Dificultades técnicas del reductor armónico
1.Definición y origen
El reductor armónico es un mecanismo de transmisión de precisión que opera mediante la deformación elástica controlada de un componente flexible,lo que lo diferencia radicalmente de los sistemas de engranajes convencionales basados en cuerpos rígidos. Fue inventado y patentado en 1955 por el ingeniero estadounidense C. Walton Musser. Su diseño se centra en conseguir altas relaciones de reducción, mínima holgura angular y estructura compacta, lo que lo convierte en un componente insustituible en aplicaciones de posicionamiento de alta exactitud.
2.Parámetros técnicos
1.Holgura angular (backlash): Indicador diferencial por excelencia; en modelos de gama alta se sitúa por debajo de 1 minuto de arco, prácticamente nula, lo que garantiza una repetibilidad posicional excepcional.
2.Rigidez torsional: Capacidad de resistir deformaciones por torsión bajo carga, un parámetro crítico para aplicaciones de movimiento dinámico con cambios bruscos de par.
3.Par nominal y par de pico: Límites de carga para funcionamiento continuo y sobrecargas transitorias respectivamente; superarlos de forma sostenida acelera irreversiblemente la fatiga de la rueda flexible.
4.Velocidad máxima de entrada: Limitada por la frecuencia de deformación cíclica que puede soportar la rueda flexible sin degradación prematura.
5.Vida útil nominal: Expresada en horas de servicio bajo carga nominal, condicionada exclusivamente por la resistencia a la fatiga del elemento flexible.
3.Ventajas de la aplicación del reductor armónico
1.Ausencia de juego angular:El movimiento de salida se produce por la propagación continua de una onda de deformación a través del flexspline, que permanece engranado simultáneamente en dos zonas diametralmente opuestas con el circular spline. Como no existe huelgo entre los dientes durante la transmisión de par, la inversión de giro no revela zona muerta angular.
2.Elevada densidad de par en relación:La transmisión de par se reparte entre un elevado número de dientes en contacto simultáneo, típicamente entre el 15 % y el 30 % del total de dientes del flexspline, dependiendo de la geometría y de la carga aplicada.
3.Precisión de posicionamiento y rigidez torsional:El error de transmisión angular, medido como la diferencia entre la posición teórica y la real del eje de salida, se sitúa por debajo de unos pocos minutos de arco en los reductores de alta precisión. Esto se debe a que la deformación controlada del flexspline suaviza los errores de paso individuales de los dientes y genera un efecto de promediado mecánico.
4.Capacidad para transmitir par dentro de un espacio coaxial reducido:El conjunto motor-reductor puede instalarse dentro de un alojamiento tubular que ocupe el mismo diámetro del servomotor, una configuración que se aprovecha de forma directa en las articulaciones de robots colaborativos y en muñecas de robots industriales, donde el volumen disponible es limitado y la orientación de los ejes debe ser lo más compacta posible.
5.Inexistencia de impactos cíclicos por engrane discontinuo:La transición entre dientes se produce bajo carga, sin choques repetitivos, lo que atenúa la generación de vibraciones en la frecuencia de paso de dientes y reduce la firma acústica en operación continua.
6.Estabilidad del comportamiento ante desgaste incipiente:El engrane se realiza mediante contacto predominantemente deslizante con un movimiento relativo de los flancos que produce un desgaste uniforme en la superficie activa del diente. Al mantenerse la geometría de contacto prácticamente simétrica y repartida en numerosos dientes, los primeros micrómetros de desgaste no alteran de forma apreciable el error de transmisión ni introducen juego.
4.Dificultades técnicas del reductor armónico
1.Fatiga por flexión alternante del flexspline:Cada punto del anillo flexible experimenta dos ciclos completos de flexión alternante por cada vuelta de la entrada, lo que somete al material a tensiones de tracción y compresión que superan habitualmente los trescientos megapascales en las zonas de transición entre la copa y el diafragma, así como en los fondos de los dientes.
2.Vida útil del rodamiento del generador de ondas bajo carga excéntrica:El rodamiento de bolas o de rodillos que conforma la pista exterior del generador de ondas trabaja con su anillo exterior forzado a adoptar una geometría elíptica. La precarga radial, necesaria para asegurar el engrane simultáneo en dos zonas opuestas, se concentra cíclicamente sobre un número reducido de elementos rodantes.
3.Variación periódica de la rigidez torsional y generación de ondulación de par:La rigidez torsional no es constante a lo largo de una revolución de salida, sino que fluctúa en función de la posición angular del generador de ondas y del número de dientes en contacto simultáneo. Esta variación, del orden de varios puntos porcentuales en reductores de alta relación, introduce una ondulación de par incluso bajo una carga de entrada perfectamente uniforme.
4.Generación térmica por histéresis elastomérica y fricción interfacial:La energía disipada en el interior del reductor procede de tres fuentes principales: la fricción por deslizamiento en los flancos dentados, la fricción en el rodamiento del generador de ondas y, de manera significativa, las pérdidas por histéresis viscoelástica en el material del flexspline sometido a flexión cíclica.
5.Exigencias de precisión en la fabricación de la elipse del generador de ondas:La forma de la leva que deforma el flexspline no es una elipse perfecta en el sentido geométrico, sino un perfil con correcciones específicas diseñadas para minimizar la interferencia entre los dientes y distribuir la tensión de flexión.
6.Complejidad del estado tensional en la zona del dentado del flexspline:Los dientes del flexspline no solo transmiten par, sino que además se deforman radialmente al pasar por la zona de acoplamiento. Esta combinación de flexión global del anillo, compresión local en el flanco activo y tensión tangencial por transmisión de carga genera un campo de tensiones triaxial en la raíz del diente.
7.Mantenimiento de la película lubricante en el contacto dentado a baja velocidad y alta carga:El movimiento relativo entre los dientes de flexspline y circular spline es principalmente deslizante, con velocidades que en aplicaciones de seguimiento fino caen por debajo de un milímetro por segundo.