Guía de diseño de reductores cicloidales

Cómo funciona un reductor cicloidal

Un reductor cicloidal convierte una entrada rápida en una salida lenta y fuerte en una sola etapa. El motor gira una excéntrica que hace oscilar un disco lobulado dentro de un anillo de pasadores fijos. Como el disco tiene un lóbulo menos que pasadores, cada vuelta del motor lo hace retroceder exactamente un lóbulo.

Los pasadores de salida atraviesan agujeros del disco y recogen su giro lento. Resultado: relación de reducción = número de pasadores − 1, y la salida gira en sentido contrario al motor. Con 21 pasadores obtienes 20:1.

Elegir la relación, los pasadores y la excentricidad

La relación fija el número de pasadores. Más pasadores necesitan un círculo mayor para dejar al menos 1 mm entre pasadores vecinos.

La excentricidad da forma a los dientes. Debe quedar por debajo del radio del círculo de pasadores dividido entre su número, o el perfil del disco se pliega. Apunta al 60–90 % de ese límite: poca da dientes planos que pueden saltar, demasiada da lóbulos afilados. Los pasadores gruesos también afilan los lóbulos; Torque avisa cuando un pasador se acerca al límite de socavado.

Un círculo de pasadores mayor es la forma más eficaz de transmitir más par: las fuerzas en los pasadores bajan con el radio.

Adaptar tu motor

Par de salida ≈ par del motor × relación × eficiencia. Usa el par que entrega el motor bajo carga, no el de retención. Velocidad de salida = velocidad del motor ÷ relación.

Los motores paso a paso sirven para bajas velocidades y relaciones altas. Los motores CC y BLDC giran rápido, así que un rodamiento de bolas en la excéntrica es imprescindible: un cojinete liso impreso se sobrecalienta a alta velocidad. La comprobación de resistencia lo muestra como un fallo del rodamiento de la excéntrica.

Materiales, impresión y holgura

El PETG es una buena opción por defecto. El nailon y el nailon-CF resisten mejor el desgaste y los golpes; el PLA es rígido pero frágil y se ablanda con el calor. Imprime macizos los discos, la excéntrica y la salida (100 % de relleno o muchas paredes): la comprobación supone piezas macizas.

La holgura de impresión es el hueco entre piezas móviles. Empieza con 0,2 mm. Si la excéntrica aprieta demasiado en el eje o los discos se atascan, súbela 0,05 mm; si el reductor tiene demasiado juego, bájala. Imprimir primero la excéntrica es una prueba de ajuste rápida.

Rodamientos y tornillería

Los pasadores cilíndricos de acero (ISO 8734) son baratos y mucho más fuertes que los impresos: úsalos para los pasadores y los pasadores de salida siempre que puedas. Un rodamiento de bolas en cada lóbulo de la excéntrica reduce mucho la fricción y el desgaste; un rodamiento opcional en la tapa soporta la salida.

La lista de materiales del diseñador indica cada pasador, rodamiento y tornillo con su medida y cantidad.

Montaje

1. Prueba la excéntrica en el eje del motor.
2. Atornilla la carcasa al motor; las cabezas quedan en los avellanados.
3. Inserta a presión los pasadores en la carcasa.
4. Coloca la excéntrica en el eje y monta sus rodamientos.
5. Pon los discos; con dos discos, gira el segundo hasta que engrane.
6. Inserta la salida para que sus pasadores atraviesen los agujeros de los discos.
7. Coloca la tapa y aprieta los tornillos de montaje de forma pareja.
8. Engrasa ligeramente y gira a mano: debe girar suave.

Interpretar la comprobación de resistencia

Para el par de tu motor, Torque estima la presión de contacto entre pasadores y discos, la flexión de los pasadores y de los pasadores de salida, la carga en el rodamiento de la excéntrica y la torsión del eje del motor, la unión del eje y la salida.

Cada comprobación recibe un factor de seguridad: cuántas veces la carga actual puede soportar la pieza. Verde cumple tu objetivo, amarillo aguanta pero por debajo del objetivo, rojo probablemente se romperá. El par nominal es el par de salida con el que la pieza más débil alcanza tu objetivo. Son estimaciones de diseño con fórmulas estándar; prueba siempre un reductor impreso antes de confiar en él.

Exportar a CAD

Los archivos STL están listos para laminar. Los STEP conservan círculos reales y se abren en Fusion 360, SolidWorks, Onshape o FreeCAD para seguir editando. El script de Fusion 360 reconstruye todo el montaje como componentes editables: en Fusion abre Utilidades › Scripts y complementos, añade la carpeta del script y pulsa Ejecutar.

El kit completo lo reúne todo, junto con la lista de materiales y un README con estos pasos.

Trenes de engranajes compuestos

Un tren de engranajes compuesto encadena etapas de engranajes rectos: un piñón pequeño mueve una rueda grande, unida al piñón siguiente (una rueda intermedia). Las relaciones se multiplican: tres etapas de 3:1 dan 27:1. Cada rueda intermedia gira sobre un eje de acero fijo.

Torque genera engranajes de evolvente con desplazamiento de perfil automático para piñones pequeños, para que los dientes no queden socavados. La holgura de impresión se convierte en el juego entre dientes. Módulos mayores y dientes más anchos transmiten más par; la comprobación de resistencia indica la etapa más débil.

Reductoras planetarias

Una etapa planetaria tiene un sol en el centro, de tres a seis satélites a su alrededor en un portasatélites y una corona con dentado interior. El motor mueve el sol, la corona está fija en la carcasa y el portasatélites gira despacio: la relación es 1 + dientes de la corona / dientes del sol, normalmente de 3:1 a 10:1. Las etapas apiladas se multiplican: dos etapas de 5:1 dan 25:1 en un solo eje.

Todos los satélites reparten la carga, por eso las reductoras planetarias son compactas y resistentes. Los satélites deben estar equiespaciados, así que sol + corona debe ser divisible por el número de satélites; Torque lo comprueba y gira cada satélite a su posición de engrane en el ensamblaje exportado. Cada satélite gira sobre un eje sujeto por el plato del portasatélites y un anillo retenedor, idealmente con un pequeño rodamiento de bolas.

Doble corona para relaciones extremas

Un accionamiento de doble corona (Wolfrom) usa satélites largos que engranan con dos coronas: una fija y una de salida con unos dientes menos. Cada vuelta del portasatélites solo mueve la corona de salida la diferencia de dientes, así que una etapa alcanza de 50:1 a 1000:1: relación = (1 + corona fija / sol) / (1 − corona fija / corona de salida).

La corona de salida lleva corrección de perfil para que ambas coronas engranen los mismos satélites. El precio de esta enorme relación es el rendimiento: mucha potencia circula entre las dos coronas, cuenta con un 30–60 % con engranajes impresos. También cuesta mover el accionamiento desde la salida, algo a menudo deseable en una articulación robótica o un cabrestante.

Reductoras de tornillo sin fin

Un tornillo sin fin es un tornillo en el eje del motor. Cada vuelta hace avanzar la rueda un diente por entrada, así que la relación es dientes de la rueda / entradas, normalmente de 10:1 a 80:1 en una sola etapa, con la salida a 90° del motor. Torque diseña un tornillo de evolvente y una rueda helicoidal con el mismo ángulo de avance: ambos se imprimen en plano como extrusiones torsionadas y engranan sin interferencias.

Los dientes deslizan en lugar de rodar, por lo que el rendimiento es menor que con engranajes rectos: un 30–45 % con una entrada y hasta un 70–80 % con cuatro. Si el ángulo de avance es menor que el ángulo de rozamiento, la reductora es autoblocante: la carga no puede girar el motor, algo útil en elevadores y cabrestantes. El deslizamiento genera calor, así que Torque comprueba que la carcasa pueda disiparlo. Engrasa bien el tornillo.

¿Qué reductora elijo?

Elige la reductora cicloidal para el máximo par en el mínimo espacio, salida coaxial y cargas de impacto como en articulaciones robóticas. Elige el tren de engranajes compuesto para las piezas más sencillas, cualquier relación en 1 a 4 etapas y una salida junto al motor. Elige una reductora planetaria para relaciones coaxiales de 3:1 a 1000:1: etapas apiladas para buen rendimiento, doble corona para relaciones extremas en una sola etapa compacta. Elige un tornillo sin fin para una salida en ángulo recto, de 10:1 a 80:1 en una etapa silenciosa, y una carga que deba sostenerse sola con el motor parado.