El engranaje por 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 de engranaje internos de una estría externa.
La empresa alemana Harmonic Drive SE fabricó los primeros engranajes producidos en serie bajo el nombre de producto o marca registrada Harmonic Drive.
Los engranajes por ondas de deformación tienen algunas ventajas sobre los sistemas de engranajes tradicionales, como los engranajes helicoidales o planetarios , entre ellas:
En un volumen pequeño es posible alcanzar relaciones de reducción elevadas (en el mismo espacio en el que los engranajes planetarios normalmente solo producen una relación de 10 :1 es posible una relación de 30:1 hasta 320:1 ).
Las desventajas incluyen una tendencia a la "tensión" (una tasa de resorte torsional) en la región de bajo torque.
El engranaje por onda de deformación se utiliza comúnmente en robótica [3] y aeroespacial . [4] Puede proporcionar reducción de engranajes, pero también puede usarse para aumentar la velocidad de rotación [ cita requerida ] o para engranajes diferenciales .
El concepto básico de engranajes de onda de deformación (SWG) fue introducido por CW Musser en una patente de 1957 [5] [6] mientras era asesor en United Shoe Machinery Corp (USM). Fue utilizado por primera vez con éxito en 1960 por USM Co. y más tarde por Hasegawa Gear Works bajo licencia de USM. [ cita requerida ] Más tarde, Hasegawa Gear Work se convirtió en Harmonic Drive Systems ubicada en Japón y la división Harmonic Drive de USM Co. se convirtió en Harmonic Drive Technologies. [7] [8]
El engranaje de onda de deformación utiliza la elasticidad del metal. El mecanismo tiene tres componentes básicos: un generador de ondas (2/verde), una ranura flexible (3/roja) y una ranura circular (4/azul). Las versiones más complejas tienen un cuarto componente que normalmente se utiliza 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 olas está formado por dos partes independientes: un disco elíptico llamado tapón generador de olas y un cojinete de bolas exterior. El tapón elíptico se inserta en el cojinete, lo que obliga a este último a adaptarse a la forma elíptica, pero permite que el tapón gire dentro del cojinete exterior.
La ranura flexible tiene forma de 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 la pared delgada, y en el lado cerrado es lo suficientemente rígido como para estar firmemente asegurado (a un eje, por ejemplo). Los dientes están colocados radialmente alrededor del exterior de la ranura flexible. La ranura flexible se ajusta firmemente sobre el generador de olas, de modo que cuando se gira el tapón del generador de olas, la ranura flexible se deforma hasta adoptar la forma de una elipse giratoria y no se desliza sobre el anillo elíptico exterior del cojinete de bolas. El cojinete de bolas permite que la ranura flexible gire independientemente del eje del generador de olas.
La ranura circular es un anillo circular rígido con dientes en su interior. La ranura flexible y el generador de ondas se colocan dentro de la ranura circular, engranando los dientes de la ranura flexible y la ranura circular. Debido a que la ranura flexible se deforma en una forma elíptica, sus dientes solo engranan con los dientes de la ranura circular en dos regiones en lados opuestos de la ranura flexible (ubicadas en el eje mayor de la elipse).
Supongamos que el generador de ondas es la rotación de entrada. A medida que gira el conector del generador de ondas, los dientes de la ranura flexible que están engranados con los de la ranura circular cambian lentamente de posición. El eje mayor de la elipse de la ranura flexible gira con el generador de ondas, por lo que los puntos donde los dientes engranan giran alrededor del punto central a la misma velocidad que el eje del generador de ondas. La clave del diseño del engranaje de ondas de deformación 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 gire una pequeña cantidad (dos dientes en este ejemplo) hacia atrás en relación con la ranura circular. Por lo 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 .
En el caso de un mecanismo de engranajes por ondas de deformación, la relación de reducción de engranajes se puede calcular a partir de la cantidad de dientes de cada engranaje, de manera similar a un mecanismo de transmisión cicloidal :
Téngase en cuenta que el recíproco de la relación de reducción a veces se menciona con la misma frase y símbolo.
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.
De esta forma, la ranura flexible gira a 1/100 de la velocidad del conector del generador de ondas y en la dirección opuesta. Se establecen diferentes relaciones de reducción modificando el número de dientes. Esto se puede lograr modificando el diámetro del mecanismo o modificando el tamaño de los dientes individuales, conservando así su tamaño y peso. El rango de posibles relaciones de transmisión está limitado por los límites de tamaño de los dientes para una configuración determinada.
Esta relación de reducción es aplicable a la configuración en la que la spline circular es fija, el generador de ondas es la entrada y la spline flexible es la salida. En caso de que la spline circular también gire, se cumple la siguiente relación entre las velocidades de rotación de las tres partes: [9]
Mente que es negativa y pequeña.
Las ruedas accionadas eléctricamente del Apollo Lunar Rover incluían engranajes de ondas deformables. [10] Además, los cabrestantes utilizados en Skylab para desplegar los paneles solares se accionaban mediante engranajes de ondas deformables. [ cita requerida ]
