Aumentar la eficiencia energética mejorando las superficies de los engranajes en la e-movilidad

Los motores eléctricos utilizados en la e-movilidad tienen una eficiencia significativamente mayor en comparación con los motores de combustión convencionales: Hasta el 80% de la energía almacenada en la batería se transfiere a las ruedas en forma de energía cinética mediante los motores eléctricos de alta eficiencia por medio de una transmisión. Cuando se queman combustibles fósiles, el rendimiento del 30 al 40% es sólo la mitad. No obstante, se están realizando esfuerzos para aumentar aún más la eficiencia energética de los coches eléctricos, especialmente en lo que respecta a las autonomías alcanzables. Un elemento clave es también la textura superficial de los flancos de los engranajes en las transmisiones utilizadas. El proceso que determina la calidad es el acabado duro de los engranajes mediante el rectificado y el posterior superacabado al final de la cadena de procesamiento de los engranajes.

Cada vez son mayores las exigencias en cuanto a la vida útil, la suavidad de marcha, la transmisión de potencia y el uso eficiente de la energía introducida. Dado que no existe una definición oficial para los términos de esmerilado fino y pulido, KAPP NILES ha creado una definición que se refiere a la calidad superficial alcanzable durante el esmerilado generador (Tabla 1).

Se han utilizado como valores comparativos la profundidad de rugosidad media Rz y la altura de rugosidad media Ra. Sin embargo, se entiende que, a partir de ciertas calidades superficiales, otros valores como las relaciones de material son mejores para caracterizar la superficie que Rz y Ra. Para satisfacer los crecientes requisitos de superficie, también se utilizan diversas herramientas en los distintos procesos, como se describe a continuación.

Rectificado convencional

En la rectificación estándar, se utiliza un tornillo sinfín de corindón aglomerado vitrificado, que consiste enteramente en una especificación.

Rectificado fino

En el proceso de mecanizado combinado de varias etapas del superacabado, se utiliza una especificación de tornillo sinfín de rectificado diferente para el rectificado grueso (rectificado generador convencional) que en el rectificado fino propiamente dicho. Ambas especificaciones incluyen una unión vitrificada, pero pueden tener diferentes tipos de corindón y/o tamaños de grano.

Rectificado de pulido

En el proceso de mecanizado combinado de varias etapas de pulido, se utiliza un tornillo sinfín con aglomerante vitrificado para el desbaste (rectificado generador convencional) y un tornillo sinfín con aglomerante de poliuretano o resina sintética para el pulido.

En un proceso de mecanizado de una sola etapa de pulido (no en combinación con el desbaste directo), se utiliza una herramienta de una sola pieza con aglomerante de poliuretano o resina sintética.

La herramienta consta de dos especificaciones diferentes. En la zona utilizada para el rectificado fino, la velocidad de avance se reduce durante el reavivado (figura 1). Esto permite influir en la calidad superficial alcanzable de la pieza. Este procedimiento de reavivado influye en la calidad superficial de la rueda dentada, aunque el tornillo sinfín de rectificado conste de una sola especificación.

En las siguientes imágenes se muestran las mediciones del perfil y de la línea de flanco antes y después del rectificado fino. En el registro de medición del perfil de la rueda dentada (figura 3) ya se aprecia que la desviación de la forma del perfil (ffα) puede mejorarse considerablemente con esta técnica de rectificado/revestimiento.

De izq. a dcha. y de arriba a abajo: figura 2: Medición del perfil después del prerectificado; figura 3: Medición del plomo tras el prerectificado; figura 4: Medición del perfil tras el rectificado fino; y figura 5: Medición del plomo tras el rectificado fino. Fotos: KAPP NILES.

Como era de esperar, no se produjo ningún cambio en la medición del plomo (Figura 5), ya que las ranuras de rectificado están en la dirección de la anchura del diente de acuerdo con el mayor vector de velocidad. A partir de la comparación gráfica de la medición de la rugosidad (Figuras 6 y 7), se puede observar que la superficie se ha suavizado. Sin embargo, todavía se puede observar una estructura de rugosidad.

Es decir, la profundidad media de la rugosidad Rz y la altura media de la rugosidad Ra podrían reducirse en un factor de 2 a 3. La profundidad de la rugosidad central Rk y la altura central reducida Rpk podrían reducirse en un factor de 2 (véase la tabla 2).

A la izq.: figura 6: Rectificado generador convencional. Dcha.: figura 7: Rectificado fino Fotos: KAPP NILES.

Otro ámbito de aplicación de las superficies de flancos de engranajes mecanizados de alta precisión son las transmisiones de camiones, tanto para accionamientos eléctricos como para transmisiones convencionales. Hoy en día, los camiones eléctricos se utilizan en áreas como la gestión de residuos o para la entrega de bienes de consumo en las ciudades. Algunas empresas de descuento de alimentos incluso anuncian que el transporte de sus mercancías entre sus tiendas en las grandes ciudades se realiza con camiones de propulsión eléctrica.

A continuación, se presenta el pulido de los flancos de los engranajes granallados.

La secuencia de trabajo es la siguiente: Después del templado, los engranajes se mecanizan como es habitual con el proceso de rectificado de generación, utilizando un tornillo sinfín de rectificado de una sola pieza. De este modo, se elimina el material de rectificado existente, incluidas las distorsiones térmicas, y se produce la geometría final de la pieza.

A continuación, se granallan los flancos de los engranajes de las piezas. El motivo del granallado es el endurecimiento de la superficie de los flancos de los engranajes, que sirve para prolongar la vida útil de los engranajes y, por tanto, de la transmisión. En el último paso, los flancos de los engranajes se pulen en una rectificadora generadora con una herramienta de poliuretano de una sola pieza.

Mediante el pulido, se pueden eliminar las zonas microscópicas en relieve causadas por el shotpeening. No es necesario eliminar todas las hendiduras. En la figura 8 se comparan dos engranajes. A la izquierda, la pieza se muestra después del granallado y a la derecha, la pieza se muestra después del pulido de los flancos del engranaje.

Las siguientes dos figuras 9 y 10 muestran la comparación básica de la geometría del perfil. En la figura 10 se aprecia claramente la reducción de la ondulación mediante el pulido. La geometría básica del perfil no se ve afectada. La desviación del ángulo del perfil fHα, la convexidad del perfil Cα y el relieve de la punta Cαa se generan durante el proceso de rectificado generador convencional antes del granallado.

Las figuras 11 y 12 muestran la comparación de la geometría de la línea de flancos. En la figura 11 se muestra el registro de medición del plomo después del shot-peening. Aquí, las desviaciones de la forma del plomo ffβ en aproximadamente 7 μm son claramente visibles. La figura 12 muestra otra pieza de la serie que se está mecanizando, aquí la medición del plomo después del pulido.

La geometría básica de la línea de flancos no se ve afectada. La desviación del ángulo del plomo fHβ y la convexidad del plomo Cβ se generan durante el proceso de rectificado generador convencional antes del granallado. Como se documenta en la figura 12, la desviación de la forma del plomo ffβ se reduce a la mitad.

Arriba, figura 9: Medición del perfil tras el granallado Abajo, figura 10: Medición del perfil tras el pulido Foto: KAPP NILES.

Arriba: figura 11: Medición del plomo tras el granallado; Abajo, figura 12: Medición del plomo tras el esmerilado de pulido. Foto:KAPP NILES.

Como criterio de evaluación final, se realiza ahora una comparación de la calidad superficial (Figura 13_14). Tras el granallado, el valor medio de la altura de la rugosidad Ra está significativamente por encima de las calidades habitualmente requeridas en ~0,85 μm. Asimismo, a ~5,8 μm, la Rz es demasiado grande para la aplicación requerida.

Tras el pulido, los valores característicos Ra y Rz muestran valores muy pequeños. Estos ya no son suficientemente significativos en la descripción de la calidad de la superficie. En su lugar, entran en juego la fracción de rendimiento del material Rmr o el ‘valor de pico reducido’ Rpk junto con el valor de rugosidad del núcleo Rk. En este contexto, existe una amplia gama de evaluaciones para describir la calidad superficial alcanzada.

En resumen, las siguientes ventajas se combinan con la secuencia de producción que se muestra aquí:

• Precisión geométrica mediante el rectificado generador convencional.
• Compactación de la superficie mediante el granallado.
• Superficies de alta precisión mediante el pulido.

Esta cadena de trabajo contribuye a aumentar la eficacia y la vida útil de las transmisiones de hoy y de mañana.