Motores y transmisiones más ligeros

Una movilidad más respetuosa con el medio ambiente se debe, entre otras cosas, a un menor consumo de combustible o de electricidad, que a su vez depende del peso de los vehículos, los scooters o las bicicletas electrónicas. Por ejemplo, los científicos de WGP (Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik - Sociedad Científica para la Tecnología de la Producción) han demostrado que los engranajes pueden hacerse hasta un 60% más ligeros. Y el tiempo de producción de las piezas individuales también podría reducirse en un tercio. Se han podido lograr estos resultados porque dentro de WGP se trabaja de manera interdisciplinaria, reuniendo a ingenieros formadores, desarrolladores de procesos y expertos en tecnología de la información.

Los investigadores de WGP han desarrollado los llamados ‘engranajes construidos’ y han creado las correspondientes cadenas de procesos para su producción. “Las ruedas dentadas se dividieron constructivamente en dos o tres partes individuales: el núcleo de la rueda dentada, la propia rueda dentada y el eje” explica Mathias Liewald, director del IFU Stuttgart y del proyecto.

Mathias Liewald, Jefe del Instituto de Tecnología de Formación (IFU), Universidad de Stuttgart. Foto: IFU Stuttgart.

“Con la ayuda de mejoras en los procesos de producción, produjimos engranajes construidos, en los que se tuvieron en cuenta los diferentes requisitos de resistencia. Esto a su vez nos permitió reducir drásticamente el peso de los engranajes”. Un total de cinco institutos del WGP participaron en el trabajo de investigación: IFU Stuttgart, IWT Bremen, ISF y IUL Dortmund y utg Munich junto con el instituto investigador especializado en engranajes y transmisiones FZG (Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebebau) de Munich. “Los innovadores engranajes podrían utilizarse no sólo en la ingeniería automotriz, sino sobre todo en transmisiones más ligeras como las utilizadas en los scooters o las bicicletas eléctricas”, informa Liewald. "Pudimos lograr tales resultados de investigación de aplicación cruzada porque tenemos una amplia base dentro de WGP y podemos trabajar de manera interdisciplinaria. Para este proyecto, por ejemplo, colaboraron ingenieros de formación, desarrolladores de procesos, ingenieros de conducción, informáticos y otros expertos”.

Robert Meißner, colaborador del proyecto, con una rueda dentada construida. Foto: IFU Stuttgart).

La reducción de peso del 60% manteniendo la misma funcionalidad fue posible gracias a la combinación de diferentes materiales en el “engranaje construido“en comparación con el engranaje”de un solo cuerpo". Normalmente, los engranajes se fabrican monolíticamente, es decir, a partir de un material como una sola pieza de trabajo. “Hemos encontrado una forma de descomponerlos en dos o tres partes individuales: la rueda dentada, que absorbe o transmite el par, la conexión de la rueda con el eje y el núcleo del engranaje, que debe ser particularmente resistente y a prueba de desgaste debido a los altos pares y presiones de contacto que actúan sobre él”, dice Robert Meissner, miembro del proyecto en IFU Stuttgart, describiendo la innovación. Por lo tanto, los investigadores eligieron un material de alta resistencia para el núcleo del engranaje, que no era necesario para la parte dentada.

A la izquierda, la rueda dentada y el núcleo en forma de disco se pueden ver antes del proceso de unión de formación y a la derecha después del proceso de formación. Foto: IFU Stuttgart.

En un primer procedimiento, los científicos insertaron discos circulares de chapa apilados en paquetes en el núcleo que se calentó a 200 ºC. Lo que es nuevo aquí no es el proceso de unión térmica, sino el uso de cuerpos de engranajes de chapa apilados. En la variante dos, un cuerpo de acero o aluminio fue presionado en el núcleo sin calentar. Este proceso de unión de formas es también una innovación para la producción de engranajes. Aunque requiere más fuerza que la forja convencional de una rueda dentada de una pieza y las herramientas de conformado se desgastan más rápidamente, como se esperaba. Sin embargo, comparado con el empaquetamiento, se ahorra la energía para calentar a 200 ºC. La extrusión en frío —en este caso la extrusión transversal— es, sin embargo, mucho más eficiente en términos de energía que los procesos anteriores. “Ya había habido enfoques para los engranajes construidos”, dice Meißner. “Pero el proceso es ahora más económico porque hemos combinado varios pasos de trabajo en uno”.

Los nuevos procesos de fabricación se desarrollaron mediante simulaciones en las que se tuvieron en cuenta los requisitos, localmente variables, de la resistencia del componente. Los investigadores primero simularon la formación de un pasador de pistón y en un segundo paso simularon la carga del componente en el ordenador. En el mundo virtual, también se hizo evidente que los pasos de producción individuales en las cadenas de proceso anteriores eran superfluos para la producción del pasador del pistón. Como resultado, el tiempo de producción del pasador del pistón podría reducirse en más de un 30%.

Por último, pero no menos importante, los investigadores calcularon la máxima reducción de peso en el ordenador. En el caso del pasador del pistón, fue un 4%. “Si se considera que los pasadores de los pistones han sido optimizados una y otra vez durante cien años, esto es, relativamente hablando, un resultado sorprendente”, subraya Liewald. Esta renovada reducción de peso fue posible gracias a un contorno interior en forma de espiral en lugar del contorno interior anteriormente cilíndrico, que se producía mediante el planchado y el deslizamiento. Con la ayuda de este avanzado proceso de conformación en frío, la resistencia de la materia prima blanda recocida para el pasador del pistón se incrementó en un 38%. Estos pasadores de pistón optimizados pueden utilizarse en cualquier motor de combustión, pero también en aplicaciones completamente diferentes, como ejes cortos en motores eléctricos o elementos de eje en chasis. “La limitación está principalmente en la longitud del tubo”, aclara Meissner. “Una producción más económica debería ser el resultado de la reducción del tiempo de producción, lo que en última instancia conduce a menores costos de producción”.

Sin embargo, no sólo los componentes están abiertos a la aplicación: “El proceso de fabricación más desarrollado que utiliza el dibujo de la corredera de planchado no sólo es adecuado para la producción de pasadores de pistón, sino también para la producción de componentes huecos de peso reducido como carcasas o manguitos roscados en general. Esto significa que se puede ahorrar un peso significativo en una gran variedad de lugares en una gran variedad de vehículos”, dice Liewald.

Institutos participantes

Institut für Umformtechnik (IFU) Stuttgart

Institut für Spanende Fertigung (ISF) Dortmund

Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) Dortmund

Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT) Bremen

Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) München

Sobre WGP

WGP (Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik e.V.) es una asociación de destacados profesores alemanes de ciencias de la producción. Representa los intereses de la investigación y la enseñanza frente a la política, los negocios y el público. Reúne a 66 profesores de 40 universidades e institutos Fraunhofer y representa a unos 2.000 científicos en el campo de la tecnología de la producción. Los miembros gozan de una gran reputación en la comunidad científica alemana, así como a nivel internacional, y están conectados en red en todo el mundo.

Los laboratorios de los miembros tienen un alto nivel técnico y permiten a los profesores del Grupo de Trabajo llevar a cabo investigaciones de alto nivel, así como una enseñanza orientada a la práctica en sus respectivas áreas temáticas.

WGP se ha fijado el objetivo de demostrar la importancia de la producción y la ciencia de la producción para la sociedad y para Alemania como lugar de negocios. Se posiciona sobre temas de relevancia social que van desde la Industria 4.0 hasta la eficiencia energética y la impresión en 3D.