MECÁNICA
DEL MICRORRASTREADOR
Capítulo 1:
Sistema motriz del microrrobot.
Engranajes y desmultiplicaciones.
El motor es el dispositivo que hace moverse al robot y su
movimiento de rotación ha de transmitirse a las ruedas. Esto se consigue
mediante la transmisión, que está formada por una serie de engranajes que, como
mínimo han de incluir un piñón y una corona. El piñón está unido al motor y la
corona directa o indirectamente a las ruedas.
Si el piñón y la corona tuvieran el mismo número de dientes, la relación de transmisión sería de 1/1, es decir, que por cada vuelta que diese el eje del motor las ruedas también darían una, pero esto en la práctica sería inconveniente, ya que al motor le costaría mucho vencer la resistencia inicial para hacer que el robot se pusiera en movimiento.
Por ello en los robots y para vencer la
resistencia, las ruedas siempre han de dar menos vueltas que el motor. A esta
disminución del número de vueltas es a lo que se denomina relación de
desmultiplicación o para abreviar simplemente relación ó desmultiplicación.
Para conseguir la desmultiplicación se utiliza una corona que tenga más dientes
que el piñón, por ejemplo, si utilizamos un piñón de 20 dientes y una corona de
100, al dividir 20 entre 100 obtenemos 1/5, que indica que por cada vuelta que
dé el motor las ruedas darán 1/5 de vuelta. En este caso se dice que la
relación de desmultiplicación es de 5:1, que son las vueltas que ha de dar el
motor para que las ruedas den 1 vuelta. Dicho de otro modo: cada giro del motor
se reduce en 5 veces y en la misma proporción aumenta la fuerza. Esta es la
forma de calcular la desmultiplicación.
Este aumento de fuerza que hemos puesto en este ejemplo, es
apropiado para los robots de pista pero no lo es para los robots todoterreno,
que pesan mucho más y necesitan más aceleración. Por ello llevan una serie de
engranajes interpuestos entre la corona y las ruedas. Estos van situados dentro
de una caja de transmisión y proporcionan una desmultiplicación adicional. Por
ello, esta relación de la caja de transmisión, que se denomina relación
interna, ha de multiplicarse por la del piñón/corona que vimos anteriormente
para obtener así la desmultiplicación final. El factor de desmultiplicación
interna es fijo para cada modelo de robot y depende de los dientes de los
piñones que se encuentran en el interior de dicha caja. Por ello la fórmula
completa a aplicar es la siguiente:
Desmultiplicación final = (Nº de dientes corona / Nº
de dientes piñón)
X desmultiplicación de la transmisión.
Veamos un ejemplo de como calcular la desmultiplicación
final de un robot eléctrico:
1ª. Fase: ¿ Cuál es el número de dientes de la corona y del piñón que un robot necesitaría ?.
Por ejemplo una corona de 95 dientes y un piñón de 19. Dividimos
los de la corona por los del piñón 95/19 = 5. Este número lo multiplicamos por la
desmultiplicación interna del robot, que por ejemplo es de 2, y 5 x 2, = 10,
por lo que la desmultiplicación final será de 10:1.
Esto significa que las ruedas girarán 10 veces más lentas que el
motor, es decir si el motor girase a 30.000 revoluciones por minuto (RPM), las
ruedas darían 3.000 RPM, pero las ruedas tendrían también 10 veces más fuerza.
2ª.
Fase: ¿Pero, cómo sabemos la relación interna de nuestro modelo?
También podríamos calcular la relación interna nosotros mismos.
Para ello abrimos la caja de transmisión y contamos los dientes de los
engranajes internos. Si se tratara de una transmisión por correa, la
desmultiplicación será el resultado de dividir el número de dientes de la polea
más grande por el de la más pequeña. Para una transmisión de tres piñones la
desmultiplicación se obtiene dividiendo el número de dientes del piñón superior
por el del inferior, el intermedio no tiene efecto en la relación interna de la
transmisión, es el llamado piñón loco.
Factores
a tener en cuenta al elegir la relación.
Con una sola relación de desmultiplicación se debe alcanzar el
mejor compromiso entre aceleración y velocidad máxima para un determinado
circuito, siempre en función del motor del que dispongamos y de la capacidad de
las baterías que utilicemos. Para llegar a la relación de desmultiplicación
adecuada el piloto puede cambiar el piñón y/o la corona, cambios que se pueden
realizar fácilmente en la gran mayoría de los coches modernos, por ejemplo.
Si deseamos obtener una mayor aceleración hemos de disponer de
una mayor desmultiplicación, de esta forma a igualdad de revoluciones del motor
las ruedas girarán menos vueltas y el coche tendrá más fuerza. Por ejemplo, una relación de transmisión de
11,18 proporciona más aceleración que una de 10, ya que por cada vuelta del
motor la rueda se mueve sólo 1/11,18 vueltas en lugar de 1/10. En el lenguaje
habitual se dice que la relación de 11,18:1 es más corta que la de 10,00. Para
obtener relaciones más cortas hemos de utilizar un piñón de menos dientes o una
corona de más dientes. Recordemos que para la relación de 10,00 utilizábamos
una corona de 95 dientes y un piñón de 19, pues para obtener la de 11,18:1 en
un móvil hemos de utilizar un piñón de 17 dientes (95/17 = 5,59, x 2,00 de la
relación interna = 11,18).
Si por el contrario hablamos de la velocidad, en el caso de un
motor que girase a 30.000 r.p.m. con la desmultiplicación de 10 las ruedas
girarían a 3.000 r.p.m, mientras que con la de 11,18 girarían a 2.680, por lo
que para obtener una mayor velocidad máxima, emplearíamos la relación más
larga, en este caso la de 10 y para ello utilizaríamos el piñón de más dientes
(o una corona de menos).
A la hora de escoger la relación adecuada, además de tener en
cuenta la aceleración y velocidad, no hay que olvidar el consumo, ya que las
baterías han de durar en competición.
En general, una relación larga (valores bajos de
desmultiplicación) hará que las baterías duren menos, ya que el coche gastará
más energía mientras acelera hasta llegar a la velocidad máxima. Por ello, si
las baterías no duran el tiempo necesario, hemos de pasar a una relación más
corta (recordar: piñón de menos dientes o corona de más).
Otro factor que influye en la elección de la relación adecuada
es el circuito, ya que si hay mucho agarre los consumos serán más elevados y
habrá que utilizar una relación más corta para compensar. Por el contrario en
los circuitos deslizantes el consumo es mucho menor y se podrán emplear
relaciones más largas que además ayudarán a tener aceleraciones más suaves. Si
el circuito es muy revirado, con pocas rectas, hay que usar una relación corta
para tener más aceleración, por el contrario en un circuito con muchas rectas
hay que utilizar relaciones largas para tener más velocidad punta.
Otro factor es el estado del circuito, en todo terreno si está
mojado habrá más consumo que si está seco.
El engranaje correcto.
Para que la potencia del motor se transmita adecuadamente, es
necesario que el piñón y la corona engranen bien y para ello han de estar cerca
pero no demasiado, es decir, han de tener un pequeño juego.
Si están demasiado juntos y por tanto apretados, el motor tendrá
que hacer más esfuerzo, por lo que se calentará más y correrá menos, además los
dientes metálicos del piñón pueden aplastar a los de plástico de la corona y
dañarla.
Si están demasiado separados la corona también se podrá
estropear rápidamente al chocar sus dientes con los del piñón. Un truco que se
recomienda para los que están empezando, es colocar un trozo de papel entre el
piñón y la corona, se apretarán ambos y luego se atornillarán los tornillos del
motor. Al quitar el papel quedará un pequeño juego entre ambos. Esto puede
servir de orientación hasta que tengamos la experiencia necesaria para poder
percibir la distancia apropiada entre ambos. Al final cogeremos el tacto para
que al mover ligeramente la corona, apreciemos un pequeño juego antes de que el
piñón empiece a moverse.
Hemos de fijarnos en que el pequeño juego entre el piñón y la
corona se mantenga cuando estén los tornillos del motor totalmente apretados,
ya que al apretarlos el motor podría moverse y no conservar la distancia
apropiada. Los tornillos del motor han de ser apretados con fuerza y no olvidar
colocar las arandelas correspondientes, ya que debido a las vibraciones un
motor poco apretado podría separarse durante la marcha, lo que estropearía los
dientes y nos podría hacer abandonar la carrera.
Para disminuir ruidos y aumentar la eficacia de los engranajes, se recomienda
usar ambos del mismo fabricante, ya que aunque ambos sean del mismo paso, las
diferentes compañías tienen sus propias máquinas y los perfiles de los dientes
no siempre coinciden exactamente. En un correcto ajuste también influye que el
número total de dientes de piñón y corona sean lo más cercanos posible, por
ejemplo, para una relación final muy similar, es mejor emplear un piñón de 16
con una corona de 89 que uno de 17 con una corona de 95, ya que en el primer
caso es más fácil el ajuste del piñón y corona. Sin embargo, no hay que
utilizar piñones con un número de dientes demasiado bajo, ya que estos tienen
un menor diámetro y la distancia entre la parte superior de los dientes es
mayor, lo que hace que al estar más separados engranen más difícilmente con los
de la corona.
Un diente en buenas condiciones debe ser plano en su parte
superior y redondeado en sus lados. Si tiene una forma puntiaguda quiere decir
que se ha deteriorado y ha de ser reemplazado, porque en caso contrario dañará
al engranaje contrario. En general es más fácil que se estropeen las coronas
(plástico) que el piñón (metal), pero ambos pueden dañarse, sobre todo si estos
últimos son de aluminio.
Una
última recomendación, para conservar la integridad del piñón y corona es la de
utilizar la tapa protectora. Esta evitará que piedrecitas y polvo estropeen los
engranajes y el motor.