El engranaje de onda de deformación (también conocido como engranaje armónico ) es un tipo de sistema de engranaje mecánico que utiliza una estría flexible con dientes externos, que se deforma mediante un tapón elíptico giratorio para acoplarse con los dientes internos del engranaje de una estría exterior.
El engranaje de ondas de deformación tiene algunas ventajas sobre los sistemas de engranajes tradicionales, como los engranajes helicoidales o planetarios , que incluyen:
- sin reacción ,
- compacidad y peso ligero,
- relaciones de transmisión altas,
- ratios reconfigurables dentro de una carcasa estándar,
- buena resolución y excelente repetibilidad (representación lineal) al reposicionar cargas inerciales, [1]
- alta capacidad de par,
- Ejes coaxiales de entrada y salida. [2]
Son posibles altas relaciones de reducción de engranajes en un volumen pequeño (una relación de 30: 1 hasta 320: 1 es posible en el mismo espacio en el que los engranajes planetarios normalmente solo producen una relación de 10: 1).
Las desventajas incluyen una tendencia al "enrollamiento" (una tasa de resorte de torsión) en la región de bajo par.
El engranaje de ondas de deformación se usa comúnmente en robótica [3] y aeroespacial . [4] Puede proporcionar reducción de engranajes, pero también se puede utilizar para aumentar la velocidad de rotación o para engranajes diferenciales .
Historia
El concepto básico de engranajes de ondas de deformación (SWG) fue introducido por CW Musser en una patente de 1957 [5] mientras era asesor en United Shoe Machinery Corp (USM). Fue utilizado con éxito por primera vez en 1960 por USM Co. y luego por Hasegawa Gear Works bajo licencia de USM. [ cita requerida ] Más tarde, Hasegawa Gear Work se convirtió en Harmonic Drive Systems ubicado en Japón y la división Harmonic Drive de USM Co. se convirtió en Harmonic Drive Technologies. [6] [7]
Mecánica
El engranaje de ondas de tensión utiliza la elasticidad del metal. El mecanismo tiene tres componentes básicos: un generador de ondas (2 / verde), un spline flexible (3 / rojo) y un spline circular (4 / azul). Las versiones más complejas tienen un cuarto componente que normalmente se usa para acortar la longitud total o para aumentar la reducción del engranaje dentro de un diámetro más pequeño, pero siguen los mismos principios básicos.
El generador de ondas está compuesto por dos partes separadas: un disco elíptico llamado tapón del generador de ondas y un cojinete de bolas exterior. El tapón elíptico se inserta en el rodamiento, lo que obliga al rodamiento a adaptarse a la forma elíptica, pero aún permite la rotación del tapón dentro del rodamiento exterior.
La ranura flexible tiene la forma de una copa poco profunda. Los lados de la ranura son muy delgados, pero la parte inferior es relativamente rígida. Esto da como resultado una flexibilidad significativa de las paredes en el extremo abierto debido a que la pared delgada, y en el lado cerrado es lo suficientemente rígido como para asegurarlo firmemente (a un eje, por ejemplo). Los dientes se colocan radialmente alrededor del exterior de la ranura flexible. La ranura flexible se ajusta firmemente sobre el generador de ondas, de modo que cuando se gira el enchufe del generador de ondas, la ranura flexible se deforma a la forma de una elipse giratoria y no se desliza sobre el anillo elíptico exterior del rodamiento de bolas. El rodamiento de bolas permite que la ranura flexible gire independientemente del eje del generador de ondas.
La ranura circular es un anillo circular rígido con dientes en su interior. La spline flexible y el generador de ondas se colocan dentro de la spline circular, engranando los dientes de la spline flexible y la spline circular. Debido a que la ranura flexible se deforma en una forma elíptica, sus dientes solo se engranan con los dientes de la ranura circular en dos regiones en lados opuestos de la ranura flexible (ubicada en el eje mayor de la elipse).
Suponga que el generador de ondas es la rotación de entrada. A medida que el enchufe del generador de ondas gira, los dientes de la ranura flexible que se engranan con los de la ranura circular cambian lentamente de posición. El eje principal de la elipse de la spline flexible gira con el generador de ondas, por lo que los puntos donde se engranan los dientes giran alrededor del punto central a la misma velocidad que el eje del generador de ondas. La clave del diseño del engranaje de onda de tensión es que hay menos dientes (a menudo, por ejemplo, dos menos) en la ranura flexible que en la ranura circular. Esto significa que por cada rotación completa del generador de ondas, se requeriría que la ranura flexible rote una pequeña cantidad (dos dientes en este ejemplo) hacia atrás en relación con la ranura circular. Por tanto, la acción de rotación del generador de ondas da como resultado una rotación mucho más lenta de la ranura flexible en la dirección opuesta .
Para un mecanismo de engranajes de ondas de deformación, la relación de reducción de engranajes se puede calcular a partir del número de dientes en cada engranaje, de manera similar a un accionamiento cicloidal :
Por ejemplo, si hay 202 dientes en la ranura circular y 200 en la ranura flexible, la relación de reducción es (200-202) / 200 = −0.01
Por lo tanto, el flex spline gira a 1/100 de la velocidad del enchufe del generador de ondas y en la dirección opuesta. Se establecen diferentes relaciones de reducción cambiando el número de dientes. Esto se puede lograr cambiando el diámetro del mecanismo o cambiando el tamaño de los dientes individuales y, por lo tanto, preservando su tamaño y peso. El rango de posibles relaciones de transmisión está limitado por los límites de tamaño de los dientes para una configuración dada.
Ejemplos de uso
Las ruedas accionadas eléctricamente del Apollo Lunar Rover [8] incluían engranajes de ondas de tensión. Además, los cabrestantes utilizados en Skylab para desplegar los paneles solares se alimentaron con engranajes de ondas de tensión.
Ver también
Referencias
- ^ Chironis, Nicholas; Sclater, Neil (2007). Libro de consulta sobre mecanismos y dispositivos mecánicos . ISBN 978-0-07-146761-2.
- ^ Lauletta, Anthony (abril de 2006). "Los conceptos básicos del engranaje de transmisión armónica" (PDF) . Noticias de productos de engranajes . págs. 32–36.
- ^ Li, Z; Melek, WW; Clark, C (2009). “Control robusto descentralizado de robots manipuladores con transmisión armónica y aplicación a brazos seriales modulares y reconfigurables” . Robotica . 27 (2): 291-302. doi : 10.1017 / S0263574708004712 .
- ^ Ueura, K; Kiyosawa, Y; Kurogi, J; Kanai, S; Miyaba, H; Maniwa, K; Suzuki, M; Obara, S (2008). "Aspectos tribológicos de un sistema de engranajes de ondas de tensión con referencia específica a su aplicación espacial". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte J: Revista de Tribología de la Ingeniería . 222 (8): 1051–1061. doi : 10.1243 / 13506501JET415 . ISSN 1350-6501 . S2CID 108896120 .
- ^ Patente de EE. UU. 2.906.143
- ^ "Las empresas de transmisión armónica se fusionan" , Motion System Design , 2006.[ enlace muerto ]
- ^ Información de la empresa de Harmonic Drive Systems
- ^ "Materiales de engranajes de vidrio metálico a granel calificados para aplicaciones de naves espaciales" (PDF) . NASA . 20 de mayo de 2019. Archivado desde el original (PDF) el 20 de mayo de 2019.
General
- "Harmonic Drive" . Enciclopedia Británica . Consultado el 26 de noviembre de 2020 .
enlaces externos
- Explicación de los principios detrás del engranaje de ondas de deformación (Youtube)
- Demostración de la función de unidad armónica (Youtube)