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Cómo elegir una caja de cambios para su aplicación

La caja de cambios es una parte esencial de las bicicletas. Cumple diversas funciones, como la velocidad y la fuerza. Si bien se utiliza para lograr uno o ambos objetivos, siempre existe una contrapartida. Al aumentar la velocidad, aumentan la velocidad de las ruedas y las fuerzas que actúan sobre ellas. Del mismo modo, al aumentar la fuerza de pedaleo, aumenta la fuerza sobre las ruedas. Esto facilita la aceleración de la bicicleta. Sin embargo, este compromiso hace que la caja de cambios sea menos eficiente que una ideal.

Dimensiones

Las cajas de engranajes vienen en diferentes tamaños, por lo que el tamaño de su unidad depende del número de etapas. Utilizar una tabla para determinar cuántas etapas se requieren le ayudará a determinar las dimensiones de su unidad. Las relaciones de las etapas individuales suelen ser mayores en la parte superior y disminuyen a medida que se acerca a la última reducción. Esta información es importante al elegir la caja de engranajes adecuada para su aplicación. Sin embargo, las dimensiones de su caja de engranajes no tienen que ser exactas. Algunos fabricantes ofrecen guías que especifican las dimensiones requeridas.
El factor de servicio de una caja de engranajes es una combinación de la fiabilidad requerida, las condiciones de servicio reales y la carga que soportará. Puede variar entre 1,0 y 1,4. Si el factor de servicio es 1,0, significa que la unidad tiene la capacidad justa para cubrir las necesidades, pero cualquier requisito adicional podría provocar su fallo o sobrecalentamiento. Sin embargo, un factor de servicio de 1,4 suele ser suficiente para la mayoría de las aplicaciones industriales, ya que indica que la caja de engranajes puede soportar 1,4 veces la carga requerida.
Los distintos tamaños también presentan distintas formas. Algunos tipos son concéntricos, mientras que otros son paralelos o forman un ángulo recto. El cuarto tipo de caja de engranajes se denomina de montaje en eje y se utiliza cuando no es posible montarla a pie. Analizaremos las diferentes posiciones de montaje más adelante. Mientras tanto, tenga en cuenta estas dimensiones al elegir una caja de engranajes para su aplicación. Si dispone de espacio limitado, una caja de engranajes concéntrica suele ser la mejor opción.

Construcción

El diseño y la construcción de una caja de engranajes implican la integración de diversos componentes en una sola estructura. Los componentes de una caja de engranajes deben tener suficiente rigidez y propiedades de amortiguación de vibraciones adecuadas. Las directrices de diseño indican los valores aproximados de los componentes y recomiendan el método de producción. Se utilizaron fórmulas empíricas para determinar las dimensiones de los distintos componentes. Se comprobó que estos métodos pueden simplificar el proceso de diseño. Estos métodos también se utilizan para calcular los desplazamientos angulares y axiales de los componentes de la caja de engranajes.
En este proyecto, utilizamos el software de modelado 3D SOLIDWORKS para crear un modelo tridimensional de un reductor de engranajes. Este software se empleó para simular la estructura de la caja de engranajes y cuenta con potentes herramientas de automatización del diseño. Si bien el reductor y la carcasa son piezas independientes, los modelamos como un solo cuerpo. Para ahorrar tiempo, también eliminamos los elementos auxiliares, como las entradas de aceite y los indicadores de nivel de aceite, del modelo 3D.
Nuestro método se basa en redes neuronales profundas (DBN) con parámetros optimizados. Este modelo posee capacidades de aprendizaje supervisado y no supervisado, lo que le permite ser auto-adaptativo. Este método es superior a los métodos tradicionales, que presentan una extracción de características auto-adaptativa deficiente y una generalización de red superficial. Nuestro algoritmo es capaz de reconocer fallas en diferentes estados de la caja de engranajes utilizando su señal de vibración. Hemos probado nuestro modelo en dos cajas de engranajes.
Gracias a las tecnologías avanzadas de ciencia de materiales, ahora podemos fabricar la carcasa de la caja de engranajes con acero y aleaciones de aluminio de alta calidad. Además, los sistemas telemáticos avanzados han mejorado el tiempo de respuesta de los fabricantes. Se espera que estas tecnologías generen grandes oportunidades en los próximos años e impulsen el crecimiento del mercado de carcasas para cajas de engranajes. Existen diversas formas de construir una caja de engranajes, y estas técnicas son altamente personalizables. En este estudio, analizaremos el diseño y la construcción de varios tipos de cajas de engranajes, así como sus componentes.

Laboral

Una caja de engranajes es un dispositivo mecánico que transmite potencia de un engranaje a otro. Los diferentes tipos de engranajes se denominan engranajes planetarios y se utilizan en diversas aplicaciones. Según el tipo de caja de engranajes, puede ser concéntrica, paralela o en ángulo recto. El cuarto tipo de caja de engranajes es la de montaje en eje. Este tipo se utiliza en aplicaciones donde no es posible el montaje mediante soportes. Las distintas posiciones de montaje se analizarán más adelante.
Muchas guías de diseño recomiendan un factor de servicio de 1,0, que debe ajustarse según las condiciones de servicio reales. Este factor es una medida combinada de la carga externa, la fiabilidad requerida y la vida útil total de la caja de engranajes. En general, los factores de servicio publicados representan los requisitos mínimos para una aplicación específica, pero se requiere un valor mayor para cargas severas. Este cálculo también se recomienda para cajas de engranajes de alta velocidad. Sin embargo, el factor de servicio no debe ser el único factor determinante en el proceso de selección.
El segundo engranaje de un par de engranajes tiene más dientes que el primero. También gira más despacio, pero con mayor par motor. El segundo engranaje siempre gira en sentido contrario. La animación muestra este cambio de dirección. Una caja de cambios también puede tener más de un par de engranajes, y un primer engranaje puede usarse para la marcha atrás. Cuando se cambia de marcha, se engrana el segundo engranaje y se vuelve a engranar el primero.
Otro término utilizado para describir una caja de cambios es «caja de engranajes». Este término es intercambiable para diferentes unidades mecánicas que contienen engranajes. Las cajas de cambios se utilizan comúnmente para modificar la velocidad y el par motor en diversas aplicaciones. Por lo tanto, comprender la caja de cambios y sus componentes es fundamental para mantener el rendimiento de su automóvil. Si desea prolongar la vida útil de su vehículo, asegúrese de verificar la eficiencia de la caja de cambios. Cuanto mejor funcione, menor será la probabilidad de que falle.

Ventajas

Las cajas de cambios automáticas son casi idénticas a las mecánicas, pero incorporan un componente electrónico que optimiza la comodidad del conductor. Utilizan bloques especiales para gestionar los cambios de forma eficaz, teniendo en cuenta la información de otros sistemas y las acciones del conductor. Esto garantiza precisión y posicionamiento. A continuación, se detallan algunas ventajas de las cajas de cambios automáticas:
Una caja de cambios genera una pequeña resistencia al pedalear, pero esta se compensa con el mayor esfuerzo necesario para subir cuestas. El sistema de cambio externo es más eficiente cuando se ajusta para minimizar la fricción, pero no genera tan poca resistencia en condiciones secas. La caja de cambios interna permite a los ingenieros ajustar el sistema de cambio para minimizar los problemas de frenado, el retroceso del pedal y el estiramiento de la cadena. Por lo tanto, una caja de cambios interna es una excelente opción para bicicletas con componentes de alto rendimiento.
Las cajas de engranajes helicoidales ofrecen algunas ventajas, como un bajo nivel de ruido y menor vibración. Además, son muy duraderas y fiables. Se pueden ampliar de forma modular, lo que las hace más caras. Son ideales para aplicaciones con cargas pesadas. Como alternativa, se puede optar por una caja de engranajes con múltiples dientes. Una caja de engranajes helicoidales es más duradera y robusta, pero también más cara. Sin embargo, las ventajas superan con creces las desventajas.
Una caja de cambios manual suele ser más eficiente energéticamente que una automática. Además, estos coches generalmente consumen menos combustible y emiten menos que sus homólogos automáticos. Asimismo, el conductor no tiene que preocuparse por el desgaste prematuro de los frenos. Otra ventaja de la transmisión manual es su precio asequible. Suele estar disponible a un coste menor que la automática, y las reparaciones e intervenciones son más sencillas y económicas. Y si surge algún problema mecánico con la caja de cambios, se puede controlar el consumo de combustible del vehículo con hábitos de conducción adecuados.

Solicitud

Al elegir una caja de engranajes para una aplicación específica, el cliente debe considerar la carga sobre el eje de salida. Las cargas de alto impacto desgastan los dientes de los engranajes y los cojinetes del eje, lo que requiere factores de servicio más elevados. Otros factores a considerar son el tamaño y el tipo del eje de salida, así como el entorno. La información detallada sobre estos factores ayudará al cliente a elegir la caja de engranajes más adecuada. Existen varios programas de dimensionamiento disponibles para determinar la caja de engranajes más apropiada para una aplicación específica.
El dimensionamiento de una caja de engranajes depende de su velocidad de entrada, par motor y diámetro del eje del motor. La velocidad de entrada no debe exceder la capacidad nominal de la caja de engranajes, ya que las altas velocidades pueden provocar un desgaste prematuro de los sellos. Una caja de engranajes con poca holgura puede ser suficiente para una aplicación específica. El uso de un mecanismo de salida del tamaño adecuado puede ayudar a aumentar la velocidad de entrada. Sin embargo, esto no se recomienda para todas las aplicaciones. Para elegir la caja de engranajes correcta, consulte la garantía del fabricante y póngase en contacto con el servicio de atención al cliente.
Las distintas cajas de engranajes presentan diferentes ventajas y desventajas. Una caja de engranajes estándar debe ser duradera y flexible, además de capaz de transmitir el par de forma eficiente. Existen diversos tipos de engranajes, como los de dientes abiertos, helicoidales y rectos. Algunos se utilizan para accionar maquinaria industrial de gran tamaño. Por ejemplo, el tipo más común es la caja de engranajes planetarios. Estas se emplean en equipos de manipulación de materiales, sistemas de transporte, centrales eléctricas, la industria del plástico y la minería. Las cajas de engranajes también se utilizan en aplicaciones de alta velocidad, como cintas transportadoras, trituradoras y sistemas de monorraíl.
Los factores de servicio determinan la vida útil de una caja de engranajes. Generalmente, los fabricantes recomiendan un factor de servicio de 1,0. Sin embargo, el valor real puede ser mayor o menor. Es útil considerar el factor de servicio al elegir una caja de engranajes para una aplicación específica. Un factor de servicio de 1,4 significa que la caja de engranajes puede soportar 1,4 veces la carga requerida. Por ejemplo, una caja de engranajes de 1000 pulgadas-libra necesitaría una de 1400 pulgadas-libra. Los factores de servicio se pueden ajustar para adaptarse a diferentes aplicaciones y condiciones.

Editor por czh 15/02/2023