Un sistema de piñón cremallera es la combinación de un piñón montado en un reductor planetario y una cremallera. Este tipo de accionamientos se utiliza cuando se necesita mover masas de forma lineal, por lo que, al unir el piñón cremallera con el reductor planetario, se conforman los denominados sistemas lineales.

Para el dimensionado de estos sistemas hay que tener en cuenta varios elementos:

• Masa a mover
• Aceleraciones
• Velocidades
• Fuerzas de proceso

Dejando de lado los datos de cálculo convencionales, damos un paso al frente con otros detalles que permitirán que los sistemas lineales tengan un plus de rendimiento y aporten más valor a las máquinas.


Aspectos técnicos del piñón cremallera
 

Los sistemas de piñón cremallera incorporan aspectos técnicos a destacar como:

• Frecuencias internas y rigidez torsional. Es habitual que en el momento de un desplazamiento de un sistema lineal se generen vibraciones en los elementos de la línea dinámica. Estas vibraciones se representan como frecuencias internas. De este modo, cuanto más rígido es el sistema, menores son las vibraciones que, además, pueden repercutir negativamente en el funcionamiento de la máquina y ofrecer unos acabados imprecisos. Incluso se podría dar el caso de un colapso estructural, debido a una resonancia entre estructura y elementos de transmisión de la máquina. La mejor forma de tener un sistema rígido no sólo es montando reductores planetarios de precisión con valores elevados de rigidez torsional, sino jugando con los elementos de transmisión. Y la mejor forma de asegurar una rigidez ideal es emplear siempre un piñón de geometría óptima, junto con una relación de reducción lo más alta posible.
• Piñones pequeños y con menos dientes no es sinónimo de mejores prestaciones. Las fuerzas radiales y axiales que se generan en el piñón al desplazarse por la cremallera son absorbidas por los rodamientos del engranaje planetario. Si estas son muy elevadas pueden llegar a romperlos y puede llevar el reductor planetario a fallo por par de vuelco. Obviamente, si tenemos un diámetro primitivo pequeño, tendremos unas fuerzas menores, con lo cual menor posibilidad de una rotura. A simple vista parecen ventajas, no obstante, al tener pocos dientes, estos tienen una geometría más compleja y la base del dentado es más estrecha. Como consecuencia, seguramente rompan antes por fatiga debido a la sección de material. Otro elemento que reduce notablemente la vida útil del piñón es el cuello de unión al reductor planetario de precisión. Al reducir el diámetro primitivo también se disminuye esa área que, ante una parada de emergencia, sufrirá mucho más que un piñón convencional. Finalmente, hay que fijarse siempre en el brazo de palanca del piñón. Éste es la distancia del centro del piñón a los rodamientos del reductor planetario y, a mayor brazo de palanca, mayor par de vuelco genera la carga axial y radial del piñón. 

En resumen, no sólo hay que determinar el diámetro primitivo, sino en toda una serie de características que pueden repercutir, en gran medida, al buen funcionamiento de un sistema piñón cremallera. Los piñones ultra-pequeños tienen mayor brazo de palanca y una geometría dental muy estrecha en la base lo que es una fuente de posibles roturas prematuras del dentado o de los rodamientos por sobrecarga; así que la solución más óptima es un piñón soldado con un diámetro primitivo pequeño y un brazo de palanca muy corto. 


Tratamiento térmico del piñón cremallera
 

Desde el punto de vista de rendimiento productivo, una de las soluciones que se ofrecen desde WITTENSTEIN es un adecuado tratamiento térmico de la cremallera. Existen dos tipos:

• Templado por inducción
• Templado por cementación

Hay que tener en cuenta que el proceso térmico de una cremallera contribuye, no sólo a valorar sus aspectos técnicos (entre ellos la fuerza de avance, el error de paso y la suavidad de rodadura), sino también a evaluar algunas características adicionales de las cremalleras que no se reflejan en los catálogos.

El endurecimiento por cementación, por ejemplo, logra un perfil de resistencia capaz de soportar tensiones elevadas. La combinación óptima de una capa de carburación y un núcleo duro da como resultado una altísima resistencia al desgaste y la máxima resistencia en la raíz del diente. Esto no se pueden plasmar de forma numérica ni aportan un valor añadido a las transmisiones. Por eso, es importante no fijarse sólo en los datos de los catálogos, sino en cómo el sistema lineal puede aumentar la excelencia en la maquinaria de precisión.

En este sentido, desde WITTENSTEIN SE trabaja con cremalleras de un formato distinto al convencional, alejándose de la idea de las calidades en las propias cremalleras, como puede ser Q7 o Q5, por ejemplo. Esta decisión se ha tomado en base a la ausencia de un órgano regulador europeo que cuantifique el significado de estas condiciones, así como los valores de fuerza de avance o precisión a los que hacen referencia. Por ello, se han creado distintos niveles en los tres valores técnicos fundamentales de las cremalleras. Gracias a esto, se pueden ofrecer sistemas modulares ceñidos a las necesidades de cada aplicación industrial y no sólo a una calidad concreta.

Por este motivo, puesto que un sistema lineal es algo más que la agrupación de diferentes productos, desde WITTENSTEIN SE busca la óptima combinación en conjunto. Para ello, la compañía ha desarrollado un eficaz calculador de frecuencias y rigideces, con el software de dimensionamiento Cymex 5. Esta herramienta calcula dichos valores en función de las dinámicas introducidas para el eje, así como todas las fuerzas y cargas que se generan, pudiendo realizar estimaciones de la vida útil de los equipos y conocer la magnitud de las frecuencias que se generarán durante la actividad de la propia máquina.