Transmisión de Potencia Mecánica: Elementos, tipos y métodos

¿Qué es la transmisión de potencia mecánica?

El término transmisión de potencia mecánica denota el proceso de aprovechar y dirigir la potencia desde una fuente, como un motor, a un dispositivo de salida a través de componentes mecánicos, en lugar de métodos eléctricos. Este método proporciona control sobre la velocidad, el par y la direccionalidad de la fuerza transmitida. Las aplicaciones son diversas; van desde transmisiones de vehículos hasta bicicletas y herramientas eléctricas, entre otros.

La transmisión de potencia mecánica cumple la función de transferir potencia de rotación desde un controlador a un componente de salida. Este proceso permite controlar la cantidad, la velocidad y el par de la potencia aplicada. Ofrece ventajas clave como flexibilidad y simplicidad, y frecuentemente supera a los medios eléctricos en términos de eficiencia. El ruido, las vibraciones y la necesidad de lubricación presentan algunas de las desventajas; sin embargo, la transmisión mecánica sigue siendo un método de control y transferencia de potencia versátil en numerosas aplicaciones.

Aplicaciones de la transmisión de potencia mecánica

Dondequiera que sea necesario el control y la transferencia de potencia, la transmisión de potencia mecánica encuentra aplicaciones generalizadas. Algunos de sus usos más comunes incluyen maquinaria industrial, sistemas automotrices como transmisiones, frenos y mecanismos de dirección, y equipos HVAC para procesos de calefacción o refrigeración en edificios, por nombrar sólo algunos.

• Los sistemas de propulsión de vehículos transfieren la potencia del motor a las ruedas a través de transmisiones, diferenciales y ejes de transmisión. Este proceso no sólo permite controlar la velocidad sino también el par.
• En una bicicleta, el ciclista obtiene una ventaja mecánica (el factor por el cual una máquina multiplica la fuerza aplicada) de la cadena y los engranajes de las bicicletas, particularmente en sistemas de múltiples engranajes que permiten variar la resistencia del pedaleo.
• Las cajas de cambios controlan la velocidad y el par del motor para herramientas eléctricas como taladros, sierras y amoladoras. Facilitan una entrega óptima de energía.
• Los sistemas transportadores utilizan ampliamente rodillos, poleas y correas para transportar material de manera controlada en velocidad y dirección. Desempeñan funciones cruciales dentro de los procesos de fabricación.
• Los variadores de velocidad con engranajes/correas controlan las velocidades de mezcla en mezcladores y agitadores. Esto es particularmente importante para aplicaciones de mezcla.

En resumen, la transmisión mecánica, con su capacidad para transferir eficientemente y controlar de manera flexible la potencia de salida para todo tipo de maquinaria rotativa, resulta integral en numerosas aplicaciones.

Transmisiones de relación fija frente a transmisiones de relación múltiple

Una caja de cambios simple, que funciona como una transmisión de relación fija, mantiene una relación de transmisión constante entre sus ejes de entrada y salida. En consecuencia, la velocidad de salida fluctúa constantemente con las variaciones en la velocidad de entrada; sin embargo, debido a esta operación sencilla, estas transmisiones exhiben compacidad y eficiencia. Sin embargo, la velocidad o el par no se pueden modificar mientras está en marcha.

Varias relaciones de transmisión seleccionables en transmisiones multiproporción permiten una velocidad de salida y un par variables durante el funcionamiento. La entrada de cambio dicta la selección de marcha en las transmisiones manuales. Por otro lado, las transmisiones automáticas se autoajustan según sensores de velocidad y carga. El costo de una mayor flexibilidad se manifiesta en una mayor complejidad, requisitos de espacio, incrementos de peso y pérdida de energía.

Los sistemas de relación fija ofrecen un funcionamiento sencillo y eficiente únicamente para configuraciones de salida fijas. Por otra parte, las transmisiones multiratio, a pesar de su mayor complejidad, permiten potencias ajustables. Los requisitos de la aplicación dictan qué opción es más apropiada.

Elementos mecánicos de transmisión de potencia

Los principales componentes utilizados en la transmisión mecánica de potencia son:

• Ejes : Son varillas giratorias diseñadas para transmitir potencia entre varios componentes; Están diseñados específicamente para cargas de torsión. Las estrías o protuberancias en los ejes con chaveta permiten un mecanismo de bloqueo positivo con sus elementos coincidentes.
• Engranajes : Ruedas dentadas, montadas sobre ejes; su propósito es amplificar o disminuir incrementalmente la velocidad de rotación y el par; también alteran la dirección de un eje.
• Cojinetes : permiten una rotación con baja fricción y brindan soporte a los ejes. Además, mitigan la pérdida de energía resultante de la fricción; En este contexto encuentran aplicación tanto el tipo de bolas como el de rodillos.
  
  • Los rodamientos unen los ejes para una transmisión suave de la potencia de rotación: esta es la función principal de los acoplamientos. Además, se adaptan a la desalineación del eje y al movimiento de los extremos, un atributo fundamental en su diseño.
• Embragues: Proporcionan acoplamiento/desacoplamiento mecánico selectivo de ejes. Se utiliza para activar/desactivar la potencia motriz.
• Cadenas/Correas : Componentes de enlace flexibles que transmiten potencia entre ruedas dentadas o poleas. Compromiso más suave.
• Los elementos entrelazados de la máquina, montados en ejes y componentes acoplados, bloquean sus posiciones relativas; así es como se transfiere la fuerza de rotación. La llave de la máquina desempeña frecuentemente un papel crucial: se utiliza para realizar estas tareas. Los collares de eje son dispositivos anulares que se emplean para el posicionamiento; cumplen la función de bloquear componentes en ejes. Un tornillo de fijación aprieta el collar al eje.

La transmisión eficiente y el control de la potencia mecánica dependen de la selección meticulosa y el ensamblaje perfecto de estos diversos componentes.

Tipos de sistemas de transmisión de potencia mecánica

Los sistemas de transmisión de potencia mecánica utilizan diversos medios para transferir potencia de rotación a través de componentes como ejes, engranajes, cadenas, correas y poleas. Las principales clasificaciones son transmisiones por engranajes, transmisiones por cadena, transmisiones por correa y transmisiones por ruedas de fricción.

Las transmisiones por engranajes emplean ruedas dentadas engranadas para transmitir el movimiento mediante la interacción entre dientes y engranajes. Las transmisiones por cadena utilizan eslabones de cadena de rodillos engranados con dientes de rueda dentada para transferir potencia de manera eficiente a distancias más grandes. Los sistemas de transmisión por correa tienen correas flexibles que pasan sobre las superficies de las poleas para transmitir el torque desde la entrada a la salida. Las transmisiones por rueda de fricción dependen de la fricción en la interfaz rueda a rueda para transmitir potencia a través del contacto directo.

Estos tipos de transmisión también se pueden combinar en muchas máquinas y procesos industriales para aprovechar sus fortalezas únicas y lograr la transferencia de potencia rotacional deseada. La selección, el tamaño y la integración adecuados permiten un flujo de energía mecánica eficiente y confiable en diversas aplicaciones.

Sistema de engranajes

Un sistema de engranajes emplea engranajes de ruedas dentadas giratorias para la transmisión de potencia entre dos ejes: específicamente, los dientes de dos engranajes correspondientes se entrelazan (engranan) de tal manera que un engranaje impulsa a otro cuando gira. La alteración de los tamaños entre sí dentro de este tren de engranajes permite la variación tanto en la velocidad de rotación como en el par; Estos cambios ocurren entre los ejes de entrada y salida. Por ejemplo, cuando un engranaje impulsor pequeño hace girar un engranaje de salida más grande: reduce la velocidad pero amplifica el par.

La transferencia de potencia máxima, acompañada de pérdidas mínimas atribuidas a las superficies de contacto que experimentan baja fricción, se facilita mediante la interacción de los dientes engranados. Los sistemas de engranajes, dependiendo de la orientación de los dientes de sus engranajes (rectos, helicoidales, cónicos, etc.), pueden conectar ejes paralelos o perpendiculares. Para minimizar la fricción en los ejes y mantener la alineación para un engrane suave de los engranajes, se debe enfatizar la importancia de un soporte adecuado de los rodamientos. La ventaja mecánica está determinada por la relación de transmisión; esto, a su vez, permite un control flexible sobre la velocidad de salida y el par de la maquinaria para atender una variedad de condiciones operativas.

Sistema de transmisión por cadena

Una cadena de rodillos, compuesta de placas metálicas interconectadas con pequeños cojinetes giratorios, engrana y se desengrana de los dientes de la rueda dentada para transmitir el movimiento giratorio en un sistema de transmisión por cadena. Esta interacción entre la cadena y las ruedas dentadas facilita un acoplamiento suave que, en última instancia, produce una transferencia uniforme de movimiento; mientras tanto, una o más ruedas dentadas impulsadas reciben esta fuerza de rotación desde una rueda dentada de accionamiento central.

En comparación con los contactos directos de engranajes, la cadena puede abarcar distancias centrales más grandes entre los ejes de entrada y salida. Las relaciones de velocidad mecánica y la multiplicación del par, similares a los engranajes, se pueden lograr variando el número relativo de dientes en las ruedas dentadas. El sistema de transmisión se beneficia de las cargas de impacto amortiguadas por el contacto extendido de la cadena. Para las transmisiones por cadena es necesaria una lubricación periódica y un tensado adecuado para adaptarse al alargamiento de la cadena con el tiempo. Las transmisiones por cadena, en esencia, ofrecen una transmisión de potencia sencilla y confiable entre ejes giratorios distantes; también permiten el control de la velocidad de salida y el par.

Sistema de ruedas de fricción

El sistema de ruedas de fricción, un tipo de transmisión de potencia mecánica que evita dientes o mallas entrelazadas para la tracción entre superficies lisas, consta de dos componentes principales: la rueda motriz, conectada a la fuente de energía, y la rueda motriz, sujeta para soportar la carga de salida. Cada rueda ejerce una fuerza normal sobre su contraparte; esta presión induce fricción y, por lo tanto, transfiere potencia de rotación de una entidad a otra.

En comparación con otras transmisiones que requieren una fabricación más precisa debido a su participación con engranajes o protuberancias, esta transmisión requiere menos precisión. Sin embargo, se produce cierto deslizamiento entre sus superficies, lo que provoca pérdidas. Las transmisiones de vehículos livianos, los sistemas transportadores que utilizan ruedas de goma y las transmisiones ensambladas con un motor que impulsa un generador o compresor representan aplicaciones comunes para esta tecnología.

Los sistemas de ruedas de fricción ofrecen un método de transmisión de potencia simple y de bajo costo, pero a costa de mayores pérdidas que reducen las capacidades de torque. Los requisitos de mantenimiento giran en torno a dos aspectos clave: garantizar una presión óptima y reacondicionar periódicamente las superficies de las ruedas, ya que el desgaste se produce inevitablemente con el tiempo.

Sistema de accionamiento helicoidal

Los sistemas de tornillo sin fin emplean un engranaje helicoidal (esencialmente, un tornillo) que se entrelaza con su rueda helicoidal correspondiente para transferir potencia de rotación entre ejes no paralelos (generalmente perpendiculares).

El componente impulsor, el ‘gusano’, se conecta a la fuente de entrada. Por el contrario, la rueda se considera conducida. Debido al alto ángulo de avance de este mecanismo en relación con la colocación de la rosca dentro del conjunto de tornillo sin fin, existe una acción de autobloqueo durante las interacciones de engrane, en gran parte porque estas roscas cuentan con un paso inusualmente pronunciado. Esta característica única equipa nuestro diseño para soportar grandes cantidades de torque.

Además, la capacidad irreversible de los tornillos sin fin se debe a su comportamiento de autobloqueo; la rueda helicoidal de salida no puede impulsar su propio gusano. Una sola reducción de tornillo sin fin puede alcanzar relaciones de hasta 100:1, lo que facilita una reducción significativa de la velocidad y la multiplicación del par entre la entrada y la salida.

La fricción por deslizamiento entre el tornillo sin fin y la rueda induce pérdidas significativas de eficiencia, alcanzando generalmente un rango del 50 al 80 % con capacidades de carga completa. Los tornillos sin fin encuentran aplicaciones en diversas maquinarias, como máquinas herramienta, transportadores, reductores de cajas de engranajes y elevadores; estos requieren una transmisión de alto par empaquetada de manera compacta.

Sistema de correa y polea

Una correa flexible que funciona con dos o más poleas es la herramienta principal de un sistema de correa y polea y transmite activamente la potencia de rotación entre ejes paralelos o no paralelos. El conductor —solo uno de esos dispositivos conectados— es responsable de recibir su energía directamente de una fuente externa. Todos los demás, por el contrario, reciben pasivamente su impulso. Entre los tipos más comunes se encuentran las correas trapezoidales, fabricadas con caucho o materiales sintéticos, y las correas de distribución. Al acoplarse con poleas ranuradas, utilizan el contacto de fricción para agarrar y hacer girar estos componentes.

Los sistemas de transmisión por correa ofrecen varias ventajas, como la simplicidad y la protección contra sobrecargas, ya que las correas pueden deslizarse bajo una tensión excesiva, evitando así daños. Además, estos sistemas amortiguan eficazmente las vibraciones y los golpes. Otro beneficio clave es su capacidad para atacar ejes que están estratégicamente remotos. Esta operación se facilita mediante poleas tensoras. Sin embargo, la flexibilidad de las correas produce pérdidas de potencia inherentes debido a la deformación por flexión; normalmente alcanzan una eficiencia del 93-98%. Las principales tareas de mantenimiento implican asegurar la tensión adecuada de las correas y reemplazarlas periódicamente. Máquinas herramienta, fotocopiadoras y ventiladores. Junto con los accesorios de vehículos ligeros, como alternadores y bombas de agua, todos utilizan esta tecnología en sus aplicaciones. Las transmisiones por correa, en general, proporcionan un método sencillo y robusto de transmisión de potencia que elimina la necesidad de alineaciones de precisión o acoplamientos directos.

Ejemplos de métodos de transmisión de potencia mecánica

La transmisión de bicicleta emplea una cadena de rodillos que acopla las ruedas dentadas delantera y trasera. Este mecanismo permite que la fuerza del pedaleo del ciclista impulse la rueda trasera, mientras que la velocidad y el par se ajustan en consecuencia mediante el cambio entre estas ruedas dentadas.

La transmisión manual cuenta con pares de engranajes helicoidales engranados que transfieren activamente potencia entre los ejes intermedios y el eje de salida. Los embragues de cambio, por otro lado, desempeñan un papel integral en la selección de varias relaciones de transmisión.

El motor eléctrico, impulsado por engranajes cónicos, acciona el eje vertical de un taladro de columna. Este mecanismo permite la conducción en ángulo recto y simultáneamente aumenta la velocidad y el par. La velocidad de salida es ajustable mediante sistemas de correa y polea.

La máquina para correr utiliza una transmisión por correa de fricción para transferir potencia desde el motor al rodillo delantero, lo que permite una amplia y suave gama de cambios de velocidad. También emplea tecnología de accionamiento directo en determinados casos.

En la práctica, los sistemas combinan elementos como engranajes, cadenas, correas y embragues para lograr la función de transmisión deseada. Adaptan la configuración para cumplir con las condiciones operativas específicas requeridas.

Resumen de la lección

La transmisión de potencia mecánica es el proceso de transferir y controlar la potencia de rotación de un controlador a un componente de salida mediante métodos para crear un factor por el cual una máquina multiplica la fuerza aplicada, llamado ventaja mecánica. Este método nos permite ajustar la velocidad, el par y la dirección seleccionando cuidadosamente los elementos de transmisión adecuados, como engranajes (ruedas dentadas que engranan), cadenas (engranadas con dientes de ruedas dentadas para transferir potencia entre ejes), correas (que transmiten activamente potencia de rotación entre ejes paralelos o no). -ejes paralelos), tanto sincrónicos como en forma de V, acoplamientos (usados ​​para conectar dos ejes giratorios), cojinetes (permiten que los componentes giren con una fricción mínima), de empuje o radiales, junto con ejes (elementos giratorios de la máquina utilizados para transmitir potencia y torsión).

Los tipos clave de sistemas de transmisión mecánica incluyen transmisiones por engranajes, transmisiones por cadena, transmisiones por fricción (incluidos los frenos), conjuntos de transmisión por tornillo sin fin y mecanismos accionados por correa. Las características distintivas de cada uno los adaptan a diversas aplicaciones. Ejemplos del mundo real ilustran su uso combinado para lograr el rendimiento necesario en vehículos, bicicletas, herramientas eléctricas y transportadores. La versatilidad intrínseca de la transmisión mecánica de potencia la convierte en un componente indispensable de la maquinaria rotativa: su función no es sólo transferir sino también regular la potencia.