¿Qué es una caja reductora de velocidad?

La selección e integración de reductores de velocidad implica mucho más que elegir uno de un catálogo. En la mayoría de los casos, el par máximo, las velocidades y las cargas radiales publicadas no se pueden utilizar simultáneamente. Se deben aplicar los factores de servicio adecuados para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones dinámicas. Y, una vez que se selecciona el reductor de velocidad adecuado, la instalación y el mantenimiento adecuados son las claves para maximizar la vida útil.

Categorías de reductores de velocidad

Una amplia gama de dispositivos mecánicos de reducción de velocidad incluye poleas, engranajes, piñones y transmisiones por fricción. También hay productos eléctricos que pueden cambiar la velocidad del motor. Esta discusión se centrará en los reductores de velocidad de accionamiento cerrado, también llamados accionamientos rectos y cajas de engranajes, que tienen dos configuraciones principales:en línea y perpendicular. Cada uno de ellos se puede lograr con diferentes tipos de engranajes. Los modelos lineales suelen consistir en engranajes helicoidales o rectos, engranajes planetarios, mecanismos cicloidales o generadores de ondas armónicas. Los diseños planetarios generalmente brindan el par más alto en el paquete más pequeño. Los accionamientos cicloidales y armónicos ofrecen diseños compactos con relaciones más altas, mientras que las unidades de engranajes helicoidales y helicoidales son generalmente las más económicas. Todos son bastante eficientes.

Los engranajes helicoidales son quizás la solución de reducción más rentable, pero generalmente tienen un mínimo de 5:1 y pierden una eficiencia significativa a medida que aumentan las relaciones de transmisión. Los reductores de engranajes cónicos son muy eficientes pero tienen un límite de reducción de velocidad superior efectivo de 6:1. El tipo de aplicación determina qué diseño de reductor de velocidad cumple mejor con los requisitos.

Antes de seleccionar cualquier reductor, se deben recopilar datos técnicos para seleccionar e instalar correctamente la unidad:torque, velocidad, potencia, eficiencia del reductor, factor de servicio, posición de montaje, variables de conexión y vida útil requerida. En algunas aplicaciones, la cantidad de juego, el error de transmisión, la rigidez torsional y el momento de inercia también son importantes.

Relación de par, velocidad y potencia

El par requerido es quizás el criterio más importante, ya que se traduce en la cantidad de trabajo que debe realizar el reductor de velocidad. Mientras que en aplicaciones simples, determinar el par puede ser relativamente sencillo, puede ser difícil en maquinaria compleja. La inercia, la fricción y la gravedad, los fenómenos físicos que tienden a resistir el movimiento, deben identificarse para que se pueda generar suficiente par para superarlos. esto puede ser difícil con máquinas complejas. La inercia, la fricción y la gravedad, fenómenos físicos que generalmente resisten el movimiento, deben identificarse para generar suficiente torque para superarlos. Tener en cuenta los coeficientes de fricción y la aceleración y el frenado de las masas de inercia es importante para calcular el par requerido. El atajo para encontrar el par requerido para una máquina existente es leer la corriente del motor determinando el consumo de corriente. Luego se pueden hacer cálculos para encontrar la potencia requerida. Finalmente, utilizando la fórmula de torque estándar y teniendo en cuenta las diferentes relaciones, se puede obtener el valor de torque final.

Después de determinar la potencia requerida, se debe tener en cuenta el factor de servicio para dimensionar correctamente el dispositivo. El factor de servicio tiene en cuenta otros parámetros operativos, incluida la duración de los días de trabajo, el número de arranques y paradas, las características de la carga y las fuentes de energía. La mayoría de los reductores están clasificados para un par máximo en un número determinado de horas de vida útil. El factor limitante en estas clasificaciones no es la resistencia del engranaje o del eje, sino la vida útil del rodamiento. Debido a que los cojinetes deben soportar las fuerzas de separación de los engranajes bajo carga, una carga inferior a la clasificación máxima aumenta la vida útil de la caja de engranajes. Por el contrario, al aumentar las variables de carga como se destacó anteriormente, se reducirá la vida útil de la caja de engranajes. Por lo tanto, para llegar al requisito de torque efectivo, se deben aplicar los factores de servicio apropiados.

El reductor de velocidad y el motor se pueden seleccionar en esta etapa. Por lo general, se selecciona una fuente de energía primaria, como un motor o un motor que funciona a cierta velocidad. Obtener la relación de transmisión correcta del reductor de velocidad y la resultante multiplicación del par es solo una cuestión de dividir la velocidad del motor por la velocidad del elemento accionado. Luego, se puede encontrar el tamaño correcto del motor agregando diferentes factores y valores a la fórmula estándar de potencia del motor.

Una vez realizada la selección, la siguiente pregunta es cómo se integrará la caja de cambios en la máquina. Las principales preocupaciones son cómo se montará la caja de engranajes y cómo se conectará al controlador y la carga impulsada.

La orientación del eje es una de las primeras consideraciones. En muchas aplicaciones, es deseable posicionar el eje de entrada o salida verticalmente. En este caso, se debe tener mucho cuidado para asegurar una lubricación adecuada. El aceite o la grasa para cajas de cambios no solo protegen contra el desgaste de los engranajes, sino que también reducen el desgaste de los cojinetes. Por lo tanto, cuando uno de los ejes se monta verticalmente, es posible que el cojinete de soporte superior no obtenga la lubricación requerida. En algunos diseños de engranajes, las salpicaduras y el empañamiento de los engranajes que giran en el depósito de aceite son suficientes para garantizar una lubricación adecuada, pero para los tipos de baja velocidad, se deben instalar cojinetes sellados y prelubricados. En otras aplicaciones de alta velocidad, puede ser necesario usar bombas internas o externas para llevar el lubricante a la ubicación deseada. Siempre que sea necesario montar el eje verticalmente, es importante determinar si se requiere un método alternativo de lubricación.

El siguiente problema es cómo conectar el reductor de velocidad a la fuente de alimentación y la carga impulsada. Las opciones incluyen accionamiento con polea, cremallera o piñón, enlace a un embrague, eje lineal o junta universal, y montaje del eje directamente en el eje impulsado.

Cuando se conecta a una polea, rueda dentada o engranaje, el principal problema es la carga radial, comúnmente conocida como carga en voladizo. Los cojinetes para ejes están diseñados no solo para soportar las fuerzas que separan los engranajes, sino también para transmitir una cierta carga radial y de empuje a los propios ejes. Cuando se conduce con poleas y engranajes, existe una fuerza radial cuando la correa o cadena intenta girar el eje. La magnitud de esta fuerza se puede calcular como el par transmitido dividido por el radio de la polea o rueda dentada. Por lo general, sin embargo, esta no es la única fuerza lateral ejercida. La polea o cadena está tensa en el lado de transmisión pero tiene juego en el lado trasero. Por lo general, se instala un dispositivo tensor para reducir el ruido y evitar que la correa se deslice o se salten los dientes. Cuando la correa o la cadena están tensas, se produce una carga radial adicional. Al seleccionar una transmisión por engranajes, se debe tener en cuenta la combinación de carga radial resultante del par y la tensión.

Al conectar el reductor de velocidad al embrague y, en menor medida, a los ejes de transmisión y juntas en U, la alineación es el principal problema. Se recomiendan acoplamientos flexibles debido a las tolerancias de mecanizado de las cajas de engranajes y las placas de montaje. Sin una alineación exacta, el uso de un acoplamiento rígido puede generar cargas laterales excesivas en los cojinetes del eje. Incluso con acoplamientos flexibles, es necesaria una alineación adecuada, ya que la mayoría de los acoplamientos solo permiten una desalineación paralela de 0,005 a 0,010 pulgadas y una desalineación angular de 1 a 3°. Muchos diseños de embrague son adecuados para una variedad de aplicaciones, pero para maximizar la vida útil del reductor, el embrague debe adaptarse a la tarea.

Una tercera opción para conectar la caja de cambios es montarla directamente en un eje conducido con un eje de salida hueco. Esto reduce las preocupaciones sobre la alineación y las cargas radiales y ahorra espacio. Un brazo de soporte desde la caja de cambios hasta el bastidor de la máquina evita que la caja de cambios gire alrededor del eje.

Los diseños de engranajes múltiples permiten que el motor se monte directamente en la unidad de engranajes. Estos diseños contienen bridas extremadamente precisas para permitir la conexión directa del motor al reductor u otros adaptadores con acoplamientos integrados. Esto elimina la necesidad de montar el motor por separado, pero esto generalmente solo es práctico con motores más pequeños.