Caja de engranajes planetarios: dispositivo, principio de funcionamiento, operación y reparación

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificación: 2024-02-19 14:25

Los engranajes planetarios se encuentran entre las cajas de engranajes más complejas. Con un tamaño pequeño, el diseño se caracteriza por una alta funcionalidad, lo que explica su uso generalizado en máquinas tecnológicas, bicicletas y vehículos de oruga. Hasta la fecha, la caja de cambios planetaria tiene varias versiones de diseño, pero los principios básicos de funcionamiento de sus modificaciones siguen siendo los mismos.

Unidad dispositivo

La base del diseño está formada por solo tres partes funcionales con un eje de rotación. Están representados por un carro y dos ruedas centrales dentadas. El dispositivo también prevé un extenso grupo de eslabones auxiliares en forma de un conjunto de engranajes, coronas y rodamientos de formato único. De esto podemos concluir que el reductor planetario es un mecanismo de la familia de los engranajes."cajas", pero con una diferencia fundamental. Consiste en la independencia condicional de las velocidades angulares de cada uno de los eslabones principales. Ahora vale la pena familiarizarse con los elementos del agregado con más detalle:

• Carrier es la base y una parte obligatoria de cualquier sistema planetario, incluidos aquellos con conexión diferencial. Este es un mecanismo de palanca, que es una horquilla espacial, cuyo eje está alineado con el eje común de la transmisión. En este caso, los ejes de engranajes con satélites giran a su alrededor en los planos de las ruedas centrales.
• Ruedas dentadas. En primer lugar, es necesario separar los grupos de ruedas centrales grandes y centrales pequeñas de este tipo. En el primer caso, estamos hablando de ruedas grandes con dientes internos; este sistema se llama epiciclo. En cuanto a los engranajes pequeños con dientes, se distinguen por la disposición exterior de los dientes, también llamado engranaje solar.
• Satélites. El grupo de ruedas de una caja de cambios planetaria (con menos frecuencia una sola rueda dentada), cuyos elementos necesariamente tienen dientes externos. Los satélites se ubican en el acoplamiento con ambos grupos de ruedas centrales. Dependiendo de la funcionalidad y la potencia del equipo, el número de satélites puede variar de 2 a 6, pero los 3 segmentos son los más utilizados, ya que en este caso no hay necesidad de dispositivos de equilibrio adicionales.

Principios de funcionamiento de los reductores planetarios

El cambio de transmisión depende de la configuración del diseño de las unidades funcionales. El valor tendrá la movilidad del elemento y la dirección del par. Uno de los tres componentes (portador,satélites, engranaje solar) se fija en una posición fija, y los otros dos giran. Para bloquear los elementos de la caja de cambios planetaria, el principio de funcionamiento del mecanismo prevé la conexión de un sistema de frenos de banda y embragues. A menos que haya frenos y embragues de bloqueo en dispositivos diferenciales con engranajes cónicos.

El cambio descendente se puede activar de dos maneras. En la primera versión, se implementa el siguiente principio: el epiciclo se detiene, contra lo cual el momento de trabajo de la unidad de potencia se transfiere a la base del engranaje solar y se retira del soporte. Como resultado, la intensidad de rotación del eje disminuirá y el engranaje solar aumentará en frecuencia de operación. En un esquema alternativo, el engranaje solar del dispositivo se bloquea y la rotación se transfiere del portabicicletas al epiciclo. El resultado es similar, pero con una ligera diferencia. El hecho es que la relación de transmisión en este modelo de trabajo tenderá a la unidad.

En el proceso de cambio ascendente, también se pueden implementar varios modelos de trabajo, y para la misma caja de engranajes planetarios. El principio de funcionamiento en el esquema más simple es el siguiente: el epiciclo está bloqueado y el momento de rotación se transfiere desde el engranaje solar central y se transmite a los satélites y al portador. En este modo, el mecanismo funciona como una caja de cambios elevadora. En otra configuración, el engranaje se bloqueará y el par se transferirá de la corona al portador. Además, el principio de funcionamiento es similar a la primera opción, pero hay una diferencia en la frecuencia de rotación. Cuando se engrana la marcha atrás, aprietela torsión se eliminará del epiciclo y se transmitirá al engranaje solar. En este caso, el transportador debe estar en estado estacionario.

Funciones de flujo de trabajo

La diferencia fundamental entre los mecanismos planetarios y otros tipos de reductores es la ya mencionada independencia de los elementos de trabajo, que se formula como dos grados de libertad. Esto significa que, debido a la dependencia diferencial, para calcular la velocidad angular de un componente del sistema, es necesario tener en cuenta las velocidades de los otros dos reductores. En comparación, otras transmisiones de engranajes asumen una relación lineal entre los elementos para determinar la velocidad angular. En otras palabras, las velocidades angulares de la "caja" planetaria pueden cambiar en la salida, independientemente del desempeño dinámico en la entrada. Con engranajes fijos y estacionarios, es posible resumir y distribuir los flujos de potencia.

En los mecanismos más simples, hay dos grados de libertad de los engranajes, pero el funcionamiento de sistemas complejos también puede prever la presencia de tres grados. Para ello, el mecanismo deberá contar con al menos cuatro eslabones funcionales, los cuales estarán en conexión diferencial entre sí. Otra cosa es que tal configuración en realidad será ineficiente debido al bajo rendimiento, por lo que en la práctica, las aplicaciones y transmisiones con cuatro enlaces conservan dos grados de libertad.

Engranajes planetarios simples y complejos

Uno de los signos de la división de los mecanismos planetarios en simples ycomplejo: este es el número de enlaces de trabajo. Además, estamos hablando solo de los nodos principales, y no se tienen en cuenta los grupos de satélites. Un sistema simple generalmente tiene tres enlaces, aunque la cinemática permite los siete. Como ejemplo de un sistema de este tipo, podemos citar conjuntos de engranajes simples y dobles, así como grupos de engranajes entrelazados emparejados.

Hay muchos más eslabones principales en los mecanismos complejos que en los simples. Proporcionan al menos un transportador, pero puede haber más de tres ruedas centrales. Además, el principio de funcionamiento de la caja de cambios planetaria permite el uso de varias unidades simples incluso dentro de un sistema complejo. Por ejemplo, un modelo de cuatro enlaces puede tener hasta tres nodos simples y un modelo de cinco enlaces puede tener hasta seis. Sin embargo, la independencia completa de los sistemas planetarios simples dentro del marco de dispositivos complejos está fuera de discusión. El hecho es que es más probable que varios de estos mecanismos tengan un portador común.

Controles del mecanismo

Manteniendo varios grados de libertad, el dispositivo se puede utilizar como la principal funcionalidad autosuficiente. Pero si se selecciona un modelo con un enlace principal y uno impulsado (modo reductor), entonces será necesario establecer ciertas velocidades para ellos. Para esto, se utilizan los elementos de control de la caja de cambios planetaria. El principio de su funcionamiento es la redistribución de velocidades debido a la fricción del embrague y los frenos. Se eliminan los grados de libertad adicionales y los principales nodos libres se convierten en referencia.

Las fricciones son las responsables de conectar dos enlaces libres oun enlace (también gratuito) con una fuente de alimentación externa. Ambas configuraciones de embragues en condiciones de bloqueo dotan a los eslabones controlados de una determinada velocidad angular, y no nula. Por diseño, estos elementos son embragues multidisco, pero a veces también existen embragues convencionales para transmitir par.

En cuanto al freno, su tarea en la infraestructura de control de la caja de engranajes planetarios es conectar los enlaces libres a la caja de engranajes. Este elemento, en condiciones de bloqueo, dota a los eslabones libres de velocidad angular cero. Según el dispositivo técnico, estos frenos son similares a los embragues, pero en las versiones más simples: disco único, zapata y cinta.

Aplicación del engranaje planetario

Por primera vez, esta unidad se usó en el automóvil Ford T en forma de una caja de cambios de dos velocidades con un principio de cambio de pie y frenos de banda. En el futuro, el dispositivo pasó por muchas transformaciones, y hoy la caja de cambios planetaria japonesa Prius puede llamarse la última versión de mecanismos de este tipo. El principio de funcionamiento de esta unidad es distribuir energía entre la planta motriz (que puede ser híbrida) y las ruedas. Durante el funcionamiento, el motor se detiene, después de lo cual se envía energía al generador, como resultado de lo cual las ruedas comienzan a moverse.

En este caso, el sistema puede ser no solo la funcionalidad de una caja de cambios. Hoy, este dispositivo se usa en cajas de cambios, diferenciales, en complejosdiagramas cinemáticos de equipos industriales, en sistemas de accionamiento de equipos especiales y aeronaves. Los gigantes automotrices avanzados también están dominando los principios de funcionamiento del mecanismo en combinación con accionamientos electromagnéticos y electromecánicos. La misma caja de cambios planetaria Prius se ha utilizado con éxito en vehículos eléctricos híbridos. No hay una caja de cambios en sí misma en el sentido tradicional en tales diseños, pero hay una apariencia de un variador sin cambios escalonados: un complejo de engranajes planetarios que pone las ruedas en movimiento y recibe energía del motor que realiza esta función.

Caja de cambios de bicicleta planetaria

En el sentido tradicional, no hay caja de cambios en el transporte ciclista provista de mecanismos planetarios. Se trata de bujes con el mismo piñón solar, que va unido rígidamente a las ruedas traseras en su eje. Además, se utiliza un portador para la fijación, que determina la dirección de movimiento de los satélites y no les permite dispersarse y entrelazarse entre sí. Y el elemento más importante de la "caja" planetaria de la bicicleta está representado por un engranaje epicicloidal, cuya rotación se produce debido al pedaleo. Cuando se cambia la marcha, el actuador del cubo (accionamiento estriado) cambia la dinámica del portador, lo que tiene el efecto de ajustar la velocidad.

Es decir, podemos concluir nuevamente que el modelo planetario funciona como una caja de cambios. En este sistema, el epiciclo realiza la función de un eslabón accionado en la cadena, el engranaje solar permanece estacionario y el transportador se cierra sobre la carcasa. AEn este caso, los esquemas de trabajo de los casquillos simples y de varias velocidades serán los mismos. La única pequeña diferencia es que cada nodo del sistema planetario tiene sus propios indicadores estrictamente definidos de relaciones de transmisión.

Proceso operativo

La medida principal en la operación de este mecanismo por parte del usuario es mantener el conjunto de engranajes planetarios en óptimas condiciones de funcionamiento. Esto se logra mediante la limpieza periódica de los elementos y, lo más importante, mediante la lubricación. ¿Qué se debe lubricar en la caja planetaria? Principalmente cojinetes deslizantes del reductor. El aceite se dirige desde el cigüeñal hacia la cavidad del eje del engranaje, llenando las cavidades de los satélites con engranajes. Además, según el diseño, el lubricante técnico ingresa a los cojinetes del engranaje a través de los pasadores y los orificios radiales. Para una distribución máxima del aceite a lo largo de los cojinetes, a veces se hace una superficie plana en el exterior del muñón.

Los engranajes se lubrican sumergiendo los dientes de la rueda en un baño líquido o dirigiendo aceite al área del enganche a través de boquillas especiales. Es decir, se realiza la lubricación por chorro o por inmersión. Pero la forma más eficaz es la dispersión de neblina de aceite, que se utiliza en relación a los elementos de engrane y rodamientos. Este método de lubricación se implementa rociando con una pistola rociadora especial.

En cuanto al lubricante en sí, se recomiendan aceites de petróleo sin alear para engranajes planetarios. Por ejemplo, las formulaciones industriales de uso general son adecuadas para su uso. para alta velocidadmecanismos, es deseable utilizar turbinas especiales e instalaciones de aviación.

Fallas y mecanismo de reparación

El síntoma más común de una falla del engranaje planetario es la presencia de vibraciones en el área de la caja. Los conductores también notan ruidos extraños, golpes y espasmos. La presencia de ciertos síntomas depende de la naturaleza del mal funcionamiento, por lo que puede haber varias razones:

• Recalentamiento del mecanismo.
• Estilo de conducción agresivo con fuertes frenadas y aceleraciones.
• F alta de aceite, nivel bajo o calidad insuficiente.
• Calentamiento insuficiente de la transmisión antes de conducir.
• Deslizamiento en el hielo.
• Coche chocando con nieve o barro.
• Desgaste de los elementos del engranaje planetario.

Para reparar una caja de engranajes planetarios, debe conocer la causa específica de su falla. Para ello, se desmonta el mecanismo. Por lo general, la caja está atornillada dentro del eje de transmisión. Es necesario quitar los soportes de velocidad de uno de los lados (según el diseño) y luego desenroscar el perno a través del orificio en el eje de transmisión. A continuación, el elemento se limpia o reemplaza. Por lo general, se trata de contaminación por virutas de metal, dientes rotos, ejes y engranajes desgastados.

Conclusión

Los mecanismos planetarios difieren en la complejidad del dispositivo, que tiene sus pros y sus contras. El primero es el equilibrio.elementos de servicio con una distribución de fuerzas relativamente precisa. Este factor permite el desarrollo de unidades de cambio de marchas de tamaño modesto, que permiten un diseño optimizado. En el caso del “planetario” de la bicicleta, también se notan ventajas ergonómicas, incluida la capacidad de cambiar en posición de pie. Al conducir por la ciudad, esta es una cualidad particularmente útil, ya que tiene que cambiar los modos de velocidad con bastante frecuencia. Si hablamos de las deficiencias de los sistemas planetarios, entonces, con grandes relaciones de transmisión, todavía se caracterizan por un rendimiento modesto. Además, el sistema requiere un montaje preciso, ya que las más mínimas desviaciones aumentan el riesgo del mismo desgaste de las piezas.