La densidad de par de los reductores planetarios puede llegar a ser aproximadamente un 46 % superior a la que ofrecen los diseños de ejes paralelos, principalmente porque distribuyen la carga entre varios engranajes planetarios. Esto los hace especialmente eficientes para vehículos eléctricos, permitiendo una mejor aceleración del automóvil y reduciendo el peso del tren motriz entre un 14 % y un 22 %. Una investigación de 2023 sobre cómo maximizar la densidad de potencia reveló también algo interesante: las configuraciones compactas de engranajes planetarios ahorran alrededor de 8 a 12 centímetros cúbicos de espacio por cada kilovatio producido por el motor. Eso puede no parecer mucho, pero en realidad es bastante importante al diseñar vehículos eléctricos llenos de baterías.
Los engranajes planetarios, gracias a su diseño de distribución de carga, pueden manejar aproximadamente un 33 % más de par motor en comparación con configuraciones regulares de engranajes helicoidales, ocupando exactamente el mismo espacio. Cuando los fabricantes son creativos con las formas de los dientes de los engranajes y la colocación de los rodamientos, alcanzan valores de par entre aproximadamente 1.650 y 2.200 newton metros dentro de esas carcasas compactas de 9,5 litros. Esto equivale a unos 21,3 Nm por centímetro cúbico según los cálculos. Tomemos como ejemplo a BorgWarner, una de las grandes empresas del sector. Han demostrado mediante pruebas reales que sus sistemas inteligentes de refrigeración mantienen la potencia estable incluso cuando los motores trabajan arduamente subiendo pendientes pronunciadas o transportando cargas pesadas durante largas distancias. Este tipo de gestión térmica marca toda la diferencia para mantener el rendimiento en condiciones operativas exigentes.
El motor de engranajes planetarios de corriente continua combina motores sin escobillas de alta velocidad con reductores de múltiples etapas, todo integrado en espacios tan pequeños como 120 por 180 milímetros. Este tipo de diseño compacto facilita mucho su instalación en configuraciones modulares de patinetas. A finales del año pasado, aproximadamente cuatro de cada cinco vehículos eléctricos nuevos comenzaron a utilizar estos motores planetarios directamente acoplados para sus ruedas traseras. En lo que respecta a los modelos de tres etapas, pueden manejar reducciones de engranajes que van más o menos desde 18 a 1 hasta 34 a 1. Lo impresionante es su buen rendimiento incluso bajo diferentes condiciones de temperatura, manteniendo tasas de eficiencia mecánica entre el 92 % y algo más del 94 %. Este nivel de desempeño es muy importante al diseñar sistemas de transporte eficientes.
La eficiencia mecánica de los sistemas de engranajes planetarios suele alcanzar aproximadamente entre el 95 y el 98 por ciento por etapa, ya que la carga se distribuye entre varios engranajes simultáneamente. Cuando los fabricantes optimizan las formas de los dientes y utilizan materiales mejores, reducen las pérdidas por fricción de deslizamiento en un 21 % aproximadamente en comparación con los engranajes convencionales de ejes paralelos, según investigaciones publicadas en Nature el año pasado. ¿Qué hace que esto sea tan importante para los vehículos eléctricos? Pues bien, estos motores de engranajes planetarios de corriente continua pueden mantener su máxima eficiencia en un rango más amplio de velocidades. Eso es muy relevante para automóviles que constantemente se detienen y arrancan en tráfico urbano, donde la aceleración ocurre frecuentemente a lo largo del día.
La combinación de reductores planetarios con motores de imán permanente mejora la eficiencia general del tren motriz en un 9,34 % en condiciones reales. La disposición concéntrica minimiza la longitud del recorrido de transmisión de potencia, reduciendo las pérdidas por inercia en un 18 % durante la aceleración. Los rodamientos cónicos colocados estratégicamente reducen aún más la fricción rotacional, contribuyendo a una disminución del 6,7 % en el desperdicio de energía durante el frenado regenerativo.
El uso de lubricantes avanzados basados en aceites sintéticos térmicamente estables puede reducir las temperaturas de operación en aproximadamente 23 grados Celsius cuando funcionan bajo condiciones continuas de alto par. Cuando los fabricantes integran canales de refrigeración junto con materiales de cambio de fase en sus diseños, logran eliminar alrededor del 41 por ciento más de calor en comparación con los métodos estándar de enfriamiento pasivo. Esto marca una gran diferencia porque evita que el aceite se degrade en esas áreas críticas donde las temperaturas son muy elevadas. Como resultado, las cajas de engranajes planetarias modernas mantienen una eficiencia de alrededor del 89 por ciento incluso al manejar cargas sostenidas de 250 newton metros. Además, hay otro beneficio del que hoy en día no se habla mucho pero que es igualmente importante: funcionan aproximadamente un 19 por ciento más silenciosamente que los engranajes helicoidales tradicionales, lo que significa menos contaminación acústica para los trabajadores de fábrica y las comunidades aledañas.
Las cajas de engranajes planetarias funcionan distribuyendo la carga de par entre varios engranajes planetarios, en lugar de concentrar toda la presión en una sola pieza a la vez. Este diseño ingenioso ayuda a prevenir el desgaste, por lo que pueden manejar operaciones con fiabilidad incluso superiores a 250 newton metros. La mayoría de los modelos de calidad están fabricados con acero endurecido o aleaciones especiales que resisten los bruscos picos de par que se presentan cuando los vehículos eléctricos aceleran rápidamente desde el arranque. El alto contenido de carbono en estas piezas de acero les otorga una resistencia extraordinaria, alrededor de 1.200 megapascales o más, lo que significa que no se doblarán ni romperán bajo condiciones normales de trabajo. Las pruebas en condiciones reales también han mostrado algo bastante impresionante: después de superar más de diez mil ciclos de operación, estos sistemas de caja de cambios aún mantienen su nivel de rendimiento, con solo una pequeña caída del 0,8 % en eficiencia. Esa clase de durabilidad los sitúa muy por delante de los diseños tradicionales de ejes paralelos, superándolos en casi dos tercios en las pruebas de longevidad realizadas por los fabricantes.
Los motores con engranajes planetarios para sistemas DC permiten un ajuste adecuado de la inercia cuando la dinámica del rotor coincide con lo que ocurre en las ruedas y ejes, gracias a relaciones de transmisión precisas. Cuando se logra esta alineación, en realidad hay aproximadamente un 39 por ciento menos de vibración torsional en comparación con los sistemas de accionamiento directo convencionales, por lo que los vehículos aceleran de 0 a 60 mph de manera mucho más suave, sin esos tirones molestos. Las pruebas de campo muestran que los ingenieros obtienen tiempos de respuesta en los bucles de corriente alrededor de un 22% más rápidos cuando todo está correctamente ajustado. Esto es importante porque reduce el efecto de 'cogging' molesto y también prolonga la vida útil de los rodamientos: datos de campo sugieren una mejora de aproximadamente el 17% en la vida útil de los rodamientos durante escenarios típicos de conducción urbana donde es común el tráfico stop-and-go.
El sistema planetario en los motores de engranajes planetarios de corriente continua permite obtener relaciones de transmisión que van desde 3:1 hasta más de 100:1 cuando se utilizan múltiples etapas conjuntamente. Este tipo de rango permite a los ingenieros ajustar finamente el rendimiento de estos motores según sus necesidades específicas. Algunas aplicaciones requieren potencia máxima a bajas velocidades, como al subir pendientes, mientras que otras demandan una mejor eficiencia en carreteras. Según una investigación publicada el año pasado, el uso de configuraciones planetarias de dos etapas reduce la velocidad máxima del motor aproximadamente un 38 por ciento, pero mantiene la misma cantidad de par motor. Esto significa que los fabricantes pueden construir motores más pequeños y ligeros sin comprometer el rendimiento.
La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan reductores planetarios de una sola velocidad por su eficiencia del 92-95% y su diseño compacto. Sin embargo, la investigación sobre vehículos comerciales eléctricos revela que los sistemas de múltiples velocidades pueden mejorar el alcance entre un 12% y un 18% bajo cargas pesadas. El inconveniente es la complejidad: las transmisiones de múltiples velocidades requieren un 23% más de componentes, pero permiten motores más pequeños mediante un cambio de marchas optimizado.
Las cajas de engranajes planetarios funcionan muy bien en vehículos híbridos porque pueden distribuir las cargas entre múltiples componentes y manejar entradas tanto del motor tradicional como del motor eléctrico. Estos sistemas de engranajes hacen que el cambio entre funcionamiento con gasolina y eléctrico sea mucho más suave que otras alternativas. En lo que respecta al frenado regenerativo, estas cajas suelen recuperar aproximadamente entre el 15 y el 22 por ciento de la energía normalmente perdida al detenerse. La investigación sobre cómo gestionar mejor la energía también revela algo interesante: cuando los ingenieros ajustan adecuadamente las relaciones de transmisión, los vehículos equipados con cajas de engranajes planetarios recuperan casi un 9,3 % más de energía al circular por tráfico urbano con muchas paradas y arranques, en comparación con sistemas que mantienen relaciones de transmisión fijas todo el tiempo. Esto los hace bastante atractivos para los fabricantes que buscan mejorar la eficiencia de combustible sin sacrificar el rendimiento.
Los sistemas de engranajes planetarios logran su impresionante rendimiento gracias a tres componentes principales que trabajan juntos: está el engranaje solar central en el centro de todo, luego varios engranajes planetarios más pequeños unidos a lo que se denomina un portador, y finalmente el engranaje anular grande que rodea todos los demás. En la mayoría de los casos, el engranaje solar actúa como punto inicial para la transmisión de potencia, haciendo que los engranajes planetarios entren en acción. Estos engranajes pequeños tocan simultáneamente tanto el engranaje solar como el engranaje anular, creando un sistema extraordinario en el que la fuerza se distribuye a través de múltiples puntos. Lo que hace tan excelente esta configuración es lo eficiente que resulta en cuanto al espacio, mientras sigue transmitiendo la potencia de manera muy eficaz. Por eso vemos estas disposiciones planetarias apareciendo en todas partes en los vehículos eléctricos modernos, especialmente cuando se combinan con motores de corriente continua, donde cada centímetro de espacio importa pero no se puede renunciar a la máxima eficiencia.
La mayoría de los trenes motrices de vehículos eléctricos tienen el engranaje solar funcionando como el eje de entrada principal que transmite par a los engranajes planetarios. Cuando estos pequeños engranajes giran alrededor del engranaje solar y engranan simultáneamente con el engranaje anular estacionario, se crea un efecto de reducción de velocidad bastante eficiente. Lo que hace que esta configuración sea tan buena es que múltiples dientes entran en contacto todos al mismo tiempo. Esto distribuye la potencia de manera bastante uniforme a través del sistema, lo que significa mejores capacidades de manejo de carga y menos desgaste en los componentes con el tiempo. Para vehículos que realizan muchos ciclos, como taxis o furgonetas de reparto, esta resistencia al desgaste es realmente importante a largo plazo.
Varios engranajes planetarios equilibran inherentemente el par a través del sistema, lo que permite que las cajas de engranajes planetarias soporten cargas continuas un 33 % más altas que los sistemas convencionales de engranajes rectos. Esta igualación automática de la carga garantiza durabilidad bajo tensiones asimétricas causadas por aceleraciones rápidas y frenado regenerativo, lo que hace que los diseños planetarios sean particularmente resistentes en entornos exigentes de vehículos eléctricos (EV).
La densidad de par se refiere a la cantidad de par que puede soportar una caja de engranajes en relación con su tamaño. Las cajas de engranajes planetarias ofrecen una alta densidad de par porque distribuyen la carga entre múltiples engranajes, mejorando la eficiencia y reduciendo el desgaste.
Los engranajes planetarios mejoran los trenes motrices de vehículos eléctricos al ofrecer diseños compactos y alta densidad de par, lo que permite trenes de transmisión más ligeros y una gestión eficiente de la potencia. También ayudan a mantener una alta eficiencia a diversas velocidades, fundamental para la conducción urbana con frecuentes paradas y arranques.
Sí, las cajas de engranajes planetarias son adecuadas para vehículos híbridos, ya que pueden gestionar la distribución de carga y proporcionar transiciones suaves entre fuentes de energía convencional y eléctrica, lo que también las hace ideales para sistemas de frenado regenerativo.
Las cajas de engranajes planetarias son aproximadamente un 19 % más silenciosas que los engranajes helicoidales tradicionales, lo que contribuye a una menor contaminación acústica tanto para los trabajadores industriales como para las comunidades circundantes.
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