Los engranajes de ondas de tensión son una tecnología de reducción de engranajes menos conocida, lo que significa que muchos ingenieros y diseñadores pueden estar perdiendo sus beneficios únicos.
Sin comprender cómo funcionan los engranajes de ondas de tensión y sus ventajas, los proyectos pueden verse afectados por el uso de soluciones menos óptimas que son más voluminosas, más pesadas, menos precisas y menos eficientes.
Este artículo ofrece una descripción general completa de los engranajes de onda extensible, explicando sus principios de funcionamiento, componentes, configuraciones y principales ventajas y limitaciones. Con este conocimiento, los lectores pueden tomar decisiones informadas sobre si los engranajes de onda extensible son la opción correcta para sus aplicaciones.
¿Qué es el engranaje de ondas de tensión?
Un engranaje de onda de tensión, también conocido como transmisión armónica, es un tipo único de sistema de engranaje mecánico que utiliza la deformación elástica de un componente de pared delgada para transmitir par. Este diseño innovador ofrece varias ventajas sobre los sistemas de engranajes tradicionales, incluidas relaciones de reducción de engranajes elevadas, juego cero y tamaño compacto.
Los engranajes de onda de deformación fueron inventados en 1957 por CW Musser y desde entonces han encontrado una amplia aplicación en robótica, aeroespacial y maquinaria de precisión. La característica distintiva clave de un engranaje de onda de deformación es el uso de una "ranura flexible" que se adapta a un "generador de ondas" elíptico. A medida que el generador de ondas gira, hace que la ranura flexible se deforme y se acople con una "ranura circular" rígida, lo que da como resultado una reducción de engranaje de alta relación.
Componentes de los engranajes de ondas de deformación
- Generador de olas:Una leva elíptica con un cojinete de bolas delgado que está montado en el eje de entrada de alta velocidad. A medida que el generador de ondas gira, imparte una forma elíptica en movimiento continuo a la ranura flexible.
- Estría flexible: Una copa cilíndrica flexible de paredes delgadas con dientes externos de un diámetro ligeramente menor que el de la ranura circular. El generador de ondas deforma la ranura flexible hasta darle una forma elíptica, lo que hace que sus dientes se acoplen con los de la ranura circular en dos regiones opuestas.
- Estrías circulares: Anillo rígido con dientes internos que se monta dentro de la reductores de engranajes. Tiene un diámetro ligeramente mayor y, por lo general, dos dientes menos que el estriado flexible.
Cómo funcionan los engranajes de ondas de tensión
A medida que el generador de ondas gira, la ranura flexible se deforma para acoplarse con la ranura circular en dos regiones opuestas a lo largo del eje mayor de la elipse. Los dientes de la ranura flexible que están en contacto con los dientes de la ranura circular están bajo carga y se desvían como una viga en voladizo. A medida que diferentes dientes de la ranura flexible se acoplan con la ranura circular durante cada revolución, la potencia mecánica se transmite desde el generador de ondas a la ranura flexible y luego a la ranura circular.
Normalmente, el generador de ondas es la entrada, y tanto la spline flexible como la spline circular pueden ser fijas para producir una rotación de salida. Si la spline flexible es fija, la spline circular gira en la misma dirección que el generador de ondas. Si la spline circular es fija, la spline flexible gira en la dirección opuesta al generador de ondas. La diferencia en la cantidad de dientes entre la spline flexible y la spline circular determina la relación de transmisiónPor cada rotación completa del generador de ondas, la estría flexible se mueve dos dientes con respecto a la estría circular, lo que da como resultado relaciones de reducción de engranajes elevadas.
Tipos de engranajes de ondas de tensión
Tipo de sombrero
En la configuración tipo sombrero, la ranura flexible presenta una brida en forma de sombrero que se extiende desde el cilindro dentado. Esta brida permite montar la ranura flexible en una carcasa o marco, lo que proporciona soporte y evita la rotación. El diseño tipo sombrero se utiliza a menudo en aplicaciones en las que la ranura flexible debe fijarse y la ranura circular sirve como salida.
Tipo de copa
Los engranajes de onda de tensión de tipo copa cuentan con una ranura flexible con una extensión en forma de copa opuesta al cilindro dentado. Esta copa interactúa con la carcasa, lo que permite que la ranura flexible gire y sirva como elemento de salida. La ranura circular permanece fija en esta configuración. Los diseños de tipo copa se utilizan comúnmente cuando se requiere una salida giratoria.
Relación de reducción de engranajes
Una de las principales ventajas de los engranajes de onda de deformación es su alta relación de reducción de engranajes en un paquete compacto. La relación de reducción de engranajes está determinada por la cantidad de dientes en las estrías flexibles y circulares.
La relación de reducción se puede calcular mediante la fórmula:
Relación = (Nc – Nf) / Nf
Lugar:
Nc = Número de dientes en la ranura circular
Nf = Número de dientes en la ranura flexible
Las relaciones de reducción típicas varían de 30:1 a 320:1 en una sola etapa. Esta alta capacidad de reducción elimina la necesidad de trenes de engranajes de varias etapas, lo que da como resultado un diseño más compacto y eficiente.
Ventajas de los engranajes de ondas de tensión
- Reacción cero:El exclusivo mecanismo de engrane de los engranajes de ondas de tensión elimina el juego, lo que garantiza una alta precisión posicional y una transmisión suave del movimiento.
- Compacidad y peso ligero:Las altas relaciones de reducción alcanzables en una sola etapa permiten un diseño compacto y liviano en comparación con los trenes de engranajes de múltiples etapas.
- Alta capacidad de torsión:Los engranajes de onda de tensión pueden transmitir altos pares debido a la gran área de contacto entre la estría flexible y los dientes de la estría circular.
- High EfficiencyCon eficiencias típicamente superiores al 80%, los engranajes de ondas de tensión minimizan las pérdidas de potencia y generan menos calor que otros sistemas de engranajes.
- Ejes de entrada y salida coaxiales:La disposición concéntrica de los ejes de entrada y salida simplifica el diseño de la máquina y ahorra espacio.
- Relaciones reconfigurables dentro de una carcasa estándar:Se pueden lograr diferentes relaciones de reducción modificando el número de dientes manteniendo las mismas dimensiones de la carcasa.
Desventajas de los engranajes de ondas de deformación
- Flexibilidad y “Wind-up”:La estría flexible de paredes delgadas genera flexibilidad, lo que puede generar enrollamiento bajo carga, lo que afecta la precisión de posicionamiento.
- Capacidad de velocidad limitada:Los engranajes de onda de tensión generalmente están limitados a velocidades inferiores a 2000 rpm debido a la naturaleza flexible de la estría flexible.
- Costo:La fabricación de precisión y los materiales necesarios para los engranajes de ondas de tensión los hacen más caros que los sistemas de engranajes convencionales.
- Fatiga de materiales:La flexión repetida de la estría flexible puede provocar fatiga del material con el tiempo, lo que limita la vida útil del engranaje.
- Temperatura de Funcionamiento:El rendimiento y la vida útil de los engranajes de ondas de tensión pueden verse afectados por temperaturas de funcionamiento extremas, lo que requiere una cuidadosa selección del material y lubricación.
