Gracias a las altas fuerzas de atracción de los imanes perma­nentes de aleaciones de neodimio disponibles hoy en día, se han vuelto viables las transmisiones magnéticas en las que, en lugar de que se transmitan fuerzas entre dientes de en­granes, se transmitan entre polos magnéticos. Así, surgen los “engranes magnéticos” con imanes en su periferia en vez de dientes. Los imanes se orientan con sus ejes magnéticos en di­rección radial de manera que los polos expuestos presenten polaridades alternantes N y S. Un par de imanes de polarida­des opuestas equivale a un diente de un engrane convencional. Es sorprendente que las transmisiones magnéticas ya están en el umbral de competencia con las de engranes convencionales en cuanto a capacidad de par por unidad de volumen, y pro­meten en algunos casos, superarlas en eficiencia. Las ventajas que presentan son que: no se dañan por sobrecargas, no re­quieren lubricación, prácticamente no tienen desgaste y, son silenciosas.

En la figura 1 se muestran diagramas de transmisiones que constan de un engrane magnético de imanes externos y uno anular de imanes internos. Como es evidente, hay una inte­racción más amplia entre ellos en la transmisión mostrada del lado derecho que en la del lado izquierdo. Dicha interacción es mayor mientras menor sea la diferencia en los diámetros de ambos engranes, aunque también la relación de velocidades se acerca más a la unidad, perdiéndose la posibilidad de utili­zación del arreglo como reductor de velocidad; sin embargo, mediante una inversión del mecanismo, se puede obtener una reducción de velocidad que aumenta al reducirse la diferencia en los diámetros. El resultado de tal inversión es un reductor cicloidal. En él, el engrane anular es fijo, y el engrane de dien­tes externos es impulsado en una órbita circular mediante una manivela de la flecha de entrada de alta velocidad. El radio de la manivela es igual a la excentricidad entre los dos engranes. Así, el movimiento relativo entre ambos engranes, y en parti­cular, la diferencia en sus velocidades angulares queda igual que en el mecanismo original. Entonces, en el mecanismo invertido, dicha diferencia es igual a la velocidad angular del engrane móvil. Este último tiene, además del movimiento ro­tacional, un movimiento de traslación circular a la velocidad de la flecha de entrada. La figura 2 es una fotografía de un re­ductor cicloidal de engranes convencionales. En reductores de ese tipo, usualmente se utiliza un acoplamiento entre el en­grane móvil y la flecha de salida (de baja velocidad) capaz de transmitir mecánicamente el movimiento rotacional de dicho engrane pero no el de traslación orbital del mismo. En dicho acoplamiento, la transmisión de par se hace por medio de un número de pernos axiales distribuidos uniformemente en un disco integrado a la flecha de baja velocidad, los cuales pene­tran en un número igual de agujeros circulares en el engrane móvil. En los reductores cicloidales de engranes magnéticos del Instituto de Ingeniería, se utiliza un acoplamiento de este tipo pero incorporando adicionalmente rodamientos monta­dos en los pernos antes mencionados para reducir la pérdi­da de potencia por fricción entre éstos y las superficies de los agujeros del engrane móvil. Dicha mejora ha sido patentada.

En la figura 3 se muestran una sección transversal y una sec­ción longitudinal del primer prototipo construido.

En los reductores de engranes magnéticos reportados en la literatura, la transmisión de fuerzas ocurre a través de peque­ños claros entre dichos engranes, sin que exista contacto entre ellos. Contrastando con esta característica, en los reductores del Instituto de Ingeniería, existe contacto rodante de la su­perficie externa del engrane móvil y la interna del engrane fijo, debido a que el primero está libre para desplazarse radialmen­te bajo la acción del campo magnético y la fuerza centrífuga, hasta hacer contacto y presionar contra el engrane fijo. Para que pueda haber rodadura entre ambos engranes, los imanes de éstos deben penetrar totalmente en sus alojamientos sin sobresalir de las superficies de contacto entre engranes. Lo anterior presenta las siguientes ventajas: 1) se incrementa la capacidad de transmisión de par, pues se transmite además de una fuerza magnética, una fuerza de fricción entre los en­granes gracias a la fuerza normal de contacto; 2) se elimina la carga radial en el rodamiento donde va montado el engrane móvil; 3) se elimina la necesidad de controlar cuidadosamente la separación entre los imanes de ambos engranes.

Debido al movimiento orbital del engrane móvil, se gene­ra una fuerza de desbalance, lo cual constituye una desventaja del mecanismo cicloidal. En el primer reductor del Instituto de Ingeniería, se elimina este desbalance mediante un contra­peso. La figura 4 es una fotografía de dicho reductor. En otro prototipo, de tipo ligero, mostrado en la figura 5, las cubiertas y la base se fabricaron por impresión 3D en plástico ABS. El desbalance en ese reductor se elimina mediante un sistema, protegido por una patente pendiente, basado en un elemento excéntrico rodante.

En una nueva fase del proyecto, se trabaja en engranes magnéticos que requieren de sólo un imán. En ellos, hay dos discos dentados idénticos de un material de alta permeabili­dad magnética estando el imán, que es de forma anular, entre ambos y concéntrico con ambos. El eje magnético del imán está orientado axialmente, de manera que sus caras planas co­rresponden a los polos Norte y Sur. En vez de un imán anular, se pueden tener varios imanes pequeños igualmente magneti­zados axialmente y distribuidos en la periferia. La transmisión de movimiento y potencia entre dos engranes tales es posible porque el campo magnético que los enlaza obliga a que estén alineados los dientes de uno y otro. Para la protección de este concepto, se ha preparado una solicitud de patente al Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial y otra al US Patent Office. Actualmente se diseña una transmisión planetaria con engra­nes de este tipo.

Reductor de velocidad de gran capacidad de carga, gran reducción y elevada eficiencia

Enrique Chicurel, Filiberto Gutiérrez, Alfredo Corona, Luis González y Carlos Solís

Los reductores de velocidad se usan en prácticamente todas las máquinas industriales porque funcionan a baja velocidad, movi­das por motores de alta velocidad, en su gran mayoría eléctricos.

Nuestro reductor tiene las siguientes ventajas: gran capa­cidad de carga, gran resistencia al desgaste, gran razón de re­ducción y alta eficiencia, es decir, que es ahorrador de energía.

Se puede considerar como una variante de un reductor de sinfín y corona, pero a diferencia de éste, en lugar de la corona, se tiene una cadena roscada, es decir, con eslabones roscados semejan­tes a una tuerca. En lugar del tornillo sinfín se tiene un tornillo impulsor que puede ser un tornillo de rodillos o un tornillo de bolas. El tornillo de rodillos se usa casi exclusivamente en actua­dores mecánicos y es mucho más eficiente que un sinfín. El tor­nillo de bolas es menos eficiente que el tornillo de rodillos pero todavía más eficiente que un sinfín. También estamos desarro­llando otra variante con tornillo convencional de traslación, que para ángulos de avance grandes tiene una eficiencia comparable con la del sinfín, y que, además, tiene la ventaja de ser mucho menos costoso que los tornillos de rodillos y de bolas. Nuestro reductor tiene una capacidad de carga bastante mayor que un reductor de sinfín y corona, para iguales diámetros de las ruedas dentadas (catarinas) del primero y de la corona del segundo, porque el tornillo impulsa a la cadena en un tramo recto de la misma, por lo que involucra a varios cuerpos rosca­dos simultáneamente distribuyendo así la carga entre los mis­mos. La razón de reducción puede ser mucho mayor que la del reductor de sinfín y corona, del orden de 200 a 1, en una sola etapa, porque hay la posibilidad de utilizar un tornillo de rodi­llos, disponible comercialmente, con el paso requerido.

En la actualidad estamos desarrollando una metodología de diseño racional, es decir, de suerte que todas las piezas susceptibles de fallar, fallen al mismo tiempo. Así mismo, es­tamos diseñando las pruebas dinámicas. Como no tenemos un dinamómetro de suficiente capacidad, estamos trabajando en un malacate que levante una carga para hacer las veces de dinamómetro. Cuando emprendimos este proyecto teníamos

una gran duda referente a su funcionamiento cinemático, por lo que nuestro primer prototipo se proporcionó dimensional­mente con el objeto de determinar si su realización, median­te maquinado con control numérico, sería lo suficientemente precisa para este propósito. Quedamos muy sorprendidos por­que el funcionamiento cinemático fue, por demás, satisfactorio hasta una velocidad de 350 rpm.

Para acelerar la realización del prototipo omitimos el diseño de una carcasa, que ahora estamos llevando a cabo.

Actualmente trabajamos en una segunda versión de nuestro reductor, porque en la primera versión se tiene una sola cadena de rodillos con aditamentos semejantes a “orejas”, y el centroide de la superficie roscada de los eslabones está distante de los pernos de la cadena de rodillos, por lo que hay un momento de volteo que tiende a atrancar los cuerpos roscados contra el tornillo (Fig. 4). Además, la cadena de rodillos comercial tiene las orejas demasiado disparejas para nuestro propósito. En la segunda versión se superan estos problemas, (Figs. 2, 3, 5-10).

Hace algún tiempo solicitamos patentes tanto en Mé­xico como en E.U. de la primera versión y ya obtuvimos la patente US 9 234 570 (Fig. 1) pero no la de México, soli­citud MX/a/2013/002354. Ahora estamos involucrados en las solicitudes de patente de nuestra segunda versión, MX/a/2015/006661 y US 14/926,999 (Fig. 2), así como en la defensa de las mismas. La referente a E.U. es particularmente laboriosa y tortuosa.

Deseamos expresar nuestra gratitud al Programa de Apo­yo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica (PAPIIT) por el apoyo recibido en los proyectos: IT106411, IT100714 e IT101217.

Además, se agradece a la Coordinación de Innovación y De­sarrollo (CID) por el apoyo con relación a las patentes.