Unidades de reducción basadas en engranajes
Las transmisiones de reducción basadas en engranajes utilizan ruedas dentadas para lograr una reducción de la velocidad y una multiplicación del par entre ejes, principalmente a través de configuraciones que mantienen un engrane preciso para una transmisión de potencia eficiente. Estos sistemas son fundamentales en ingeniería mecánica para aplicaciones que requieren un alto par a velocidades más bajas, como en maquinaria industrial y transmisiones de vehículos. Las configuraciones principales incluyen engranajes rectos, helicoidales, cónicos/hipoides, helicoidales, planetarios y armónicos (ondas de tensión), cada uno de ellos adecuado para orientaciones de eje específicas y demandas operativas.[18][19]
Los engranajes rectos cuentan con dientes rectos paralelos al eje de rotación y están diseñados para ejes paralelos, lo que permite una transferencia de potencia sencilla y rentable. Su perfil de dientes involutivos garantiza una acción conjugada para un engrane suave, con eficiencias que alcanzan el 97-99,5 % en sistemas bien lubricados. Sin embargo, a altas velocidades, el engranaje abrupto de los dientes genera ruido y vibración importantes, lo que limita su uso en entornos silenciosos o de precisión. Los engranajes rectos se prefieren para aplicaciones de carga pesada debido a su robustez y juego mínimo cuando se fabrican con precisión.[18][9]
Los engranajes helicoidales incorporan dientes cortados en ángulo con respecto al eje del eje, también para ejes paralelos, lo que permite que varios dientes entren en contacto simultáneamente para un funcionamiento más suave y una mayor capacidad de carga en comparación con los engranajes rectos. Esta disposición helicoidal admite velocidades de línea de paso de hasta 50 m/s y mantiene una alta eficiencia (97-99,5%), lo que los hace adecuados para unidades reductoras de alta velocidad. Una compensación clave es la generación de empuje axial proporcional al ángulo de la hélice, lo que requiere cojinetes de empuje para gestionar las fuerzas de separación en los ejes. Los diseños de doble hélice (en espiga) mitigan este empuje al oponerse las direcciones de la hélice.[18][20]
Los engranajes cónicos e hipoides se adaptan a disposiciones de ejes perpendiculares, esenciales para la transmisión de potencia ortogonal en sistemas como los diferenciales de vehículos. Los engranajes cónicos tienen superficies de paso cónicas con dientes rectos o en espiral, generalmente en ángulos de 90 grados, que admiten velocidades de hasta 50 m/s para variantes en espiral y eficiencias del 97-99,5 %; Proporcionan un fuerte manejo del par pero requieren una fabricación emparejada para mayor precisión. Los engranajes hipoides amplían esta capacidad con ejes desplazados que no se cruzan en superficies hiperboloides, lo que permite diseños compactos con relaciones de reducción de hasta 200:1 en configuraciones de múltiples etapas y un engrane más suave, aunque con eficiencias ligeramente menores (80-95 %) debido al contacto deslizante, que exige lubricación especializada. Estos prevalecen en los ejes traseros de los automóviles por su capacidad para bajar los ejes de transmisión mientras distribuyen el torque de manera efectiva.[18][21][22]
Los engranajes helicoidales consisten en un tornillo sin fin que engrana con una rueda helicoidal para ejes perpendiculares que no se cruzan, ofreciendo altas relaciones de reducción de 5:1 a 100:1 o más en una sola etapa con capacidad de autobloqueo para evitar el retroceso. Alcanzan eficiencias del 50-90%, más bajas debido a la fricción por deslizamiento, que requieren lubricación, y son compactos para aplicaciones de alto torque y baja velocidad como ascensores y mecanismos de ajuste, aunque limitados a altas velocidades debido a la generación de calor.
Los sistemas de engranajes planetarios cuentan con un engranaje solar central, engranajes planetarios en órbita y un engranaje de anillo exterior en disposición coaxial, lo que proporciona altas relaciones de reducción de hasta 10:1 por etapa (o más en multietapa) con una excelente densidad de torsión y eficiencias del 95-98 %. Su diseño compacto distribuye la carga en múltiples planetas para un funcionamiento suave y un manejo de alta potencia, ideal para transmisiones automotrices y robótica, aunque la fabricación compleja aumenta los costos.[25]
Los accionamientos armónicos, basados en engranajes de ondas de tensión, logran altas relaciones de reducción en una forma compacta utilizando un generador de ondas que deforma una ranura flexible contra una ranura circular rígida. El generador de ondas elípticas crea una onda de tensión viajera en la línea flexible, enganchando los dientes progresivamente para producir relaciones de 50:1 a 160:1 en una sola etapa sin juego, ya que la deformación continua elimina el juego. Este diseño permite un posicionamiento preciso en configuraciones con espacio limitado, con una rigidez torsional lo suficientemente alta para articulaciones robóticas. Las ventajas incluyen juego cero y alta densidad de reducción, pero las desventajas incluyen una menor eficiencia de alrededor del 70-80 % debido a pérdidas por flexión, mayor momento de inercia del generador de ondas y mayores costos de fabricación a partir de materiales especializados como aleaciones de alta elasticidad.[26][27][28]
Las características clave de las transmisiones por engranajes incluyen técnicas para minimizar el juego (el espacio entre los dientes engranados que puede causar errores de posicionamiento) y estrategias para una distribución uniforme de la carga en trenes de múltiples engranajes. El juego se reduce mediante un rectificado de precisión, un ligero adelgazamiento de los dientes del engranaje durante el corte o el uso de mecanismos de precarga, como engranajes divididos con resorte, para mantener un contacto constante con el engranaje. En los trenes de múltiples engranajes, la distribución de la carga se optimiza a través de factores como el ancho de la cara, los ángulos de la hélice y la alineación para evitar tensiones desiguales, y los modelos analíticos los tienen en cuenta para mejorar la durabilidad y la eficiencia.
Históricamente, los engranajes rectos dominaron los accionamientos reductores desde el siglo XIX, impulsando las primeras maquinarias industriales con su diseño sencillo en medio del auge de las máquinas de vapor y las fábricas. Los engranajes helicoidales ganaron importancia a principios del siglo XX, particularmente en aplicaciones automotrices y de aviación, para lograr un funcionamiento más silencioso y una vibración reducida sobre los engranajes rectos a velocidades elevadas.
Unidades de reducción sin engranajes
Las unidades de reducción sin engranajes logran una reducción de la velocidad y una multiplicación del par a través de mecanismos que evitan el contacto directo de los engranajes engranados, confiando en cambio en métodos de transmisión flexibles, hidrodinámicos o basados en la tensión. Estos sistemas son particularmente útiles en aplicaciones que requieren tolerancia a la desalineación, funcionamiento suave o diseños compactos de alta relación, aunque a menudo sacrifican cierta eficiencia o precisión por estos beneficios.[31]
Las transmisiones por correa utilizan poleas conectadas por correas trapezoidales, correas planas o correas de distribución para transmitir potencia, y la reducción de velocidad está determinada por la relación de los diámetros de las poleas. Las correas trapezoidales y las correas de distribución ofrecen ventajas como una tolerancia a la desalineación del eje de hasta varios grados y un funcionamiento más silencioso en comparación con los sistemas rígidos, lo que las hace adecuadas para entornos de carga moderada. Las correas de distribución, en particular, proporcionan relaciones de velocidad casi constantes con eficiencias de hasta el 98% y eliminan el deslizamiento en condiciones normales, aunque requieren un tensado inicial preciso. Sin embargo, las correas corren el riesgo de deslizarse bajo cargas de torsión elevadas que superan el 10-20 % de su capacidad nominal y exhiben una menor precisión de transmisión para tareas de precisión debido al posible alargamiento con el tiempo.[32][33][34]
Las transmisiones por cadena emplean cadenas de rodillos que acoplan ruedas dentadas para transferir potencia, logrando relaciones de reducción similares a las de las correas pero con mayor capacidad de manejo de carga para aplicaciones de servicio pesado. Las cadenas de rodillos pueden transmitir pares varias veces más altos que las correas equivalentes sin deslizamiento, manteniendo eficiencias de alrededor del 95-98%, y funcionan bien en una variedad de velocidades, incluidos arranques y paradas a baja velocidad. Su diseño robusto permite distancias entre centros de hasta 3 metros o más en algunas configuraciones. Los inconvenientes incluyen la necesidad de una lubricación regular para evitar el desgaste, posibles vibraciones y ruidos a altas velocidades por encima de 1000 rpm, y sensibilidad a la desalineación, que puede acelerar la fatiga de la cadena.[35][36][37]
Los acoplamientos de fluido y los convertidores de par funcionan según principios hidrodinámicos, utilizando fluidos viscosos dentro de carcasas selladas para acoplar los ejes de entrada y salida sin contacto mecánico. En un acoplamiento de fluido básico, el flujo de fluido impulsado por un impulsor transfiere torque a una turbina, proporcionando una aceleración suave y protección contra sobrecarga al deslizarse en cargas máximas. Los convertidores de par amplían esto incorporando un estator para redirigir el flujo de fluido, multiplicando el par de entrada por factores de hasta 2,5 durante el arranque para mejorar el rendimiento a baja velocidad. Estos dispositivos destacan en escenarios de velocidad variable, absorbiendo impactos y vibraciones para reducir el desgaste de la transmisión, sin juego debido al medio fluido. Las eficiencias suelen oscilar entre el 90% y el 95% a máxima velocidad, pero caen al 80% o menos durante el deslizamiento, y consumen más energía que los enlaces mecánicos directos debido al arrastre inherente del fluido.[38][39][40]