Este artículo proporcionará un análisis exhaustivo de las cajas de engranajes de accionamiento armónico, incluyendo su introducción, ventajas y desventajas, juego, escenarios de aplicación y precauciones de instalación.

¿Qué es una caja de engranajes de accionamiento armónico?

Una caja de engranajes de accionamiento armónico, como reductor de engranajes flexible, tiene un núcleo que consiste en un generador de ondas, un engranaje flexible y un engranaje circular. La coordinación precisa de estos tres componentes es clave para su transmisión estable. El generador de ondas, típicamente de forma elíptica o hiperbólica, a menudo está conectado al eje de entrada y sirve como la "fuente de energía" que induce la deformación. Los rodamientos periféricos permiten una deformación más suave y reducen el desgaste de los componentes.

El engranaje flexible tiene forma de copa o anillo, generalmente hecho de acero de aleación de alta resistencia con excelente elasticidad. Experimenta deformación periódica bajo la acción del generador de ondas. Los dientes están distribuidos en su circunferencia exterior o interior, actuando como el "puente" para la transmisión de potencia. El engranaje circular es un componente fijo con dientes en su pared interior o exterior. Tiene 2 dientes más (o una diferencia entera específica) que el engranaje flexible. Al engranar con el engranaje flexible en deformación, logra la salida de potencia.

Durante la operación, la rotación del generador de ondas empuja al engranaje flexible a deformarse, haciendo que los dientes de los dos componentes engranen y desengranen secuencialmente. La reducción de velocidad se logra mediante la diferencia de dientes. Los tres componentes principales cumplen sus funciones, permitiendo una transmisión con alta precisión y estabilidad.

¿Cuáles son las ventajas del accionamiento armónico?

Las cajas de engranajes de accionamiento armónico ofrecen las siguientes ventajas significativas:

1.  Alta relación de reducción:

Las relaciones de reducción de una sola etapa suelen oscilar entre 30 y 500, mientras que las de múltiples etapas pueden superar las 30,000. Esto permite una reducción significativa de velocidad en una sola etapa, satisfaciendo las necesidades de transmisión de alta precisión y alto par, adecuado para escenarios que requieren altas relaciones de reducción.

2.  Alta precisión de transmisión:

El mecanismo de engranaje múltiple promedia los errores, con un error de transmisión de solo aproximadamente 1/4 del de las transmisiones de engranajes ordinarias. Puede lograr un movimiento casi sin juego, asegurando un movimiento preciso, ideal para campos con requisitos de precisión extremadamente altos, como robots quirúrgicos y equipos de semiconductores.

3.  Tamaño compacto y peso ligero:

En comparación con los reductores tradicionales, con el mismo par de salida, el volumen puede reducirse en 2/3 y el peso en 1/2. Su estructura compacta es adecuada para aplicaciones con espacio limitado, como articulaciones de carga ligera en robots humanoides.

4.  Alta capacidad de carga:

El engranaje flexible está hecho de material de alta resistencia, y el contacto entre dientes es de superficie a superficie. El número de dientes engranando simultáneamente puede alcanzar más del 30% del total de dientes, resultando en una carga baja por unidad de área y permitiendo la transmisión de un par relativamente alto, adecuado para escenarios de alta carga.

5.  Alta eficiencia de transmisión:

Durante la transmisión, los dientes del engranaje flexible se mueven uniformemente en dirección radial con una velocidad de deslizamiento relativa muy baja, resultando en un desgaste mínimo. La eficiencia puede alcanzar del 69% al 96%, manteniendo una eficiencia relativamente alta incluso a altas velocidades, reduciendo la pérdida de energía.

6.  Operación suave y bajo ruido:

Ambos lados de los dientes participan en el engranaje y desengranaje, resultando en ningún fenómeno de impacto. La operación produce un ruido y vibración mínimos, adecuado para aplicaciones sensibles al ruido.

7.  Capacidad de transmitir movimiento a espacios sellados:

Utilizando la naturaleza flexible del engranaje flexible, el movimiento puede transmitirse a través de paredes selladas, adecuado para equipos como aeroespacial y dispositivos médicos que necesitan operar en entornos cerrados.

Estas ventajas hacen que las cajas de engranajes de accionamiento armónico sean una solución de transmisión ideal para campos de alta tecnología como robótica, máquinas herramienta CNC, aeroespacial y equipos médicos.

¿Cuáles son las desventajas del accionamiento armónico?

Como dispositivo de transmisión de precisión, aunque los accionamientos armónicos ofrecen ventajas como alta precisión, alta relación de reducción y tamaño compacto, también tienen algunas limitaciones, incluyendo:

1.  Vida útil limitada por fatiga del engranaje flexible:

El engranaje flexible experimenta deformación elástica periódica durante la operación, generando tensión alternante. El uso prolongado puede llevar fácilmente a fatiga del material, causando grietas o incluso fractura. Especialmente en escenarios de operación de alta carga y alta frecuencia, la vida útil del engranaje flexible puede ser un factor limitante, requiriendo reemplazo o mantenimiento regular.

2.  Capacidad de carga relativamente menor:

Aunque los accionamientos armónicos funcionan bien en escenarios de bajo par, en comparación con reductores como los reductores RV, su capacidad para soportar alto par es más débil. Cuando la carga excede un cierto límite, la deformación excesiva o el mal engranaje del engranaje flexible pueden afectar la precisión y estabilidad de la transmisión. Por lo tanto, son más adecuados para aplicaciones de carga ligera y alta precisión.

3.  Eficiencia de transmisión limitada:

Debido a factores como la deformación elástica del engranaje flexible y la fricción de engranaje, la eficiencia de transmisión de los accionamientos armónicos es generalmente menor que la de los reductores planetarios o RV, con una pérdida de energía relativamente mayor. Los problemas de eficiencia pueden volverse más prominentes, especialmente en transmisiones de alta velocidad o alta potencia.

4.  Altos requisitos para las condiciones de instalación y operación:

Los accionamientos armónicos tienen requisitos estrictos para la precisión de instalación. Una instalación inadecuada (por ejemplo, ejes desalineados, holgura excesiva) puede causar tensión desigual en el engranaje flexible, acelerando el desgaste o daño. Además, tienen ciertos requisitos para la temperatura, humedad, vibración, etc., del entorno de operación, lo que puede afectar el rendimiento y la vida útil en condiciones adversas.

5.  Fluctuación instantánea de la relación de transmisión:

Para los accionamientos armónicos que utilizan generadores de ondas con rodillos, la relación de transmisión instantánea no es estrictamente constante. Esto puede afectar en cierta medida la suavidad y precisión de la transmisión, requiriendo consideración cuidadosa en aplicaciones con requisitos de precisión extremadamente altos.

6.  Desafíos de disipación de calor:

La estructura interna de los accionamientos armónicos es compacta, con condiciones de disipación de calor relativamente pobres. La operación continua prolongada puede causar un aumento de temperatura, afectando la efectividad de la lubricación y el rendimiento de los componentes, incluso llevando a fallos. Por lo tanto, el diseño de disipación de calor necesita atención durante operaciones de alta carga o a largo plazo.

En resumen, los accionamientos armónicos son adecuados para escenarios con altos requisitos de precisión, tamaño y peso, pero con cargas relativamente menores y demandas menos estrictas en vida útil y eficiencia, como articulaciones de robots, instrumentos de precisión y aeroespacial. Al seleccionar un reductor, es necesaria una evaluación integral de sus pros y contras según las necesidades específicas de la aplicación.

¿Tiene juego el accionamiento armónico?

Las cajas de engranajes de accionamiento armónico pueden lograr un juego casi nulo en condiciones ideales. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, debido a factores como la precisión de fabricación, propiedades del material y desgaste, es difícil lograr un juego absolutamente nulo por completo. Por lo general, hay un espacio extremadamente pequeño, pero en comparación con los reductores tradicionales, su juego se reduce significativamente y a menudo puede considerarse insignificante.

Los accionamientos armónicos funcionan utilizando un generador de ondas para impulsar la deformación elástica del engranaje flexible, haciendo que el engranaje flexible y el engranaje circular formen un engranaje periódico. La reducción de velocidad se logra mediante la diferencia de dientes. Debido a la característica de deformación elástica del engranaje flexible, puede ajustarse estrechamente a la superficie del diente del engranaje circular durante el engranaje, eliminando teóricamente el espacio entre engranajes. Sin embargo, en la producción real, factores como errores de mecanizado de los componentes, precisión de ensamblaje y desgaste por uso prolongado pueden llevar a la generación de juego.

¿Qué dispositivos tienen accionamientos armónicos?

Las cajas de engranajes de accionamiento armónico se aplican principalmente en las siguientes cuatro industrias principales: robots industriales, robots de servicio, equipos médicos, máquinas herramienta CNC y equipos de automatización.

Industria de máquinas herramienta:

Principalmente utilizadas para los ejes 4º y 5º de las máquinas herramienta, accesorios de máquinas herramienta, torretas de herramientas, etc. Los equipos de alta precisión utilizan predominantemente accionamientos armónicos.

Brazos robóticos pequeños (menos de 20KG):

Refiriéndose a los brazos robóticos comúnmente vistos, más del 50% de los reductores utilizados son accionamientos armónicos.

Robots de servicio doméstico:

Para robots de alta gama en servicios domésticos, clasificación logística, juguetes de escritorio, etc., los accionamientos armónicos son la única y más efectiva solución de reductor.

Equipos médicos:

Principalmente incluye robots médicos, dispositivos médicos, exoesqueletos, dispositivos de atención médica, etc. Los accionamientos armónicos son la solución óptima para articulaciones.

Precauciones de instalación para cajas de engranajes de accionamiento armónico

1. Si se requiere soporte de rodamientos durante la instalación del reductor, intente seleccionar rodamientos con precisión P6 y clase de holgura C2 para garantizar la precisión general de la máquina.

2. Asegúrese de que la cantidad de grasa en la cavidad esté por encima del 60-70% para evitar una lubricación deficiente durante la operación prolongada.

3. El entorno de instalación debe estar limpio. Evite el ensamblaje en entornos polvorientos o con contaminación de partículas. No utilice ventiladores en el taller durante la instalación.

4. Las herramientas y accesorios utilizados durante la instalación deben estar ordenados y ser ergonómicos para evitar dañar el reductor o crear problemas ocultos debido a problemas con las herramientas.

5. El personal de instalación debe usar guantes de goma siempre que sea posible.

6. Utilice paños industriales sin pelusa para limpiar el reductor o partes relacionadas durante la instalación.

7. Al instalar el reductor con el motor girando, asegúrese de que haya suficiente espacio para ajustar las dimensiones de posicionamiento entre el reductor y la brida de montaje.

8. Para los métodos de apriete de tornillos y el par, utilice una llave dinamométrica.

9. Asegúrese de que los tornillos utilizados sean de grado 12.9 para garantizar la confiabilidad después de la instalación.

10. Utilice adhesivo bloqueador de roscas en los tornillos de instalación, minimice el uso de arandelas elásticas. Para agujeros ciegos, se recomienda aplicar el adhesivo en el agujero; para agujeros pasantes, aplíquelo en la parte superior del tornillo.

11. Asegúrese de que haya suficiente lubricante/grasa y que esté correctamente sellado durante la instalación. Para instalaciones con la cara del engranaje hacia arriba, la cavidad debe llenarse con grasa.

12. Después de la instalación, realice una prueba a 100 rpm para observar el ruido, la vibración, etc., del reductor. Si se encuentran problemas, deténgase inmediatamente y verifique la causa o contacte al personal de nuestra empresa.

¿Hay algo más que le gustaría saber sobre las cajas de engranajes de accionamiento armónico?