Una junta de velocidad constante (también llamada junta homocinética ) es un acoplamiento mecánico que permite que los ejes giren libremente (sin un aumento apreciable de la fricción o el juego ) y compensa el ángulo entre los dos ejes, dentro de un cierto rango, para mantener la misma velocidad.
Un uso común de las juntas homocinéticas es en vehículos con tracción delantera , donde se utilizan para transferir la potencia del motor a las ruedas, incluso cuando el ángulo del eje de transmisión varía debido al funcionamiento de la suspensión .
La predecesora de la junta homocinética fue la junta universal (también llamada junta cardán ), inventada por Gerolamo Cardano en el siglo XVI. Las juntas universales son fáciles de producir y pueden soportar grandes fuerzas; sin embargo, a medida que aumenta el ángulo de operación, las juntas universales a menudo presentan "muescas" y son difíciles de girar.
El primer tipo de junta de velocidad constante fue la junta de doble cardán , inventada por Robert Hooke en el siglo XVII. Este diseño utiliza dos juntas universales desplazadas 90 grados, lo que anula las variaciones de velocidad en cada junta.
Desde entonces se han inventado muchos otros tipos de juntas de velocidad constante.
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Las juntas Cardan dobles son similares a los ejes Cardan dobles , excepto que la longitud del eje intermedio se acorta dejando solo los yugos; esto permite efectivamente montar las dos articulaciones de Hooke espalda con espalda. Los DCJ se utilizan normalmente en columnas de dirección, ya que eliminan la necesidad de colocar correctamente las juntas universales en los extremos del eje intermedio (IS), lo que facilita el embalaje del IS alrededor de los otros componentes en el compartimento del motor del automóvil. También se utilizan para reemplazar las juntas de velocidad constante estilo Rzeppa en aplicaciones donde los ángulos de articulación elevados o las cargas de torsión impulsivas son comunes, como los ejes de transmisión y los semiejes de vehículos resistentes con tracción en las cuatro ruedas. Las juntas Cardan dobles requieren un elemento de centrado que mantenga ángulos iguales entre los ejes impulsado y motor para una verdadera rotación a velocidad constante. [1] [2] Este dispositivo de centrado requiere un par adicional para acelerar las partes internas de la articulación y genera cierta vibración adicional a velocidades más altas. [3]
La junta Tracta funciona según el principio de la junta doble machihembrada . Consta de sólo cuatro partes individuales: las dos horquillas (también conocidas como yugos, una motriz y otra conducida) y las dos piezas deslizantes semiesféricas (una llamada macho o espiga giratoria y otra llamada hembra o espiga ranurada) que se entrelazan en un flotador (móvil). ) conexión. Cada mordaza de yugo se acopla a una ranura circular formada en los miembros intermedios. Ambos miembros intermedios están acoplados entre sí a su vez mediante una junta giratoria machihembrada y ranurada. Cuando los ejes de entrada y salida están inclinados en algún ángulo de trabajo entre sí, el miembro intermedio impulsor acelera y desacelera durante cada revolución. Dado que la unión machihembrada central está desfasada un cuarto de revolución con respecto a las mordazas del yugo, la correspondiente fluctuación de velocidad de los miembros de mordaza intermedios y de salida impulsados contrarresta y neutraliza exactamente la variación de velocidad del medio miembro de entrada. Por lo tanto, el cambio de velocidad de salida es idéntico al del accionamiento de entrada, proporcionando una rotación de velocidad constante. [4]
Una articulación de Rzeppa (inventada por Alfred H. Rzeppa en 1926) consta de una capa interior esférica con 6 ranuras y una capa exterior envolvente similar. Cada ranura guía una bola . El eje de entrada encaja en el centro de un gran "engranaje" de acero en forma de estrella que se aloja dentro de una jaula circular. La jaula es esférica pero con los extremos abiertos y normalmente tiene seis aberturas alrededor del perímetro. Esta jaula y engranaje encajan en una copa ranurada que tiene un eje estriado y roscado adjunto. Seis grandes bolas de acero se encuentran dentro de las ranuras de la copa y encajan en las aberturas de la jaula, ubicadas en las ranuras del engranaje estrella. Luego, el eje de salida en la copa pasa a través del cojinete de la rueda y está asegurado por la tuerca del eje.
Esta articulación puede adaptarse a los grandes cambios de ángulo cuando el sistema de dirección gira las ruedas delanteras; Las articulaciones típicas de Rzeppa permiten 45°-48° de articulación, mientras que algunas pueden dar 54°. [5] En el extremo "exterior" del eje de transmisión se utiliza una unidad ligeramente diferente. El extremo del eje de transmisión está estriado y encaja en la "junta" exterior. Por lo general, se mantiene en su lugar mediante un anillo de seguridad .
La articulación de Birfield es un tipo de articulación de velocidad constante basada en la articulación de Rzeppa, pero con las seis bolas confinadas mediante pistas elípticas en lugar de una jaula. Han mejorado la eficiencia y se utilizan ampliamente en los automóviles modernos para las juntas del eje de transmisión exterior. [6] La junta Birfield fue desarrollada por Birfield Industries y se utilizó ampliamente con el desarrollo de automóviles con tracción delantera como el Mini . [7]
Las juntas de trípode se utilizan en el extremo interior de los ejes de transmisión de los automóviles. Las uniones fueron desarrolladas por Michel Orain, de Glaenzer Spicer de Poissy , Francia . Esta articulación tiene un yugo de tres puntas unido al eje, que tiene rodamientos de rodillos en forma de barril en los extremos. Estos encajan en una copa con tres ranuras a juego, unida al diferencial . Dado que sólo hay un movimiento significativo en un eje, esta sencilla disposición funciona bien. Estos también permiten un movimiento de "hundimiento" axial del eje, de modo que el balanceo del motor y otros efectos no precargan los rodamientos. Una junta de trípode típica tiene hasta 50 mm de recorrido de inmersión y 26 grados de articulación angular. [8] La junta de trípode no tiene tanto rango angular como muchos de los otros tipos de juntas, pero tiende a ser más económica y más eficiente. Debido a esto, generalmente se usa en configuraciones de vehículos con tracción trasera o en el lado interior de vehículos con tracción delantera donde el rango de movimiento requerido es menor.
Una articulación Weiss consta de dos yugos de bolas idénticos que están situados positivamente (normalmente) por cuatro bolas. Las dos articulaciones se centran mediante una bola con un agujero en el medio. Dos bolas en pistas circulares transmiten el par, mientras que las otras dos precargan la articulación y garantizan que no haya juego cuando cambia la dirección de la carga.
Su construcción se diferencia de la del Rzeppa en que las bolas encajan perfectamente entre las dos mitades del acoplamiento y en que no se utiliza jaula. La bola central gira sobre un pasador insertado en la pista exterior y sirve como medio de bloqueo para las otras cuatro bolas. Cuando ambos ejes están alineados, es decir, en un ángulo de 180 grados, las bolas se encuentran en un plano que está a 90 grados de los ejes. Si el eje impulsor permanece en la posición original, cualquier movimiento del eje impulsado hará que las bolas se muevan la mitad de la distancia angular. Por ejemplo, cuando el eje impulsado se mueve en un ángulo de 20 grados, el ángulo entre los dos ejes se reduce a 160 grados. Las bolas se moverán 10 grados en la misma dirección y el ángulo entre el eje impulsor y el plano en el que se encuentran las bolas se reducirá a 80 grados. Esta acción cumple el requisito de que las bolas se encuentren en el plano que biseca el ángulo de impulso. Este tipo de articulación de Weiss se conoce como articulación Bendix-Weiss.
La articulación de inmersión más avanzada que funciona según el principio de Weiss es la articulación en estrella de seis bolas de Kurt Enke. Este tipo utiliza sólo tres bolas para transmitir el par, mientras que las tres restantes lo centran y lo mantienen unido. Las bolas están precargadas y la articulación está completamente encapsulada. [9] [10]
La junta Thompson (también conocida como acoplamiento Thompson ) ensambla dos juntas cardán entre sí para eliminar el eje intermedio. [11] Se agrega un yugo de control para mantener alineados los ejes de entrada y salida. El yugo de control utiliza un mecanismo de tijera de pantógrafo esférico para dividir en dos el ángulo entre los ejes de entrada y salida y para mantener las juntas en un ángulo de fase relativo de cero. La alineación garantiza una velocidad angular constante en todos los ángulos de las articulaciones. La eliminación del eje intermedio y el mantenimiento de los ejes de entrada alineados en el plano homocinético reduce en gran medida las tensiones de corte inducidas y la vibración inherentes a los ejes cardán dobles . [12] [13] [14] Si bien la configuración geométrica no mantiene una velocidad constante para el yugo de control que alinea las juntas cardán, el yugo de control tiene una inercia mínima y genera poca vibración. El uso continuo de un acoplamiento Thompson estándar en un ángulo recto de cero grados provocará un desgaste excesivo y daños a la junta; Se necesita un desplazamiento mínimo de 2 grados entre los ejes de entrada y salida para reducir el desgaste del yugo de control. [15] Modificar los yugos de entrada y salida para que no sean exactamente normales a sus respectivos ejes puede alterar o eliminar los ángulos "no permitidos". [dieciséis]
La característica novedosa del acoplamiento es el método para restringir geométricamente el par de juntas cardán dentro del conjunto utilizando, por ejemplo, un varillaje de tijera esférico de cuatro barras ( pantógrafo esférico ) y es el primer acoplamiento que tiene esta combinación de propiedades. [17]
Los primeros vehículos con tracción delantera (como el Citroen Traction Avant de la década de 1930 ) y los ejes delanteros de los vehículos todoterreno con tracción en las cuatro ruedas utilizaban juntas universales en lugar de juntas homocinéticas. Entre los primeros automóviles que utilizaron juntas homocinéticas se encontraban el Tracta de 1926 , el DKW F1 de 1931 y el Adler Trumpf de 1932 , todos los cuales eran de tracción delantera y utilizaban el diseño de junta Tracta bajo licencia. [18] [19] Las juntas homocinéticas permitieron una transferencia suave de potencia en una gama más amplia de ángulos de operación (como cuando la suspensión se comprime por la fuerza de una curva o un bache en la carretera).
Los automóviles modernos con tracción trasera y suspensión trasera independiente suelen utilizar juntas homocinéticas en los extremos de los semiejes y cada vez más las utilizan en el eje trasero . [ cita necesaria ]
Por lo general, se instala una cubierta flexible separada sobre la junta homocinética para protegerla de partículas extrañas y evitar que se escape la grasa lubricante. [20] Esta cubierta suele estar hecha de goma y se denomina "bota CV" o "polaina CV". Las grietas y fisuras en la bota permitirán la entrada de contaminantes, lo que provocaría que la junta se desgaste rápidamente a medida que se escape la grasa.
La junta homocinética suele estar lubricada con grasa de disulfuro de molibdeno . Las seis esferas están delimitadas por una puerta anticaída que evita que las esferas caigan cuando los ejes están perfectamente alineados.
Instrucciones especiales: No se recomienda el funcionamiento continuo del acoplamiento TCVJ a 0 grados, ya que esto provocará un desgaste excesivo en los cojinetes y dañará el acoplamiento. Para una máxima eficiencia y vida útil del acoplamiento TCVJ, se recomienda un ángulo de funcionamiento mínimo de 2,0 grados.
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