Una caja de engranajes es una parte muy importante del sistema de transmisión de un AGV o AMR. A menudo se utiliza en ruedas motrices, ruedas de dirección, mecanismos de elevación o rotación. Su función principal es reducir la velocidad del motor, aumentar el par de salida y optimizar el funcionamiento del motor con respecto a la carga real.
Para los robots móviles, simplemente usar un servomotor más grande no siempre es la forma más práctica o rentable de obtener más fuerza motriz. Esto es especialmente cierto para cargas pesadas, movimientos a baja velocidad o aplicaciones con ciclos frecuentes de arranque y parada.
Con la caja de engranajes para AGV o el reductor para AGV adecuados, el sistema puede aumentar el par motor de la rueda sin necesidad de hacer que el motor sea mucho más grande o potente.
Por lo tanto, un reductor para AGV hace mucho más que simplemente reducir la velocidad. La relación de transmisión, el par de salida, el tamaño de instalación, la holgura (backlash), la capacidad de carga radial y la eficiencia pueden afectar la velocidad del vehículo, su capacidad de carga, la precisión del control y la estabilidad operativa.
(Caja de engranajes planetaria con brida de 60 mm)
¿Por qué los AGV y AMR necesitan cajas de engranajes?
Los AGV y AMR tienen algunos requisitos especiales que difieren de muchas máquinas industriales comunes.
El primer problema es el espacio.
Los robots móviles generalmente requieren un chasis bajo. Esto es especialmente cierto para los AMR de perfil bajo, robots de transporte inferior y sistemas de dirección compactos. El espacio para el motor y la caja de engranajes puede ser muy limitado.
La rueda motriz en sí misma tampoco suele ser muy grande, por lo que la caja de engranajes debe proporcionar suficiente reducción y par en un tamaño compacto.
Esta es una de las razones por las que las cajas de engranajes planetarias son ampliamente utilizadas en los AGV. Pueden proporcionar un par elevado en un espacio relativamente pequeño.
El segundo problema es la carga en el lado de la rueda.
En muchos sistemas AGV, la caja de engranajes se instala muy cerca de la rueda motriz, o incluso integrada en la estructura de la rueda. Por lo tanto, el lado de salida no solo puede transmitir par, sino que también puede soportar parte del peso del vehículo.
Debido a esto, el rodamiento de salida, la rigidez de la carcasa y el diseño del montaje de la rueda son factores importantes.
Los AGV también arrancan, aceleran, desaceleran, se detienen, dan marcha atrás y giran muchas veces durante su funcionamiento normal.
Este tipo de ciclo de trabajo impone cargas repetidas sobre los engranajes y rodamientos. Si la caja de cambios tiene demasiada holgura o un mal engranaje, puede afectar el movimiento a baja velocidad, la respuesta de la dirección y la precisión de posicionamiento repetitivo.
Por esta razón, un reductor para AGV normalmente necesita un buen equilibrio entre tamaño compacto, alta densidad de par, buena eficiencia, baja holgura, capacidad de carga radial y fiabilidad a largo plazo.
Tipos comunes de cajas de engranajes para AGV y AMR
En cuanto a la estructura de transmisión, las cajas de engranajes planetarias siguen siendo una de las opciones más comunes para AGV y AMR.
En algunas aplicaciones especiales, también pueden utilizarse estructuras cicloidales, de ejes paralelos o de tornillo sin fin.
Caja de engranajes planetaria
Una caja de engranajes planetaria está compuesta principalmente por un engranaje solar, engranajes planetarios, una corona y un porta-planetas.
Debido a que varios engranajes planetarios comparten la carga, la caja puede transmitir un par relativamente alto manteniendo un tamaño compacto.
Sus ventajas principales son simples:
-
Estructura compacta
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Alta eficiencia de transmisión
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Buena rigidez
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Alta densidad de par
-
Opciones de baja holgura
-
Fácil integración con servomotores
Debido a esto, la caja de engranajes planetaria se utiliza ampliamente en ruedas motrices de AGV, sistemas de dirección, transmisiones de cubo de rueda, mecanismos de elevación y otros sistemas de movimiento servoasistidos.
Una caja de engranajes planetaria para aplicaciones de servomotores también puede diseñarse con diferentes disposiciones según el espacio disponible.
Por ejemplo, una caja de engranajes planetaria en línea estándar funciona bien cuando hay suficiente espacio axial.
Si el AGV tiene espacio limitado, una caja de engranajes planetaria en ángulo recto puede cambiar la dirección de instalación del motor y ayudar a reducir la longitud total del sistema de transmisión.
Para AGV de perfil bajo, una caja de engranajes de 90 grados para AGV puede ser muy útil, ya que el motor y el eje de salida no necesitan estar en la misma línea.
Un reductor planetario de cubo de rueda va un paso más allá al colocar el sistema de reducción más cerca, o dentro, de la rueda. Esto acorta toda la estructura de accionamiento y ayuda a ahorrar espacio de instalación.
Estos diseños parecen diferentes, pero aún se basan en la transmisión por engranajes planetarios.
Para proyectos que requieren mayor precisión, se puede utilizar un reductor planetario de precisión para reducir la holgura y mejorar el rendimiento de la dirección o el posicionamiento.
Algunas aplicaciones con servomotores también utilizan un reductor planetario helicoidal para mejorar la suavidad de funcionamiento y el engrane.
Reductor cicloidal
Un reductor cicloidal utiliza un disco cicloidal y una estructura de pines para la transmisión.
Puede proporcionar una gran relación de reducción y un par elevado en un tamaño relativamente compacto. También posee buena rigidez y resistencia a los golpes.
En comparación con una caja de engranajes planetaria estándar, un reductor cicloidal puede ser útil en aplicaciones que requieren una relación alta, gran rigidez o mucho par.
Puede utilizarse en algunas unidades giratorias de robots, sistemas de dirección o mecanismos de trabajo pesado.
Sin embargo, deben considerarse el diseño, la precisión de mecanizado, la estructura de los rodamientos, la calidad de ensamblaje, la vibración y el ruido.
Por lo tanto, un reductor cicloidal no siempre es la primera opción para las ruedas motrices normales de AGV.
Reductor de engranajes de ejes paralelos
Un reductor de ejes paralelos utiliza generalmente varias etapas de engranajes rectos o helicoidales.
La estructura es madura y relativamente sencilla de fabricar. Puede ser una buena opción cuando hay suficiente espacio y el proyecto es más sensible al costo.
Sin embargo, cuando un AGV necesita una relación de reducción más alta y un tamaño compacto al mismo tiempo, un diseño de ejes paralelos de múltiples etapas puede resultar voluminoso.
Es por eso que las estructuras planetarias suelen ser más adecuadas para los AMR compactos.
Otros tipos de reductores
Algunas unidades de elevación de AGV, mecanismos de ajuste o sistemas de movimiento de baja frecuencia también pueden utilizar reductores de tornillo sin fin.
Una estructura de tornillo sin fin puede proporcionar una gran relación de reducción y permitir una transmisión de 90 grados.
Algunos diseños ofrecen un efecto de autobloqueo.
Sin embargo, la eficiencia del tornillo sin fin suele ser menor que la de una caja de engranajes planetaria, y el calor puede ser más notable durante un funcionamiento continuo prolongado.
También existen otros reductores de precisión, como el reductor armónico, el accionamiento armónico y el reductor RV.
Estos son más comunes en articulaciones robóticas, ejes giratorios de precisión u otros mecanismos de alta exactitud. No son la opción principal para los sistemas de accionamiento de ruedas estándar de los AGV.
Por lo tanto, no existe una única caja de engranajes "mejor" para cada AGV.
Para la mayoría de los sistemas de accionamiento de AGV, las cajas de engranajes planetarias siguen siendo la elección común porque ofrecen un buen equilibrio entre eficiencia, tamaño, par y costo.
Otros tipos de cajas de engranajes se utilizan cuando la aplicación requiere una relación, diseño, capacidad de carga o función de movimiento especiales.
Cómo elegir la relación de transmisión del AGV
La relación de transmisión es uno de los parámetros más importantes al elegir una caja reductora para AGV, pero no puede seleccionarse de forma aislada.
La velocidad objetivo del vehículo, el diámetro de la rueda y la velocidad del motor están directamente relacionados.
Normalmente, primero calculamos la velocidad de la rueda basándonos en la velocidad objetivo del vehículo y el diámetro de la rueda, y luego calculamos la relación de la caja de engranajes a partir de la velocidad del motor.
La velocidad de la rueda se puede estimar mediante:
n = 60v πD
Donde:
- v = velocidad del AGV en m/s
- D = diámetro de la rueda motriz en metros
- n = velocidad de la rueda en rpm
Por ejemplo, si un AGV utiliza una rueda motriz de 210 mm y la velocidad objetivo es de 1 m/s, la velocidad de la rueda es de aproximadamente 91 rpm.
Si la velocidad nominal del servomotor es de 3000 rpm, la relación teórica es:
[3000÷91≈33]
Por lo tanto, una relación de aproximadamente 30:1 o ligeramente superior puede ser un punto de partida razonable.
Pero la selección final no puede basarse solo en este número.
Todavía debe considerar la velocidad real del motor, la velocidad máxima del vehículo, el par de arranque, la pendiente, la aceleración, la eficiencia de la caja de engranajes y las relaciones estándar disponibles.
¿Por qué no simplemente reducir la velocidad del motor?
Existe un problema común en los sistemas de accionamiento de AGV.
La rueda motriz generalmente no es muy grande, pero la velocidad nominal del servomotor a menudo es bastante alta.
Muchos servomotores funcionan a unas 3000 rpm, mientras que los AGV normalmente viajan a una velocidad mucho menor.
Si el diámetro de la rueda motriz es de entre 150 y 380 mm, la relación de engranajes requerida puede cubrir un rango bastante amplio.
Pero una caja de engranajes estándar no siempre puede proporcionar una relación alta y mantener un tamaño muy compacto.
Debido a esto, algunos AGV simplemente reducen la velocidad real del servomotor para controlar la velocidad del vehículo.
Esto puede funcionar, pero puede que no sea la mejor solución.
Si el motor funciona durante mucho tiempo muy por debajo de su velocidad nominal, es posible que no opere en su mejor rango de eficiencia. El par continuo, el calor y el uso general de energía también pueden ser menos ideales.
Otra solución es utilizar más etapas de reducción.
Esto puede proporcionar una relación de transmisión más alta, pero más etapas también pueden aumentar la longitud, la complejidad estructural y el costo de la caja de engranajes.
Por lo tanto, para un AGV o AMR, el objetivo no es simplemente obtener la mayor relación posible.
Un buen reductor o caja de engranajes para servomotores debe encontrar un equilibrio entre relación de transmisión, tamaño, eficiencia, par de salida y costo.
El par de salida y la relación de transmisión deben considerarse juntos
Una relación de reducción más alta puede aumentar el par de salida, pero una relación más alta no siempre es mejor.
El par de salida de la caja de engranajes se puede estimar aproximadamente mediante:
-
Tout = Tmotor × i × η
Donde:
- Tmotor = par del motor
- i = relación de transmisión
- η = eficiencia de la caja de engranajes
- Tout = par de salida
Si la relación aumenta, el par de la rueda aumenta, pero la velocidad de salida máxima disminuye.
Para un AMR de alta velocidad, una reducción excesiva puede limitar la velocidad máxima.
Para un AGV de trabajo pesado, una reducción insuficiente puede no proporcionar suficiente par a la rueda.
Por lo tanto, es necesario verificar tanto el par nominal como el par máximo.
Durante el desplazamiento normal a velocidad constante, es posible que el AGV no necesite mucho par.
Pero durante el arranque, la aceleración, el ascenso, el cruce de obstáculos o cambios bruscos de carga, la demanda de par puede aumentar considerablemente.
Si una caja de engranajes para servomotor se selecciona solo basándose en el par de funcionamiento normal, el uso a largo plazo puede provocar desgaste en los engranajes, un aumento del juego (backlash) o una carga excesiva en los rodamientos.
La instalación, la carga radial y la precisión también importan
La selección de la caja de engranajes no se trata solo de la relación y el par.
La estructura de instalación también importa.
Para una rueda motriz, el lado de salida de la caja de engranajes puede soportar directamente parte del peso del vehículo. Por lo tanto, la capacidad de carga radial es muy importante.
Si la rueda está montada lejos del rodamiento de la caja de engranajes, la carga sobre el rodamiento de salida es aún mayor.
Para los sistemas de dirección, el juego también es importante.
Si la caja de engranajes tiene demasiado juego, la respuesta de la dirección puede volverse más lenta y el control a baja velocidad o el posicionamiento repetitivo pueden volverse menos estables.
En este caso, una caja de engranajes planetaria de precisión o una caja de engranajes para servomotor de bajo juego pueden ser más adecuadas.
Para los sistemas de elevación, los puntos principales son diferentes. El par de salida, la capacidad de retención, el ciclo de trabajo y la carga de choque suelen ser más importantes.
Por lo tanto, aunque dos cajas de engranajes tengan la misma relación y par nominal, es posible que no sean igualmente adecuadas para el mismo AGV.
Es necesario verificar el tamaño de montaje, el diseño del eje de salida, la carga radial, el juego y el ciclo de trabajo.
Soluciones de cajas de engranajes HKT ROBOT para AGVs y AMRs
Fundada en 2013, HKT ROBOT se ha comprometido a proporcionar soluciones integrales para AGVs y AMRs, incluyendo servomotores para AGV, cajas de engranajes, ruedas motrices, ruedas motrices de dirección, unidades de tracción diferencial y más, ganándose la confianza de clientes de todo el mundo.
Debido al espacio limitado disponible para las ruedas y la alta velocidad de rotación de los motores, simplemente aumentar el número de etapas de reducción haría que la caja de engranajes fuera más grande y aumentaría el costo. Por ello, nos enfocamos en lograr la mejor combinación entre velocidad del motor, relación de engranajes, par en el extremo de la rueda y espacio de instalación.
Nuestras cajas de engranajes cuentan con un juego extremadamente bajo, de hasta 3 arcmin, lo que ofrece un rendimiento de transmisión de alta precisión. Su estructura compacta y ligera es ideal para espacios de instalación limitados, mientras que la alta densidad de par les permite manejar cargas pesadas y condiciones operativas complejas. La vida útil de diseño puede alcanzar hasta 20,000 horas, con un diseño libre de mantenimiento y fácil de usar. Además, las cajas de engranajes ofrecen una alta compatibilidad con diferentes servomotores y pueden proporcionar hasta protección IP65 contra agua y polvo según las exigentes condiciones y entornos operativos, asegurando un funcionamiento estable a largo plazo.
Para diferentes ruedas motrices, ruedas de dirección y estructuras de cubo, consideramos de manera integral factores como la velocidad nominal del motor, el diámetro de la rueda, la velocidad objetivo del vehículo, la carga y el espacio disponible para combinar la caja de engranajes más adecuada.
Si está comenzando un nuevo proyecto de AGV y necesita una caja de engranajes planetaria, envíenos el peso de su vehículo, la carga útil, la velocidad objetivo, el diámetro de la rueda y el espacio de instalación disponible. Nuestro equipo está disponible las 24 horas del día, los 7 días de la semana, para ayudarle a seleccionar la caja de engranajes adecuada para su aplicación.
Conclusión
La caja de cambios es una pieza clave entre el motor y la carga final en un sistema de accionamiento AGV o AMR.
Una buena caja de cambios hace algo más que reducir la velocidad.
Ayuda al motor a trabajar en un rango de velocidad más adecuado, proporcionando al mismo tiempo el par de rueda necesario y cumpliendo con los requisitos del vehículo en cuanto a velocidad, espacio, precisión, carga y eficiencia.
Para la mayoría de los sistemas de accionamiento de AGV y AMR, las cajas de cambios planetarias siguen siendo una opción muy común porque ofrecen un buen equilibrio entre densidad de par, eficiencia de transmisión, tamaño compacto y fácil integración con el servomotor.
Para aplicaciones que requieren una mayor relación, mayor rigidez o una estructura especial, también se pueden considerar los reductores cicloidales, de eje paralelo, de tornillo sin fin, armónicos o RV.
La selección final de la caja de cambios siempre debe basarse en el sistema de accionamiento completo.
El motor, la caja de cambios, el diámetro de la rueda, la carga del vehículo, la velocidad y el espacio de instalación deben estar coordinados entre sí.
HKT ROBOT proporciona cajas de cambios planetarias para AGV/AMR, reductores de cubo de rueda, servomotores, ruedas motrices, unidades de dirección y sistemas de accionamiento relacionados.
Si está desarrollando un nuevo proyecto de AGV o AMR, puede enviarnos el peso del vehículo, la carga útil, la velocidad objetivo, el diámetro de la rueda, la pendiente, los parámetros del motor y el tamaño de la instalación. Podemos ayudarle a verificar la relación de transmisión y la configuración de accionamiento necesarias.
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