usados. Los resultados de las experiencias determinarán las dependencias experimentales de las eficiencias de la transmisión de estos factores.

Se ha estimado que futuras investigaciones y desarrollos harán posible hacer transmisiones tipo tornillo sin fin-engranaje para helicópteros que pesen la mitad del peso actual de las transmisiones convencionales actuales. Adicionalmente, los nuevos engranes hidrostáticos ofrecerían mayor vida de servicio y menor ruido. Podría ser posible desarrollar contactos de tornillos sin fin-engranajes, o al  menos parte de los mismos, en materiales livianos tales como titanio, aluminio y compuestos.

Este trabajo fue llevado a cabo por Lev. I. Chalko del U.S. Army Propulsion Directorate (AVSCOM) para Lewis Research Center

Transmisiones diferenciales controladas.

Al acoplar un conjunto de engranajes diferenciales a una transmisión de velocidad variable, la capacidad de caballos de fuerza de la transmisión puede ser incrementada a expensas de su rango de velocidad. Alternativamente, el rango de velocidades puede ser incrementado a expensas del rango de caballos de fuerza. Muchas combinaciones de estas variables son posibles. Las características del diferencial dependen del fabricante. Algunos sistemas tienen engranajes cónicos con dentado espiral, otros tienen engranajes planetarios. Ambos diferenciales únicos y dobles son empleados. Las transmisiones de velocidad variable con engranajes diferenciales están disponibles con rangos de hasta 30 hp.

Diferencial de incremento de caballos de fuerza. El diferencial está acoplado de manera que la salida del motor es alimentada de un lado y la salida del variador de velocidad es alimentada del otro lado. Un par adicional de engranajes es empleado, como se muestra en la figura 2-18.

Fig. 2-18

Fig 2-19. Diferencial de incremento de rango de velocidad . Este conjunto alcanza un amplio rango de velocidad con el límite inferior en cero o en dirección reversa.

Fig. 2-20. Una transmisión de velocidad variable consiste en dos juegos de tornillo sin fin/engranajes alimentando un mecanismo diferencial. La velocidad del eje de salida depende de la diferencia de rpm entre los dos tornillos sin fin de entrada. Cuando las velocidades de los tornillos son iguales, la salida es cero. Cada eje de tornillo sin fin arrastra una polea en forma cónica. Estas poleas son montadas de manera que sus conos estén en direcciones opuestas. El cambio de la dirección del movimiento de  la correa en estas poleas tiene un efecto compuesto sobre sus salidas.

Engranajes planetarios de motores gemelos que proporcionan seguridad más doble velocidad

Muchos operarios y dueños de montacargas y grúas temen el posible daño catastrófico que puede ocurrir si el motor impulsor de una unidad fallase por cualquier razón. Una solución para este problema es alimentar la potencia de dos motores de iguales características sobre un mecanismo impulsor de engranajes planetarios.

Fuente de alimentación. Cada uno de los motores es seleccionado para alimentar la mitad de la potencia requerida al engranaje del montacargas (ver figura 2-21). Un motor mueve el engranaje anular (también llamado corona de diferencial), el que tiene engranajes internos y externos. El segundo motor mueve el engranaje planetario directamente.

 

Fig. 2-21. Potencia aplicada desde dos motores, se combinan en un sistema de engranajes plantarios que mueve el tambor del cable de elevación de cargas.

Tanto el engranaje anular como el engranaje planetario rotan en la misma dirección. Si ambos engranajes rotan a la misma velocidad, la jaula planetaria, que está acoplada a la salida, rotará también a la misma velocidad (y en la misma dirección). Es como si todo el trabajo interior del planetario fuera fusionado en un conjunto. No habría movimiento relativo. Entonces, si un motor falla, la jaula girará a la mitad de su velocidad original, y el otro motor aún podrá levantar la carga con capacidad disminuida. El mismo principio se vuelve realidad cuando el engranaje anular rota más lento que el engranaje planetario.

Sin necesidad de intercambiar engranajes. Otra ventaja es que dos velocidades de trabajo están disponibles como resultado de un simple arreglo de conmutación. Esto hace innecesario conmutar engranajes para obtener otra velocidad.

El diagrama muestra una instalación para una grúa de taller siderúrgico o acería.

Reductores de velocidad armónicos (Harmonic-Drive Speed reducers)

El reductor de velocidad armónico fue inventado en los 1950s en la Harmonic Drive Division de la  United Shoe Machinery Corporation, Beverly, Massachusetts. Estos reductores han sido especificados en muchas aplicaciones de control de movimiento de alta performance. A pesar de que la Harmonic Drive Division no existe más, los derechos de manufactura del reductor han sido vendidos a varios fabricantes japoneses, por lo tanto éstos todavía son fabricados y vendidos. Más recientemente, los reductores han sido instalados en robots industriales, equipamiento de manufactura de semiconductores, y controladores de movimiento en equipamiento militar y de aeroespacio.

Fig. 2-22. Vista expandida de un reductor armónico típico mostrando sus partes principales. El flexspline tiene un diámetro exterior mas pequeño que el circular spline, por lo tanto el generador de onda elíptico distorsiona al flexspline de manera que sus dientes, separados 180°, engranen entre sí.

 

La historia del reductor de velocidad data de más de 2000 años. El primer registro de los engranajes reductores apareció en escritos del ingeniero romano Vitruvius en el primer siglo A.C. El describía engranajes con dientes de madera que transmitían la potencia de una rueda de agua a molinos de piedra para la molienda de maíz. Esos engranajes ofrecían una reducción de 5 a 1. Hacia los 300 A.C, Aristóteles, el filósofo griego y matemático, escribió acerca de dientes de engranajes hechos de bronce.

En 1556, el científico sajón Georgius Agricola, describía un cabrestante para arrastrar pesadas cargas fuera de las minas en Bohemia. Ruedas de hierro fundido de alta exigencia fueron inicialmente introducidas a mediados del siglo dieciocho, pero antes de ese tiempo engranajes hechos de bronce y otros metales fueron incluidos en pequeñas máquinas, relojes y equipos militares.

El reductor armónico está basado en el principio llamado strain-wave gearing, algo así como transmisión de movimiento por onda-deformación, un nombre derivado de la operación de su elemento primario de transmisión de torque, el  flexspline (vaso flexible, engranaje flexible). La figura 2-22 muestra los tres elementos básicos del reductor armónico: el circular spline, el engranaje flexible flexspline y el generador de onda en forma de elipse.

El circular spline es un anillo sólido, no rotativo de gruesa pared con dientes internos. Por el contrario, un flexspline es una copa de metal flexible de pared delgada con dientes externos. Más pequeño en el diámetro externo que en el diámetro interno del circular spline, el flexspline debe ser deformado por el generador de onda (wave generador) si sus dientes externos deben engranar los dientes internos del circular spline.

Fig. 2-23. Esquema de un reductor armónico mostrando la relación mecánica entre las dos partes ranuradas (splines) y el generador de onda.

Cuando la leva elíptica generadora de onda (elliptical cam wave generator) es insertada dentro del agujero del flexspline, el mismo toma la forma elíptica. Debido a que el eje principal del generador de onda es casi igual al diámetro interior del circular spline, los dientes externos del flexspline que están alejados 180° engranaran con los dientes internos del circular spline.

Los generadores de onda modernos están integrados en un conjunto de rodamiento de bolillas que funciona como elemento rotativo de entrada. Cuando el generador de onda transfiere su forma elíptica al flexspline y los dientes externos del flexspline han engranado con los dientes internos del circular spline en dos ubicaciones opuestas, un acoplamiento positivo de engranaje ocurre en esos puntos de engrane. El eje fijado al flexspline es el elemento rotativo de salida.

 

La figura 2-23 es una representación esquemática del reductor armónico en una vista transversal. El flexspline típicamente tiene dos dientes externos menos que el número de dientes internos del circular spline. El chivetero del eje de entrada está en su posición de cero grados o 12 en punto. Los pequeños círculos alrededor del eje son los rodamientos de bolas del generador de onda.

 

 

Fig. 2-24. Tres posiciones del generador de onda: (A) posición de 12 en punto o cero grados; (B) posición de 3 en punto o 90°; y (C) posición de 360° mostrando el desplazamiento de dos dientes.

La figura 2-24 es una vista esquemática de un reductor armónico en tres posiciones operativas. En la figura 2-24A, las flechas interior y exterior están alineadas. La flecha interior indica que el generador de onda está en su posición de 12 en punto con respecto al circular spline, previo a su rotación en sentido horario.

Debido a la forma elíptica del generador de onda, un acoplamiento completo de dientes ocurre sólo en las dos áreas directamente en línea con el eje principal de la elipse (el eje vertical del diagrama). Los dientes en línea con el eje menor están completamente  desacoplados.

A medida que el generador de onda rota 90° en sentido horario, como se muestra en la figura 2-24B, la flecha interna está aún apuntando al mismo diente del flexspline, que ha iniciado su rotación en sentido antihorario. Sin el desacople completo de los dientes en las áreas del eje menor, esta rotación no sería posible.

En la posición mostrada en la figura 2-24C, el generador de onda ha realizado una revolución completa y está de vuelta en su posición de 12 en punto. La flecha interna del flexspline indica un desplazamiento de dos dientes por revolución en sentido antihorario. Desde este movimiento de revolución la ecuación de reducción de radio puede ser escrita como:

 

A medida que el generador de onda rota y flexiona al eje estriado (spline) de delgadas paredes, los dientes se mueven dentro y fuera del acoplamiento en un movimiento de onda rotativa. Como sería de esperar, cualquier componente mecánico que es flexionado, como el flexspline, está sujeto a estiramientos y tensiones.

Ventajas y desventajas.

El reductor armónico fue aceptado como un reductor de velocidad de alto desempeño debido a su habilidad de posicionar elementos móviles con precisión. Más aún, no existe juego mecánico en un reductor armónico. Por lo tanto, al posicionar cargas inerciales, la repetibilidad y resolución son excelentes (un arco o más).

Debido a que el reductor armónico tiene una disposición de eje concéntrico, los ejes de entrada y salida tienen la misma línea de centro. Esta geometría contribuye a su factor de forma compacto. La habilidad del reductor de proporcionar radios de alta resolución en un paso único con elevada capacidad de torque lo hacen recomendable en muchos diseños de máquinas. Los beneficios de alta eficiencia mecánica son alta capacidad de torque por peso y unidad de volumen, ambas características atractivas de desempeño.

Una desventaja del reductor de velocidad armónico ha sido su régimen de enrollamiento o resorte de torsión. El diseño necesario de la forma de los dientes del reductor para el contacto de los mismos entre el flexspline y el circular spline permiten que sólo un diente engrane completamente en cada extremo del eje principal del generador. Esta condición de diseño es alcanzada sólo cuando no hay carga de torsión. Sin embargo, a medida que la carga de torsión se incrementa, los dientes se doblan ligeramente y el flexspline también se distorsiona ligeramente, permitiendo que dientes vecinos engranen.

Paradójicamente, lo que podría ser una desventaja se convierte en ventaja debido a que mas dientes comparten la carga. Consecuentemente, con muchos mas dientes engranados, la capacidad de torque es mayor, y no existe aún holgura mecánica. Sin embargo, éste doblado y flexionado causa enrollamiento de torsión, el mayor contribuyente al error posicional en los reductores armónicos.

Al menos un fabricante afirma haber superado este problema con dientes de engranajes rediseñados. En un nuevo diseño, una compañía reemplazó el diente en envolvente original sobre el flexspline y circular spline con dientes no envolventes. El nuevo diseño se dice que reduce la concentración de esfuerzo, e incrementa el régimen de torque (o sea esfuerzo de torsión) permisible.

El nuevo diseño de dientes es un compuesto de arcos conexos y cóncavos que emparejan los puntos de encastre. El nuevo ancho de diente es menor que el ancho del espacio de diente y, como resultado de estas dimensiones y proporciones, el radio de filete es mayor.


 

 

 

 

 

 

 
Volver arriba