Principio de funcionamiento del reductor de engranajes armónico
Hora de lanzamiento:
2025-11-14 13:56
Un reductor de engranajes armónico está compuesto por un engranaje interno fijo, un engranaje flexible y un generador de ondas que provoca la deformación radial del engranaje flexible. Se trata de una estructura de transmisión novedosa dentro de la categoría de reductores de engranajes. Aprovecha la onda de deformación elástica controlable generada por el engranaje flexible para inducir un desalineamiento relativo entre los dientes del engranaje y los del engranaje flexible, transmitiendo así potencia y movimiento.
Este método de transmisión difiere fundamentalmente de la transmisión por engranajes convencional, presentando características singulares en la teoría del engrane, los cálculos de montaje y el diseño estructural.
Los reductores de engranajes armónicos ofrecen ventajas como una alta precisión y una elevada capacidad de carga. En comparación con los reductores convencionales, emplean un 50 % menos de material, lo que reduce su volumen y peso en al menos un tercio.
Composición y estructura
Un reductor de engranajes armónico está compuesto por tres componentes principales: un engranaje rígido fijo, un engranaje flexible y un generador de ondas.
El engranaje rígido fijo es un engranaje interno rígido.
El engranaje flexible es un engranaje exterior cilíndrico de pared delgada, fácilmente deformable. Ambos presentan perfiles dentados triangulares (o evolventes) y el mismo paso periférico, pero el engranaje rígido cuenta con algunos dientes más (por lo general, dos) que el engranaje flexible.
El generador de ondas está compuesto por un disco elíptico y un rodamiento flexible, o bien por un brazo giratorio con rodillos en ambos extremos.
Por lo general, el generador de ondas es el elemento motriz, uno de los engranajes flexibles o rígidos es el elemento conducido, y el otro es un componente fijo.
Antes del montaje, la rueda flexible y su orificio interior son circulares. Cuando el generador de ondas se introduce en el orificio interior de la rueda flexible, dado que la longitud del generador de ondas es ligeramente superior al diámetro del orificio interior de la rueda flexible, esta se expande hasta adoptar una forma elíptica. Esto obliga a la rueda flexible a engranar completamente con la rueda rígida fija a lo largo del eje mayor de la elipse y a desengranar por completo a lo largo del eje menor. En los demás puntos, los dientes se encuentran en estado de “engranado” o de “desengranado”, según la posición angular de la rueda flexible. Como la rueda rígida está fija, cuando el generador de ondas gira en sentido antihorario, la rueda flexible gira en sentido horario. A medida que el generador de ondas gira de manera continua, las posiciones de los ejes mayor y menor de la rueda flexible, así como sus estados de “engranado” y “desengranado”, cambian constantemente. Los dientes de la rueda flexible pasan del engranado al desengranado, luego vuelven al engranado y nuevamente al desengranado, repitiendo este ciclo de engranado, desengranado, engranado, y así sucesivamente, lo que impulsa a la rueda flexible a girar de forma continua.
A medida que la rueda flexible gira junto con el generador de ondas, cuando uno de sus dientes engrana con un diente de la rueda rígida y luego vuelve a engranar con ese mismo diente, la rueda flexible completa una revolución. Durante este tiempo, el generador de ondas realiza múltiples revoluciones. La relación entre el número de revoluciones del generador de ondas y el número de revoluciones de la rueda flexible (una revolución) constituye la relación de reducción del reductor de engranajes armónico, de ahí su elevada relación de reducción. A lo largo de todo el movimiento, la deformación de la rueda flexible describe una forma de onda armónica simple continua en su diagrama de desarrollo circunferencial; por ello, este sistema de transmisión se denomina transmisión por engranajes armónicos.
Los reductores de engranajes armónicos pueden clasificarse según el número de ondas mecánicas: de una onda, de dos ondas y de tres ondas, siendo la transmisión de dos ondas la más común. En los accionamientos armónicos, la diferencia en el número de dientes entre la rueda rígida y la rueda flexible debe ser un múltiplo entero del número de ondas mecánicas, tomándose habitualmente como igual al número de ondas.
Ventajas:
1. Alta relación de transmisión.
El rango de relación de transmisión de un engranaje armónico de una sola etapa es de 70 a 320, alcanzando incluso 1000 en algunos dispositivos, mientras que las transmisiones de múltiples etapas pueden lograr relaciones superiores a 30 000. Puede emplearse no solo para reducir la velocidad, sino también para aumentarla.
2. Alta capacidad de carga.
Esto se debe a que las transmisiones de engranajes armónicos implican el acoplamiento simultáneo de un gran número de dientes. En las transmisiones de doble onda, el número de dientes en contacto al mismo tiempo puede alcanzar más del 30 % del total de dientes. Además, la flexura está fabricada con materiales de alta resistencia y los dientes establecen un contacto superficial.
3. Alta precisión de transmisión.
Esto se debe a que el elevado número de dientes que engranan simultáneamente en las transmisiones por engranajes armónicos permite compensar los errores. El acoplamiento múltiple de dientes proporciona una compensación mutua de las desviaciones, lo que se traduce en una alta precisión de transmisión. Para el mismo grado de precisión del engranaje, el error de transmisión es apenas aproximadamente la cuarta parte del de las transmisiones por engranajes cilíndricos convencionales. Además, al poder modificarse ligeramente el radio del generador de ondas para aumentar la deformación de la flexura, se logra un juego lateral extremadamente reducido, llegando incluso a alcanzar un acoplamiento sin juego. Por ello, los reductores de velocidad de tipo armónico presentan pequeños espacios muertos en la transmisión y son adecuados para el giro en sentido inverso. 4. Alta eficiencia de transmisión y funcionamiento suave.
Debido a que los dientes del flexspline se desplazan radialmente y de manera uniforme durante la transmisión, incluso a altas velocidades de entrada, la velocidad relativa de deslizamiento de los dientes se mantiene extremadamente baja (aproximadamente una centésima de la de los engranajes de perfil evolvente convencionales). Por lo tanto, el desgaste de los dientes es mínimo, lo que se traduce en una alta eficiencia (69 %–96 %). Además, dado que ambos lados del engranaje participan en el acoplamiento y el desacoplamiento, no se producen impactos, lo que garantiza un funcionamiento suave.
5. Estructura sencilla, pocas piezas y fácil instalación.
Con solo tres componentes básicos y ejes de entrada y salida coaxiales, la estructura es sencilla y su instalación resulta cómoda.
6. Tamaño pequeño y peso ligero.
En comparación con los reductores convencionales, para el mismo par de salida, el reductor armónico puede reducir su volumen en dos tercios y su peso a la mitad.
7. Puede transmitir movimiento a espacios cerrados.
Gracias a la flexibilidad del flexspline, esta valiosa ventaja de los trenes de engranajes no tiene parangón con otros métodos de transmisión existentes.
Desventajas
1. El flexesplín se deforma periódicamente, generando esfuerzos alternantes, lo que lo hace susceptible a la falla por fatiga.
2. Alto momento de inercia y par de arranque, poco adecuado para transmisiones de seguimiento de baja potencia.
3. No puede utilizarse en aplicaciones con una relación de transmisión inferior a 35.
4. Los reductores armónicos que emplean generadores de ondas de rodillo (ondas de deformación libre) presentan relaciones de transmisión instantáneas no constantes.
5. Mala disipación del calor.
Aplicaciones
Los reductores de engranajes armónicos se emplean cada vez con mayor frecuencia en la aviación, la aeroespacial, la energía, la industria naval, la construcción naval, la maquinaria biónica, el equipamiento militar general, las máquinas herramienta, los instrumentos, los equipos electrónicos, la minería y la metalurgia, el transporte, la maquinaria de elevación, la maquinaria petroquímica, la maquinaria textil, la maquinaria agrícola y los dispositivos médicos. Resultan especialmente ventajosos en sistemas servomecánicos de alto rendimiento dinámico. La potencia transmitida oscila entre algunas decenas de vatios y varias decenas de kilovatios; sin embargo, los accionamientos de engranajes armónicos de alta potencia se utilizan principalmente en aplicaciones de corta duración.
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Antes de su uso, lea atentamente el manual de instrucciones para comprender el principio básico del reductor de velocidad. Añada aceite lubricante hasta el nivel indicado en el manual. Tras poner en marcha la máquina, verifique que ninguno de los tornillos de fijación se encuentre flojo y apriételos oportunamente. Mantenga la máquina limpia para evitar una deficiente disipación del calor. Una vez finalizado el período de rodaje, cambie el aceite lubricante. Al seguir estas recomendaciones, podrá reducir la ocurrencia de fallos prematuros, prolongar la vida útil, mejorar la eficiencia productiva y obtener mayores beneficios del reductor de velocidad.
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