La caja de cambios ciclonoidal

Básicamente, la caja de engranajes cicloidales es una caja de engranajes que utiliza un movimiento cicloidal para realizar su rotación. Su diseño es muy simple y eficiente, y puede utilizarse en diversas aplicaciones. Se emplea frecuentemente en aplicaciones que requieren el movimiento de cargas pesadas. Presenta varias ventajas sobre la caja de engranajes planetarios, entre ellas, su capacidad para manejar cargas y velocidades mayores.

Efectos dinámicos e inerciales de una caja de engranajes cicloidal

Se han realizado diversos estudios sobre los efectos dinámicos e inerciales de una caja de engranajes cicloidales. Algunos se centran en los principios de funcionamiento, mientras que otros se enfocan en el modelo matemático de la caja. Este artículo examina el modelo matemático de una caja de engranajes cicloidales y compara su rendimiento con mediciones reales. Es fundamental contar con un modelo matemático adecuado para el diseño y control de una caja de engranajes cicloidales. Una caja de engranajes cicloidales es una caja de engranajes de dos etapas con un disco cicloidal y una corona dentada que gira sobre su propio eje.
El modelo matemático consta de más de 1,6 millones de elementos. Cada par de engranajes está representado por un modelo reducido con 500 modos propios. La frecuencia propia del engranaje recto es de 70 kHz. El modelo modalmente reducido se ajusta bien a la caja de engranajes cicloidal.
El modelo matemático se valida utilizando el software ABAQUS. Se discretizó un disco cicloidal para producir un modelo muy fino. Requiere 400 puntos de elemento por diente. También se verificó utilizando FEA estático. Este modelo se utilizó posteriormente para modelar la fricción estática de los engranajes en todos los cuadrantes. Este es un nuevo enfoque para modelar la fricción estática en una caja de engranajes cicloidal. Se ha demostrado que produce resultados comparables a los del modelo EMBS. Los resultados también coinciden con los del modelo de simulación multicuerpo elástico. Este se ajusta bien a las fuerzas de contacto y la magnitud del disco de engranaje cicloidal. También se encontró que la precisión de transmisión entre el disco de engranaje cicloidal y la corona dentada es de aproximadamente 98,5%. Sin embargo, este valor es menor que la precisión de transmisión del par de corona dentada. El error de transmisión del modelo corregido es de aproximadamente 0,3%. La precisión de transmisión es menor debido a la menor cantidad de deformación elástica en los flancos de los dientes.
Es importante destacar que las fuerzas de contacto más precisas para cada diente de una caja de engranajes cicloidales no son uniformes. La fuerza de contacto en un solo diente comienza con un aumento lineal y luego termina con una caída brusca. No es tan uniforme como la fuerza de contacto en un contacto puntual, razón por la cual se ha comparado con la fuerza de contacto en un contacto elíptico. Sin embargo, el contacto en un contacto elíptico sigue siendo relativamente pequeño, y el modelo EMBS no puede capturarlo.
El modelo de elementos finitos (MEF) para el disco cicloidal consta de aproximadamente 1,6 millones de elementos. La parte más importante del MEF es la discretización del disco cicloidal. Es fundamental discretizar el disco cicloidal con sumo cuidado debido al alto grado de vibración que experimenta. El disco cicloidal debe discretizarse con precisión para que los resultados sean comparables a los de un análisis de elementos finitos estático. Debe ser el modelo más preciso posible para poder simular con exactitud las fuerzas de contacto entre el disco cicloidal y la corona dentada.

Cinemática de un accionamiento cicloidal

Utilizando un sistema de coordenadas arbitrario, podemos observar el movimiento de los componentes en una caja de engranajes cicloidales. Observamos que el disco cicloidal gira alrededor de pasadores fijos describiendo un círculo, mientras que el eje seguidor gira alrededor de la leva excéntrica. Además, vemos que el eje de entrada está montado excéntricamente sobre el rodamiento de elementos rodantes.
También observamos que el disco cicloidal gira independientemente alrededor del cojinete excéntrico, mientras que el eje seguidor gira alrededor de un eje de simetría. Podemos concluir que el disco cicloidal desempeña un papel fundamental en la cinemática de una caja de engranajes cicloidales.
Para calcular la eficiencia del reductor cicloidal, utilizamos un modelo basado en la rigidez no lineal de los contactos. En este modelo, la no linealidad del contacto está determinada por la no linealidad de la fuerza y ​​la deformación en el contacto. Hemos demostrado que la eficiencia del reductor cicloidal aumenta con la carga. Además, la eficiencia depende de la velocidad de deslizamiento y de las deformaciones de la carga normal. Estos factores se consideran las variables clave para determinar la eficiencia del accionamiento cicloidal.
También consideramos la eficiencia del reductor cicloidal en función del par de entrada y la velocidad de entrada. Podemos calcular la eficiencia dividiendo el par neto en la corona dentada entre el par de salida. La eficiencia se puede ajustar para adaptarse a diferentes condiciones de funcionamiento. La eficiencia del accionamiento cicloidal aumenta a medida que aumenta la carga.
La caja de engranajes cicloidales es una caja de engranajes multietapa con un eje pequeño y un eje grande. Tiene 19 dientes y arandelas de latón. Los discos exteriores se mueven en oposición al disco central y están desfasados ​​180 grados. El disco central tiene el doble de masa que el exterior. El disco cicloidal tiene nueve lóbulos que se mueven uno por cada revolución del eje de transmisión. El número de pasadores en el disco debe ser menor que el número de pasadores en los pasadores circundantes.
El eje de entrada acciona un cojinete excéntrico que transmite la potencia al eje de salida. Además, el eje de entrada aplica fuerzas al disco cicloidal a través del cojinete intermedio. El disco cicloidal avanza en pasos de 360° sobre su pivote. Los pasadores del eje de salida se mueven dentro de los orificios, permitiendo que este gire continuamente. El eje de entrada aplica un movimiento sinusoidal para mantener la velocidad constante del eje base. Esta onda sinusoidal provoca pequeños ajustes en el eje seguidor. Las fuerzas aplicadas a los manguitos internos forman parte del mecanismo de equilibrio.
Además, podemos observar que el engranaje cicloidal es capaz de transmitir un par mayor que el engranaje planetario. Esto se debe a la mayor longitud axial del engranaje cicloidal y al menor diámetro del orificio de la corona dentada. También es posible lograr un ajuste preciso entre la corona fija y el disco, gracias al dentado entre ambos. El disco cicloidal suele diseñarse con una cicloide corta para minimizar las fuerzas de desequilibrio a altas velocidades.

Comparación con reductores planetarios

En comparación con las cajas de engranajes planetarios, la caja de engranajes cicloidales presenta algunas ventajas. Entre ellas se incluyen: baja holgura, mayor capacidad de sobrecarga, un diseño compacto y la posibilidad de funcionar en una amplia gama de aplicaciones. La caja de engranajes cicloidales se ha popularizado en el mercado de la robótica multieje. Además, su uso se está extendiendo en las primeras articulaciones y los posicionadores.
Una caja de engranajes cicloidales consta de cuatro componentes básicos: un disco cicloidal, una brida de salida, una corona dentada y un anillo fijo. El disco cicloidal es accionado por un eje excéntrico que avanza en pasos de 360° sobre un pivote. La brida de salida es un disco de pasador fijo que transmite la potencia al eje de salida. La corona dentada es un anillo fijo y el eje de entrada está conectado a un servomotor.
La caja de engranajes cicloidales está diseñada para controlar la inercia en situaciones altamente dinámicas. Estas cajas se utilizan generalmente en robótica y posicionadores, donde se emplean para posicionar cargas pesadas. También son comunes en una amplia gama de aplicaciones industriales. Ofrecen una mayor densidad de par y una baja holgura, lo que las hace ideales para cargas pesadas.
La brida de salida también está diseñada para soportar un par de hasta 500 Nm. Su velocidad de rotación es menor que la de la caja de engranajes planetarios, pero su par de salida es mucho mayor. Está diseñada para ser una caja de engranajes de alto rendimiento y puede utilizarse en aplicaciones que requieren relaciones de transmisión elevadas y una alta densidad de par. La caja de engranajes cicloidales también es menos costosa y tiene menos juego. Sin embargo, la caja de engranajes cicloidales tiene desventajas que deben considerarse al diseñar una caja de engranajes. El principal problema son las vibraciones.
En comparación con las cajas de engranajes planetarios, las cicloidales tienen un tamaño total menor y son menos costosas. Además, ofrecen una gran relación de reducción en una sola etapa. Generalmente, las cajas de engranajes cicloidales tienen una o dos etapas, siendo la tercera menos común. Sin embargo, no son el único tipo de caja de engranajes con esta configuración; también es frecuente encontrar cajas de engranajes planetarios de una sola etapa.
Existen varios tipos de reductores cicloidales, también conocidos como reductores de velocidad cicloidales. Estos reductores están diseñados para cualquier industria que utilice servomotores. Son más cortos que los reductores planetarios y tienen un diámetro mayor para el mismo par motor. Algunos modelos también están disponibles con una relación de transmisión inferior a 30:1.
La caja de engranajes cicloidales puede ser una buena opción para aplicaciones con altas velocidades de rotación y elevado par motor. Estas cajas de engranajes son más compactas que las planetarias y resultan adecuadas para aplicaciones de alto par. Además, son más robustas y soportan cargas de impacto. También presentan una baja holgura y una mayor precisión de posicionamiento. Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la robótica industrial.

Editor por CX 2023-04-20