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Síntesis de trenes de engranajes epicíclicos para transmisiones automáticas de automóviles

En este artículo, analizaremos la síntesis de trenes de engranajes epicicloidales para transmisiones automáticas de automóviles, sus aplicaciones y su costo. Tras la lectura, le invitamos a investigar más sobre esta tecnología. Aquí encontrará enlaces para ampliar la información sobre este tema, incluyendo una aplicación en transmisiones de vehículos híbridos. Veamos los conceptos básicos de los trenes de engranajes epicicloidales. Son altamente eficientes y representan una alternativa prometedora a los sistemas de engranajes convencionales.

Síntesis de trenes de engranajes epicicloidales para transmisiones automáticas de automóviles

El objetivo principal de las transmisiones automáticas automotrices es mantener el equilibrio entre el motor y las ruedas motrices. La estructura cinemática de los trenes de engranajes epicíclicos (TGE) se deriva de representaciones gráficas de estos trenes. El proceso de síntesis se basa en un algoritmo que genera trenes de engranajes epicíclicos admisibles con hasta diez eslabones. Este algoritmo permite a los diseñadores crear trenes de engranajes para automóviles con mayor rendimiento y un mejor equilibrio entre el motor y las ruedas motrices.
En este artículo, presentamos una técnica de optimización en MATLAB para determinar las relaciones de transmisión de mecanismos de transmisión epicicloidales. También enumeramos el número de dientes de todos los engranajes. A continuación, estimamos las relaciones de velocidad globales de los trenes de engranajes epicicloidales obtenidos. Finalmente, analizamos la viabilidad de los trenes de engranajes epicicloidales propuestos para transmisiones automáticas automotrices, comparando sus características estructurales.
En el siguiente diagrama funcional se muestra un tren de engranajes epicicloidales de seis eslabones. Cada eslabón está representado por un gráfico bicolor doble. Los números en el gráfico representan los eslabones correspondientes. Cada eslabón tiene múltiples articulaciones, lo que permite al usuario generar diferentes configuraciones para cada tren de engranajes epicicloidales. Los números en los distintos gráficos tienen diferentes significados, al igual que en la figura bicolor doble.
En el siguiente capítulo de este artículo, analizaremos la síntesis de trenes de engranajes epicicloidales para transmisiones automáticas de automóviles. SAE International es una organización internacional de ingenieros y expertos técnicos con competencias clave en los sectores aeroespacial y automotriz. Su brazo benéfico, la Fundación SAE, apoya numerosos programas e iniciativas, entre los que se incluyen la Serie de Diseño Universitario y A World In Motion®, así como el premio A World in Motion® de la Fundación SAE.

Aplicaciones

El sistema de engranajes epicicloidales es un tipo de tren de engranajes planetarios. Permite una gran reducción de velocidad en un espacio reducido. En los automóviles, los trenes de engranajes epicicloidales se utilizan con frecuencia en la transmisión automática. Estos trenes de engranajes también son útiles en polipastos y sistemas de poleas. Tienen numerosas aplicaciones tanto en ingeniería mecánica como eléctrica. Se pueden utilizar para transmisiones de alta velocidad y requieren menos espacio que otros tipos de trenes de engranajes.
Las ventajas de un tren de engranajes epicicloidales incluyen su estructura compacta, bajo peso y alta densidad de potencia. Sin embargo, también presentan inconvenientes. Las pérdidas de potencia en los trenes de engranajes epicicloidales se deben a la fricción entre las superficies de los dientes de los engranajes, la agitación del aceite lubricante y la fricción entre los cojinetes de soporte del eje y las ruedas dentadas. Esta pérdida de potencia se denomina potencia latente, y estudios previos han demostrado que es considerable.
El tren de engranajes epicicloidales se utiliza comúnmente en transmisiones de alta velocidad, pero también ocupa poco espacio y es adecuado para diversas aplicaciones. Se emplea como engranaje diferencial en máquinas de coser industriales, para accionar bobinas y para el sistema de liberación positiva Roper en telares. Además, su fácil fabricación lo convierte en una excelente opción para una amplia gama de entornos industriales.
Otro ejemplo de tren de engranajes epicicloidales es el tren de engranajes planetarios. Consta de dos engranajes con un anillo central y el engranaje solar en el anillo exterior. Cada engranaje está montado de manera que su centro gira alrededor del anillo del otro. El engranaje planetario y el engranaje solar están diseñados para que sus círculos primitivos no se deslicen y estén sincronizados. El engranaje planetario tiene un punto en el círculo primitivo que describe la curva epicicloidal.
Este sistema de engranajes también ofrece un MTTR (tiempo medio de reparación) menor que otros tipos de engranajes planetarios. La principal desventaja de estos conjuntos de engranajes es la gran cantidad de rodamientos que necesitan para funcionar. Además, los engranajes planetarios requieren más mantenimiento que los engranajes de ejes paralelos, lo que dificulta su supervisión y reparación. El MTTR también es menor en comparación con los engranajes de ejes paralelos. Asimismo, pueden presentar una ligera desviación en su eje, lo que provoca desalineación o pérdida de eficiencia.
Otro ejemplo de tren de engranajes epicicloidales es la caja de engranajes diferenciales de un automóvil. Estos engranajes se utilizan en relojes de pulsera, tornos y automóviles para transmitir potencia. Además, se emplean en muchas otras aplicaciones, incluyendo aeronaves. Son silenciosos y duraderos, lo que los convierte en una excelente opción para diversas aplicaciones. Se utilizan en transmisiones, maquinaria textil e incluso en la industria aeroespacial. El paso axial es la distancia entre dos dientes en un conjunto de engranajes. El paso axial de un engranaje se puede aumentar incrementando su círculo base.
Un engranaje epicíclico también se conoce como engranaje de evolvente. El número de dientes de cada engranaje determina su velocidad de rotación. Un engranaje solar de 24 dientes produce un engranaje planetario de N dientes con una relación de 3/2. Un engranaje solar de 24 dientes equivale a una relación de engranajes planetarios de -3/2. Por consiguiente, el sistema de engranajes epicíclicos proporciona un alto par motor a las ruedas motrices. Sin embargo, este tren de engranajes no se utiliza ampliamente en vehículos.

Costo

El coste de los engranajes epicicloidales es menor cuando se fabrican mediante mecanizado en lugar de en una fresadora CNC convencional. Los porta-engranajes epicicloidales deben fabricarse mediante fundición y mecanizado con una máquina especializada que disponga de múltiples fresas para cortar el material simultáneamente. Este método se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales y resulta especialmente útil en el sector automotriz. Las ventajas de una transmisión de engranajes epicicloidales de alta calidad son numerosas.
Un ejemplo de esto es la disposición planetaria, donde los planetas orbitan alrededor del sol mientras giran sobre su eje. La velocidad resultante de cada engranaje depende del número de dientes y de la velocidad del portador. Calcular las velocidades relativas de los engranajes epicicloidales puede ser complicado, ya que es necesario determinar la velocidad relativa del sol y del planeta. El sol, al estar fijo, no gira a cero RPM al engranar, por lo que es preciso calcular la velocidad relativa.
Para determinar la transmisión de potencia en engranajes epicicloidales, estos deben diseñarse para permitir cierta oscilación. Si la carga tangencial es demasiado baja, la distribución de carga será menor. Un engranaje epicicloidal debe permitir esta oscilación, así como cierta carga tangencial y velocidades en el eje de paso. Cuanto mayores sean estos factores, mayor será la eficiencia del conjunto de engranajes.
Un tren de engranajes epicicloidal consta de dos o más engranajes rectos dispuestos circunferencialmente. Estos engranajes se organizan de manera que el engranaje planetario gire dentro del círculo primitivo del anillo exterior fijo. Esta curva se denomina hipocicloide. Un tren de engranajes epicicloidal con un engranaje planetario que engrana con un engranaje solar se denomina tren de engranajes planetarios. El engranaje solar es fijo, mientras que el engranaje planetario es el que impulsa el movimiento.
Un tren de engranajes epicicloidales contiene varios engranajes. Cada engranaje tiene un número diferente de dientes, lo que se traduce en RPM. El tren de engranajes epicicloidales puede aumentar la frecuencia de aplicación de la carga al convertir el par de entrada en dientes. El tren de engranajes epicicloidales consta de tres engranajes: el solar, el planetario y el anillo. El engranaje solar es el engranaje central, mientras que los planetarios orbitan a su alrededor. El engranaje anular tiene varios dientes, lo que aumenta la velocidad de rotación.
Otro tipo de engranaje epicicloidal es la caja de engranajes planetarios. Esta caja de engranajes cuenta con múltiples ruedas dentadas que giran alrededor de un eje central. Su diseño compacto la convierte en una opción popular para aplicaciones con espacio limitado. Este tipo de caja de engranajes se utiliza en transmisiones automáticas. Además, se emplea en numerosas aplicaciones industriales que involucran motorreductores eléctricos. El tipo de caja de engranajes que se utilice dependerá de la velocidad y el par de los ejes de entrada y salida.

Editor por Cx2023-07-07