Engranajes de onda de tensión

El engranaje de onda de deformación (también conocido como engranaje armónico ) es un tipo de sistema de engranajes mecánicos que utiliza una estría flexible con dientes externos, que se deforma mediante un tapón elíptico giratorio para engranar con los dientes 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 de onda de deformación tienen algunas ventajas sobre los sistemas de engranajes tradicionales, como los engranajes helicoidales o planetarios , entre las que se incluyen:

• sin reacciones negativas ,
• compacidad y peso ligero,
• altas relaciones de transmisión,
• relaciones reconfigurables dentro de una carcasa estándar,
• buena resolución y excelente repetibilidad (representación lineal) al reposicionar cargas inerciales, ^{[ 1 ]}
• alta capacidad de par,
• ejes de entrada y salida coaxiales. ^{[ 2 ]}

Es posible lograr altas relaciones de reducción de engranajes en un volumen reducido (una relación de 30:1 a 320:1 es posible en el mismo espacio en el que los engranajes planetarios normalmente solo producen una relación de 10:1).

Entre las desventajas se incluye una tendencia a la "torsión" (una rigidez torsional) en la región de bajo par.

El engranaje de onda de deformación se usa comúnmente en robótica ^{[ 3 ]} y aeroespacial . ^{[ 4 ]} Puede proporcionar reducción de engranajes, pero también puede usarse para aumentar la velocidad de rotación o para engranajes diferenciales .

El concepto básico de engranajes de onda de tensión (SWG) fue introducido por CW Musser en una patente de 1957 ^{[ 5 ] [ 6 ]} mientras era asesor en United Shoe Machinery Corp (USM). Fue utilizado con éxito por primera vez en 1960 por USM Co. y posteriormente por Hasegawa Gear Works bajo licencia de USM. 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 ]} En 1971, en la misión Apolo 15 de la NASA, el Vehículo Lunar Explorador (LRV) fue impulsado por un motor eléctrico por rueda, conectados por engranajes Harmonic Drive 80:1. ^{[ 9 ]}

El engranaje de onda de tensión aprovecha la elasticidad del metal. El mecanismo consta de tres componentes básicos: un generador de onda (2/verde), una estría flexible (3/roja) y una estría circular (4/azul). Las versiones más complejas incluyen un cuarto componente que se suele usar para acortar la longitud total o para aumentar la reducción de engranajes en un diámetro menor, pero siguen los mismos principios básicos.

El generador de ondas consta de dos partes: un disco elíptico llamado tapón generador de ondas y un rodamiento de bolas exterior. El tapón elíptico se inserta en el rodamiento, lo que obliga a este último a adaptarse a la forma elíptica, pero permitiendo a la vez la rotación del tapón dentro del rodamiento exterior.

La ranura flexible tiene forma de copa poco profunda. Sus lados son muy delgados, pero la base es relativamente rígida. Esto proporciona una flexibilidad considerable a las paredes del extremo abierto debido a su delgadez, mientras que el extremo cerrado es lo suficientemente rígido como para fijarse firmemente (a un eje, por ejemplo). Los dientes están dispuestos radialmente alrededor de la parte exterior de la ranura flexible. Esta se ajusta perfectamente al generador de ondas, de modo que cuando se gira el conector del generador, la ranura flexible se deforma adoptando la forma de una elipse giratoria y no se desliza sobre el anillo elíptico exterior del rodamiento de bolas. El rodamiento de bolas permite que la ranura flexible gire independientemente del eje del generador de ondas.

La spline circular es un anillo circular rígido con dientes en su interior. La spline flexible y el generador de ondas se colocan dentro de la spline circular, engranando los dientes de la spline flexible y la spline circular. Debido a que la spline flexible se deforma en forma elíptica, sus dientes solo engranan con los dientes de la spline circular en dos regiones opuestas a la spline flexible (ubicadas en el eje mayor de la elipse).

Supongamos que el generador de ondas es la rotación de entrada. A medida que el conector del generador de ondas gira, los dientes del estriado flexible, que engranan con los del estriado circular, cambian lentamente de posición. El eje mayor de la elipse del estriado flexible gira con el generador de ondas, por lo que los puntos donde engranan los dientes giran alrededor del centro a la misma velocidad que el eje del generador de ondas. La clave del diseño del engranaje de onda de tensión reside en que el estriado flexible tiene menos dientes (a menudo, por ejemplo, dos menos) que el estriado circular. Esto significa que, por cada rotación completa del generador de ondas, el estriado flexible tendría que girar ligeramente (dos dientes en este ejemplo) hacia atrás con respecto al estriado circular. Por lo tanto, la acción de rotación del generador de ondas produce una rotación mucho más lenta del estriado flexible en la dirección opuesta .

Para un mecanismo de engranajes de onda de tensión, la relación de reducción de engranajes se puede calcular a partir del número de dientes de cada engranaje, de manera similar a un accionamiento cicloidal :

${\displaystyle R={\frac {{\text{dientes de spline flexible}}-{\text{dientes de spline circular}}}{\text{dientes de spline flexible}}},\quad -1<R<0}$

Tenga en cuenta que el recíproco del coeficiente de reducción a veces se denomina 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 este modo, el eje flexible gira a 1/100 de la velocidad del generador de ondas y en sentido contrario. Se pueden establecer diferentes relaciones de reducción modificando el número de dientes. Esto se puede lograr cambiando el diámetro del mecanismo o el tamaño de los dientes individuales, manteniendo así su tamaño y peso. El rango de relaciones de transmisión posibles está limitado por los límites del tamaño de los dientes para una configuración dada.

Esta relación de reducción es aplicable a la configuración donde la spline circular está 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: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle \omega _{FS}=R\omega _{WG}+(1-R)\omega _{CS}}$

Ten en cuenta que${\displaystyle R}$es negativo y pequeño.

Las ruedas de accionamiento eléctrico del vehículo lunar Apolo incluían engranajes de onda de tensión. ^{[ 11 ]} Además, los cabrestantes utilizados en Skylab para desplegar los paneles solares se alimentaban mediante engranajes de onda de tensión.

• Corporación Nidec-Shimpo América
• accionamiento cicloidal
• Bomba peristáltica

• Explicación de los principios que rigen el engranaje de onda de tensión (YouTube)
• Demostración de la función de transmisión armónica (YouTube)