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Cardán

El cardán es un sistema mecánico, descrito por primera vez por Girolamo Cardano, que permite unir dos ejes no coaxiales (es decir, que cada eje no se encuentra en la misma línea que el otro). Su objetivo es transmitir el movimiento de rotación desde un eje conductor a otro conducido a pesar de no ser colineales.[1]

Modelo esquemático de una junta cardán

Frente a otro tipo de articulaciones tiene la característica de ser una junta no homocinética; es decir, el eje al que se transmite el movimiento no gira a una velocidad angular constante. La relación de transmisión instantánea oscila alrededor de la unidad, generando en el eje conducido una aceleración y un retraso por cada medio giro, cuya intensidad aumenta en función del ángulo formado por los árboles. Esta característica debe ser gestionada adecuadamente pues de lo contrario se producirían vibraciones susceptibles de destruir los sistemas donde se utilicen.[2]

Cuando es necesario proporcionar una velocidad de salida constante se utilizan juntas homocinéticas, cuyo tipo más simple está constituido precisamente por dos juntas cardánicas acopladas a un cuerpo común. Este sistema de doble cardán permite que los cambios instantáneos de la velocidad angular trasmitidos al cuerpo común por uno de los cardanes sean compensados en sentido contrario por el otro, de manera que las velocidades angulares instantáneas de los árboles de entrada y salida sean iguales en todo momento, aunque el eje central estará sometido a constantes aceleraciones y deceleraciones. Las juntas homocinéticas Glaencer-Spicer también utilizan un sistema compacto de doble cardán.[3]

Historia

 
Diseño clásico de una junta universal o cardán

El concepto principal de la junta universal se basa en el diseño de la suspensión cardán, que se ha utilizado desde la antigüedad. Un precedente de la articulación universal fue su uso por los antiguos griegos en la balista.[4]​ En Europa, la articulación universal a menudo se denomina junta cardánica, o eje de transmisión cardán, en referencia al matemático italiano Girolamo Cardano, que, sin embargo, en sus escritos, mencionó solo montajes de cardán, no articulaciones universales.[5]

El mecanismo fue descrito más tarde en Technica curiosa sive mirabilia artis (1664) por Gaspar Schott, quien erróneamente afirmó que era una junta homocinética.[6][7][8]​. Poco después, entre 1667 y 1675, Robert Hooke analizó la unión y descubrió que su velocidad de rotación no era uniforme, pero esta propiedad se podía usar para seguir el movimiento de la sombra en la cara de un reloj de sol.[6]​ De hecho, la componente de la ecuación de tiempo que explica la inclinación del plano ecuatorial relativo a la eclíptica es completamente análogo a la descripción matemática de la articulación universal. El primer uso registrado del término "unión universal" para este dispositivo fue realizado por Hooke en 1676, en su libro Helioscopios.[9][10][11]​ Publicó una descripción en 1678,[12]​ que dio como resultado el uso del término de junta de "Hooke" en el mundo de habla inglesa. En 1683, Hooke propuso una solución a la velocidad de rotación no uniforme de la junta universal: un par de juntas de Hooke desfasadas 90° en cada extremo de un eje intermedio, una disposición que ahora se conoce como un tipo de junta homocinética.[6][13]​ El sueco Christopher Polhem posteriormente reinventó la junta universal, dando lugar al nombre de Polhemsknut (nudo Polhem) en sueco.

En 1841, el científico inglés Robert Willis analizó el movimiento de la articulación universal.[14]​ En 1845, el ingeniero y matemático francés Jean-Victor Poncelet había analizado el movimiento de la articulación universal mediante trigonometría esférica.[15]

El término "articulación universal" se usó en el siglo XVIII[12]​ y fue de uso común en el siglo XIX. La patente de 1844 de Edmund Morewood de una máquina para tratar piezas de metal requería una junta universal, con el fin de eliminar pequeños errores de alineación entre el motor y los ejes de laminación.[16]​ La patente de la locomotora Shay, de Ephriam Shay de 1881, por ejemplo, usaba juntas universales dobles como eje de transmisión.[17]​ Charles Amidon utilizó una junta universal mucho más pequeña en su berbiquí patentado 1884.[18]​ El motor de vapor esférico, rotativo y de alta velocidad de Beauchamp Tower utilizó una adaptación de la junta universal alrededor de 1885.[19]

El término "junta de cardán" parece ser un préstamo en el idioma inglés. Muchos usos tempranos en el siglo XIX aparecen en traducciones procedentes del idioma francés o están fuertemente influidos por el uso del francés. Los ejemplos incluyen un informe de 1868 sobre la Exposición Universal de París (1867)[20]​ y un artículo sobre el dinamómetro traducido del francés en 1881.[21]

Ecuación del movimiento

 
Diagrama de variables para la junta universal. El eje 1 es perpendicular al plano rojo y el eje 2 es perpendicular al plano azul en todo momento. Estos planos forman un ángulo β el uno con respecto al otro. El desplazamiento angular (posición de rotación) de cada eje viene dado por   y   respectivamente, que son los ángulos de los vectores unitarios   y   con respecto a sus posiciones iniciales en los ejes x e y. Los vectores   y   están fijados por el cardán que conecta los dos ejes, por lo que están obligados a permanecer perpendiculares entre sí en todo momento.
 
Velocidad angular del eje de salida (rotacional)   frente al ángulo de rotación   para diferentes ángulos de curvatura   de la junta
 
Ángulo de rotación del eje de salida,  , frente al ángulo de rotación del eje de entrada,  , para diferentes ángulos de curvatura,  , de la articulación

La articulación del cardán sufre un problema importante: incluso cuando el eje del árbol de transmisión de entrada gira a velocidad constante, el eje del árbol de transmisión de salida gira a una velocidad variable, lo que provoca vibración y desgaste. La variación en la velocidad del eje impulsado depende de la configuración de la unión, que se especifica mediante tres variables:

  1.  , el ángulo de rotación para el eje 1
  2.  , el ángulo de rotación para el eje 2
  3.  , el ángulo de plegado de la junta, o el ángulo de los ejes con respecto a cada uno, con el cero siendo paralelo o recto.

Estas variables se ilustran en el diagrama de la derecha. También se muestra un conjunto de coordenadas cartesianas fijo con vectores unitarios   e  , y los planos de rotación de cada eje. Estos planos de rotación son perpendiculares a los ejes de rotación y no se mueven cuando los ejes giran. Los dos ejes están unidos por un cardán que no se muestra. Sin embargo, el eje 1 se une al cardán en los puntos rojos en el plano de rotación rojo en el diagrama, y ​​el eje 2 se une en los puntos azules en el plano azul. Los sistemas de coordenadas fijos con respecto a los ejes rotativos se definen teniendo sus vectores unitarios del eje x ( y  ) apuntando desde el origen hacia uno de los puntos de conexión. Como se muestra en el diagrama,  está en el ángulo  con respecto a su posición inicial en el eje x, y   está en el ángulo  con respecto a su posición inicial en el eje y.

  está confinado al "plano rojo" en el diagrama y está relacionado con   por:

 

  está confinado al "plano azul" en el diagrama y es el resultado del vector unitario en el eje x  girando a través de los ángulos de Euler  ]:

 

Una restricción en los vectores   y   es que, como están fijados en la suspensión cardán, deben permanecer en ángulos rectos entre ellos. Esto es así cuando su producto escalar es igual a cero:

 

Por lo tanto, la ecuación de movimiento que relaciona las dos posiciones angulares viene dada por:

 

con una solución formal para  :

 

La solución para  no es única, ya que la función arco tangente admite múltiples raíces; sin embargo, se requiere que la solución para  sea continua en los ángulos analizados. Por ejemplo, la siguiente solución explícita que utiliza la función atan2 (y, x) será válida para  :

 

Los ángulos  y  en una articulación rotativa serán función del tiempo. La diferenciación de la ecuación de movimiento con respecto al tiempo y el uso de la ecuación de movimiento en sí para eliminar una variable produce la relación entre las velocidades angulares   y  :

 

Como se muestra en las gráficas, las velocidades angulares no están relacionadas linealmente, sino que son periódicas, con un período de la mitad del de los ejes giratorios. La ecuación de velocidad angular se puede diferenciar nuevamente para obtener la relación entre las aceleraciones angulares  y  :

 

Como se puede apreciar en la gráfica de la derecha, cuanto mayor es el ángulo que forman los dos ejes, mayores son las diferencias tanto de velocidad como de aceleración angular entre ambos.


Funcionamiento

 
Junta cardán en movimiento.

Las juntas cardánicas son mecanismos simples y robustos. Están constituidas por dos piezas en forma de horquilla -las horquillas- conectadas entre sí por medio de otra pieza en forma de cruz -la cruceta-. Los cuatro extremos de la cruceta están montados sobre cojinetes encajados a presión en unos alojamientos en las horquillas y sujetos mediante bridas. El movimiento del eje conductor se transmite a través de la cruceta al eje conducido, permitiendo diferencias angulares de hasta 25 grados.[1]

Usos en la industria automotriz

En la actualidad el uso principal de las juntas cardánicas está en el árbol de transmisión, que lleva la fuerza desde el motor situado en la parte delantera del vehículo hacia las ruedas traseras de los vehículos de tracción trasera, habiendo dejado prácticamente de utilizarse en semiejes por sus desventajas frente a las juntas homocinéticas.

Actualmente la práctica totalidad de los automóviles de turismo de tracción trasera utilizan suspensiones independientes o excepcionalmente eje De Dion. En ambos casos el diferencial está fijado al chasis, por lo que el árbol no está sujeto a requerimientos de grandes desplazamientos angulares ni de variaciones de longitud.

Los árboles en estas transmisiones suelen utilizar juntas cardánicas para asumir los desplazamientos del motor y del diferencial sobre sus silentblocks. En estos sistemas suele emplearse un eje dividido en dos tramos para reducir el volumen del túnel de transmisión, siempre con dos juntas cardánicas, generalmente en el segundo tronco, y un flector a la salida de la caja de cambios para proporcionar un ligero efecto telescópico y absorber vibraciones.

Un uso secundario muy extendido está en las columnas de dirección colapsables.[22]

Utilización histórica

 
Árbol de transmisión Hotchkiss con junta deslizante y dos juntas cardánicas
Este vídeo muestra las diferentes partes y la operación de un eje cardán.

Las transmisiones Hotchkiss, hoy solo empleadas en vehículos todo-terreno e industriales, utilizan un tipo especial de árbol de transmisión. En este sistema el árbol está sometido a unos requerimientos cinemáticos muy elevados, puesto que debe seguir el movimiento del diferencial integrado en el puente trasero a lo largo del recorrido de la suspensión. Por esta razón estos árboles necesitan juntas muy robustas, que permitan grandes desplazamientos angulares y a la vez se adapten a las variaciones de longitud generadas por el movimiento del puente. La solución vino de la mano del empleo de árboles con dos juntas cardánicas -universal shafts-, una a cada extremo y una junta deslizante intermedia. En este caso una de las horquillas va unida al tubo de la transmisión y la otra lleva la brida de acoplamiento para su unión al grupo propulsor del puente. En el otro lado del tubo, la junta cardán va montada sobre una unión deslizante, formada por un manguito estriado interiormente que forma parte de una de las horquillas, acoplándose al estriado del tubo. El conjunto así formado constituye una unión oscilante y deslizante.[23]

Por el contrario, las transmisiones por tubo de empuje utilizaban un árbol cubierto por un tubo de empuje en prolongación del cárter del diferencial. El árbol de transmisión de estas transmisiones utilizaba una única junta cardánica a la salida de la caja de cambios, cubierta por una rótula a través de la que se transmitía el empuje a la caja de cambios y de ahí al chasis a través de los anclajes del motor.

Los semiejes que conectan el diferencial con las ruedas en los vehículos con suspensión independiente montaron originariamente juntas cardánicas, bien a la salida del diferencial (ejes oscilantes), bien en ambos extremos junto con un mecanismo telescópico en el resto de los sistemas.

Sin embargo, cuando se utilizaron en los primeros vehículos de tracción delantera, las juntas cardánicas se enfrentaron a su característica irregularidad periódica; como dicha irregularidad aumenta con el ángulo formado por los árboles, al ángulo entre el semieje y la rueda se suma el ángulo de giro de la rueda, que puede ser tan elevado que genere una vibración que afecte a semiejes y caja de cambios.

Una primera solución fue emplear un árbol de transmisión con una junta cardánica a la salida de la caja de cambios, junto con una junta delizante y un doble cardán en el lado de la rueda, sistema empleado en los primeros Citroën o BMC de tracción delantera. Estas primeras transmisiones pronto fueron sustituIdas por el sistema actual de juntas homocinéticas con la universalización de la disposición Giacosa.[24]

Otra alternativa empleada en los primeros vehículos todo terreno fue asumir la irregularidad, empleando un eje con solo dos juntas cardánicas reforzadas, donde la falta de adherencia permitía el resbalamiento de la rueda sin afectar a la transmisión.

Véase también

Referencias

  1. Eduardo Águeda Casado. Sistemas de transmisión de fuerzas y trenes de rodaje. Editorial Paraninfo, 2012. p. 277 de 624. ISBN 9788497328265. 
  2. Publio Pintado Sanjuán. Transmisión Número 29 de Ciencia y Técnica Número 29 de Colección Ciencia y Técnica/Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha Series. Univ de Castilla La Mancha, 2000. pp. 101 de 154. ISBN 9788484270751. Consultado el 21 de mayo de 2018. 
  3. Esteban José Domínguez, Julián Ferrer. Sistemas de transmisión y frenado Ciclos Formativos. Editex, 2012. pp. 215 de 420. ISBN 9788490033708. Consultado el 21 de mayo de 2018. 
  4. see: "Universal Joint - Invented by Gerolamo Cardano" «Archived copy». desde el original el 22 de abril de 2017. Consultado el 21 de abril de 2017. 
  5. Véase:
    • Tony Rothman (2013) "Cardano v. Tartaglia: The Great Feud Goes Supernatural," p. 25. Available on-line at: Arxiv.org. (Tenga en cuenta que Rothman menciona el error de Wikipedia con respecto a la supuesta invención de Cardano de la articulación universal.)
    • Hans-Christoph Seherr-Thoss, Friedrich Schmelz, Erich Aucktor, Universal Joints and Driveshafts: Analysis, Design, Applications (Berlin, Germany: Springer Verlag, 1992), p. 1.
    • Marie Boas, The Scientific Renaissance: 1450-1630 (New York, New York: Harper Brothers, 1962), p. 186 (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)..
    • James Eckman, Jerome Cardan (Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins Press, 1946.), p. 77.
    • Hieronymi Cardanime (Gerolamo Cardano), De Subtilitate Libri XXI. (On subtle things in 21 books) (Basel, Switzerland: Sebastian Henric Petri, 1553), Liber XVII. De Artibus, Artificiosisque; rebus. (Book 17. On crafts and ingenious devices), p. 817. (Note: (1) This book is a reprint of the 1500 original. (2) In the margin of p. 817 is printed: Sedes mira (miraculous chair).) From p. 817: (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última). "Simili ratione inventũ est, ut Cæsaris sedes ita disponeretur, ut quocumque situ constituatur, ille immobilis, ac commodè dum vehitur sedeat. Hoc tractum ex armillarum ratione: cum enim circuli tres chalybei constituentur, polis sursum, deorsum, antè, retro, dextra ac sinistra mobilibus, cum plures non possint esse situs, necesse est ipsum in essedo quomodocumque agatur quiescere perpetuò." (By similar reasoning, [it] has been found that the Emperor's chair might be so arranged that he [remain] fixed in whatever orientation be decided and he sit comfortably while he is transported. This is based on the logic of the gimbal mounting: the three steel rings are arranged by the movable poles [i.e., ends of the axes] upwards, downwards, forwards, backwards, right and left, when more [motions] cannot be allowed, [because it] is necessary [that] he in the carriage somehow be made to remain still constantly.)
    • Hieronymi Cardani (Gerolamo Cardano), Mediolanensis Philosophi ac Medici Celeberrimi Operum [Of the very famous works of the Milanese philosopher and physician] (Lyon (Lugdunum), France: Jean Antoine Huguetan and Marc Antoine Ravaud, 1663), vol. 10: Opuscula miscellanea (Miscellaneous works), Paralipomenon (Supplement), Liber V. De rebus factis raris & artificiis (Book 5. On rare and ingeniously made things), Caput VII. De Armillarum instrumento (Chapter 7. On the armillary), pp. 488-489.
  6. Mills, Allan, "Robert Hooke's 'universal joint' and its application to sundials and the sundial-clock", Notes & Records of the Royal Society, 2007, accessed online (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última). 2010-06-16
  7. Gasparis Schotti, Technica Curiosa, sive Mirabilia Artis, Libris XII. … [Curious works of skill, or marvelous works of craftsmanship] (Nuremberg (Norimberga), (Germany): Johannes Andreas Endter & Wolfgang Endter, 1664), Liber IX. Mirabilia Chronometrica, … (Book 9. Marvelous Clocks, … ), Caput V. Signa chronometrica optica, seu indices. (Chapter 5. Marvelous visual clocks, or clocks with hands), pp. 664-665: Propositio XX. Indicem sinuosum & obliquatum per anfractus quosvis, sine Rotis dentatis quocumque lubet educere. (Proposition 20. [Como], sin ningún engranaje, para transmitir un giro a un eje desviado [por ejemplo, los ejes que mueven las manecillas de un reloj] a través de cualquier curva que uno quiera.) En el margen se imprime: Vide Iconism. VII. Fig. 32. (Véase Plate 7, Figure 32.), que representa la articulación universal de Schott. Schott primero indica que puede haber ocasiones cuando el engranaje de un reloj y la cara donde gira una aguja no se pueden alinear convenientemente; por ejemplo, relojes públicos instalados en torres. Luego menciona, en la descripción de su construcción ("Technasma", la palabra griega para "artificio"), que la junta universal se asemeja a un cardán que se usa para sostener una lámpara de aceite para que no se derrame. La junta de Schott consiste en dos horquillas (fuscinula), cada una de las cuales consiste en un eje al que se fija una tira de metal, doblada en un semicírculo, en un extremo. Cerca de cada extremo del semicírculo, se perfora un agujero. También se hace una cruz con cuatro brazos perpendiculares (crux sive 4 brachia). Los agujeros en cada semicírculo encajan sobre los extremos de un par de brazos opuestos. El ángulo entre los ejes debe ser mayor que un ángulo recto. Al discutir el movimiento de la junta (Motus), Schott afirma que los dos ejes se mueven a la misma velocidad (es decir, forman una junta de velocidad constante): "... horum autem ductum necesse est sequatur & altera fuscinula, parique cum priore illa feratur velocitate: unde si fuerit unius fuscinulae motus regularis circularis, erit similis & alterius ... " (... pero esta [horquilla] impulsada debe seguir a la otra horquilla [de conducción], y llevará a una velocidad igual que la primera: de ahí que si el movimiento de una horquilla fuera regularmente circular, será similar en la otra…).
  8. Para un historial (parcial) de las juntas universales, véase: Robert Willis, Principles of Mechanism … , 2nd ed. (London, England: Longmans, Green, and Co., 1870), Part the Fifth: On Universal Joints, pp. 437-457.
  9. "universal, a. (adv.) and n.", para.13, Oxford English Dictionary Online, accessed 2010-06-16
  10. Hooke first described a universal joint in Hevelius' instrument in: Robert Hooke, Animadversions on the first part of the Machina Coelestis … (London, England: John Martyn, 1674), p. 73. Here he calls the joint a "universal Instrument". From page 73: I shall show " … what use I have made of this Joynt, for a universal Instrument for Dialling, for equalling of Time, for making the Hand of a Clock move in the Shadow of a Style, and for performing a multitude of other Mechanical Operations." The joint is depicted on Plate X, Fig.s 22 and 23, which are available at: Posner Memorial Collection - Carnegie Mellon University (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
  11. Robert Hooke, A Description of Helioscopes, and Some Other Instruments (London, England: John Martyn, 1676), p. 14. From p. 14: "The Universal Joynt for all these manner of Operations, having not had time to describe the last Exercise, I shall now more particularly explain." Illustrations of Hooke's universal joint appear on p. 40, Fig.s 9 and 10; available at: ETU Library ; Zurich, Switzerland (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)..
  12. Review of Ferdinand Berthoud's Treatise on Marine Clocks, Appendix Art. VIII, The Monthly Review or Literary Journal, Vol. L, 1774; see footnote, page 565.
  13. Gunther, Robert Theodore, Early Science in Oxford, vol. 7: "Life and work of Robert Hooke, Part II" (Oxford, England: Dawsons of Pall Mall, 1930), pp. 621–622.
  14. Willis, Robert, Principles of Mechanisms, … (London, England: John W. Parker, 1841), pp. 272-284.
  15. J. V. Poncelet, Traité de mécanique appliquée aux machines, Part 1 (Liége, France: Librairie scientifique et industrielle, 1845), pp. 121-124.
  16. Edmund P. Morewood, Improvement in Coating Iron and Copper, U.S. Patent 3,746, Sept. 17, 1844.
  17. Ephraim Shay, Locomotive-Engine, U.S. Patent 242,992, June 14, 1881.
  18. Charles H. Amidon, Bit-Brace, U.S. Patent 298,542, May 13, 1884.
  19. «The Tower Spherical Engine.». www.aqpl43.dsl.pipex.com. desde el original el 5 de octubre de 2017. Consultado el 4 de mayo de 2018. 
  20. William P. Blake, Report of the Commissioner to the Paris Exposition, 1867, Chapter 1, Transactions of the California State Agricultural Society, During the Years 1866 and 1867, Vol X, Gelwicks, Sacramento, 1868.
  21. The Dynamometer Balance, [Van Nostrand's Engineering Magazine], Vol. XXV, No. CLVI (Dec. 1881); page 471.
  22. Albert Martí Parera. Sistemas de seguridad y confort en vehículos automóviles ACCESO RÁPIDO Manuales de automoción. Marcombo, 2000. pp. 26 de 176. ISBN 9788426712479. Consultado el 21 de mayo de 2018. 
  23. Jack Erjavec, Mike Ronan. Today's Technician: Manual Transmissions and Transaxles Classroom Manual and Shop Manual, Spiral bound Version. Cengage Learning, 2015. pp. 168 de 928. ISBN 9781305534070. Consultado el 21 de mayo de 2018. 
  24. Car and Driver, Volumen 37. Hachette Magazines, Incorporated, 1992. p. 29. ISSN 0008-6002. Consultado el 21 de mayo de 2018. 

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre juntas cardán.
  • Animación en 3D de una cardán telescópica doble (homocinética).
  •   Datos: Q862003
  •   Multimedia: Universal joints

cardán, este, artículo, trata, sobre, componente, mecánico, para, localidad, francia, véase, cardan, gironda, para, físico, italiano, véase, gerolamo, cardano, cardán, sistema, mecánico, descrito, primera, girolamo, cardano, permite, unir, ejes, coaxiales, dec. Este articulo trata sobre el componente mecanico Para la localidad de Francia vease Cardan Gironda Para el fisico italiano vease Gerolamo Cardano El cardan es un sistema mecanico descrito por primera vez por Girolamo Cardano que permite unir dos ejes no coaxiales es decir que cada eje no se encuentra en la misma linea que el otro Su objetivo es transmitir el movimiento de rotacion desde un eje conductor a otro conducido a pesar de no ser colineales 1 Modelo esquematico de una junta cardan Frente a otro tipo de articulaciones tiene la caracteristica de ser una junta no homocinetica es decir el eje al que se transmite el movimiento no gira a una velocidad angular constante La relacion de transmision instantanea oscila alrededor de la unidad generando en el eje conducido una aceleracion y un retraso por cada medio giro cuya intensidad aumenta en funcion del angulo formado por los arboles Esta caracteristica debe ser gestionada adecuadamente pues de lo contrario se producirian vibraciones susceptibles de destruir los sistemas donde se utilicen 2 Cuando es necesario proporcionar una velocidad de salida constante se utilizan juntas homocineticas cuyo tipo mas simple esta constituido precisamente por dos juntas cardanicas acopladas a un cuerpo comun Este sistema de doble cardan permite que los cambios instantaneos de la velocidad angular trasmitidos al cuerpo comun por uno de los cardanes sean compensados en sentido contrario por el otro de manera que las velocidades angulares instantaneas de los arboles de entrada y salida sean iguales en todo momento aunque el eje central estara sometido a constantes aceleraciones y deceleraciones Las juntas homocineticas Glaencer Spicer tambien utilizan un sistema compacto de doble cardan 3 Indice 1 Historia 2 Ecuacion del movimiento 3 Funcionamiento 4 Usos en la industria automotriz 5 Utilizacion historica 6 Vease tambien 7 Referencias 8 Enlaces externosHistoria Editar Diseno clasico de una junta universal o cardan El concepto principal de la junta universal se basa en el diseno de la suspension cardan que se ha utilizado desde la antiguedad Un precedente de la articulacion universal fue su uso por los antiguos griegos en la balista 4 En Europa la articulacion universal a menudo se denomina junta cardanica o eje de transmision cardan en referencia al matematico italiano Girolamo Cardano que sin embargo en sus escritos menciono solo montajes de cardan no articulaciones universales 5 El mecanismo fue descrito mas tarde en Technica curiosa sive mirabilia artis 1664 por Gaspar Schott quien erroneamente afirmo que era una junta homocinetica 6 7 8 Poco despues entre 1667 y 1675 Robert Hooke analizo la union y descubrio que su velocidad de rotacion no era uniforme pero esta propiedad se podia usar para seguir el movimiento de la sombra en la cara de un reloj de sol 6 De hecho la componente de la ecuacion de tiempo que explica la inclinacion del plano ecuatorial relativo a la ecliptica es completamente analogo a la descripcion matematica de la articulacion universal El primer uso registrado del termino union universal para este dispositivo fue realizado por Hooke en 1676 en su libro Helioscopios 9 10 11 Publico una descripcion en 1678 12 que dio como resultado el uso del termino de junta de Hooke en el mundo de habla inglesa En 1683 Hooke propuso una solucion a la velocidad de rotacion no uniforme de la junta universal un par de juntas de Hooke desfasadas 90 en cada extremo de un eje intermedio una disposicion que ahora se conoce como un tipo de junta homocinetica 6 13 El sueco Christopher Polhem posteriormente reinvento la junta universal dando lugar al nombre de Polhemsknut nudo Polhem en sueco En 1841 el cientifico ingles Robert Willis analizo el movimiento de la articulacion universal 14 En 1845 el ingeniero y matematico frances Jean Victor Poncelet habia analizado el movimiento de la articulacion universal mediante trigonometria esferica 15 El termino articulacion universal se uso en el siglo XVIII 12 y fue de uso comun en el siglo XIX La patente de 1844 de Edmund Morewood de una maquina para tratar piezas de metal requeria una junta universal con el fin de eliminar pequenos errores de alineacion entre el motor y los ejes de laminacion 16 La patente de la locomotora Shay de Ephriam Shay de 1881 por ejemplo usaba juntas universales dobles como eje de transmision 17 Charles Amidon utilizo una junta universal mucho mas pequena en su berbiqui patentado 1884 18 El motor de vapor esferico rotativo y de alta velocidad de Beauchamp Tower utilizo una adaptacion de la junta universal alrededor de 1885 19 El termino junta de cardan parece ser un prestamo en el idioma ingles Muchos usos tempranos en el siglo XIX aparecen en traducciones procedentes del idioma frances o estan fuertemente influidos por el uso del frances Los ejemplos incluyen un informe de 1868 sobre la Exposicion Universal de Paris 1867 20 y un articulo sobre el dinamometro traducido del frances en 1881 21 Ecuacion del movimiento Editar Diagrama de variables para la junta universal El eje 1 es perpendicular al plano rojo y el eje 2 es perpendicular al plano azul en todo momento Estos planos forman un angulo b el uno con respecto al otro El desplazamiento angular posicion de rotacion de cada eje viene dado por g 1 displaystyle gamma 1 y g 2 displaystyle gamma 2 respectivamente que son los angulos de los vectores unitarios x 1 displaystyle hat x 1 y x 2 displaystyle hat x 2 con respecto a sus posiciones iniciales en los ejes x e y Los vectores x 1 displaystyle hat x 1 y x 2 displaystyle hat x 2 estan fijados por el cardan que conecta los dos ejes por lo que estan obligados a permanecer perpendiculares entre si en todo momento Velocidad angular del eje de salida rotacional w 2 displaystyle omega 2 frente al angulo de rotacion g 1 displaystyle gamma 1 para diferentes angulos de curvatura b displaystyle beta de la junta Angulo de rotacion del eje de salida g 2 displaystyle gamma 2 frente al angulo de rotacion del eje de entrada g 1 displaystyle gamma 1 para diferentes angulos de curvatura b displaystyle beta de la articulacion La articulacion del cardan sufre un problema importante incluso cuando el eje del arbol de transmision de entrada gira a velocidad constante el eje del arbol de transmision de salida gira a una velocidad variable lo que provoca vibracion y desgaste La variacion en la velocidad del eje impulsado depende de la configuracion de la union que se especifica mediante tres variables g 1 displaystyle gamma 1 el angulo de rotacion para el eje 1 g 2 displaystyle gamma 2 el angulo de rotacion para el eje 2 b displaystyle beta el angulo de plegado de la junta o el angulo de los ejes con respecto a cada uno con el cero siendo paralelo o recto Estas variables se ilustran en el diagrama de la derecha Tambien se muestra un conjunto de coordenadas cartesianas fijo con vectores unitarios x displaystyle hat mathbf x e y displaystyle hat mathbf y y los planos de rotacion de cada eje Estos planos de rotacion son perpendiculares a los ejes de rotacion y no se mueven cuando los ejes giran Los dos ejes estan unidos por un cardan que no se muestra Sin embargo el eje 1 se une al cardan en los puntos rojos en el plano de rotacion rojo en el diagrama y el eje 2 se une en los puntos azules en el plano azul Los sistemas de coordenadas fijos con respecto a los ejes rotativos se definen teniendo sus vectores unitarios del eje x x 1 displaystyle hat mathbf x 1 y x 2 displaystyle hat mathbf x 2 apuntando desde el origen hacia uno de los puntos de conexion Como se muestra en el diagrama x 1 displaystyle hat mathbf x 1 esta en el angulo g 1 displaystyle gamma 1 con respecto a su posicion inicial en el eje x y x 2 displaystyle hat mathbf x 2 esta en el angulo g 2 displaystyle gamma 2 con respecto a su posicion inicial en el eje y x 1 displaystyle hat mathbf x 1 esta confinado al plano rojo en el diagrama y esta relacionado con g 1 displaystyle gamma 1 por x 1 cos g 1 sin g 1 0 displaystyle hat mathbf x 1 cos gamma 1 sin gamma 1 0 x 2 displaystyle hat mathbf x 2 esta confinado al plano azul en el diagrama y es el resultado del vector unitario en el eje x x 1 0 0 displaystyle hat x 1 0 0 girando a traves de los angulos de Euler p 2 b 0 displaystyle pi 2 beta 0 x 2 cos b sin g 2 cos g 2 sin b sin g 2 displaystyle hat mathbf x 2 cos beta sin gamma 2 cos gamma 2 sin beta sin gamma 2 Una restriccion en los vectores x 1 displaystyle hat mathbf x 1 y x 2 displaystyle hat mathbf x 2 es que como estan fijados en la suspension cardan deben permanecer en angulos rectos entre ellos Esto es asi cuando su producto escalar es igual a cero x 1 x 2 0 displaystyle hat mathbf x 1 cdot hat mathbf x 2 0 Por lo tanto la ecuacion de movimiento que relaciona las dos posiciones angulares viene dada por tan g 1 cos b tan g 2 displaystyle tan gamma 1 cos beta tan gamma 2 con una solucion formal para g 2 displaystyle gamma 2 g 2 tan 1 tan g 1 cos b displaystyle gamma 2 tan 1 tan gamma 1 cos beta La solucion para g 2 displaystyle gamma 2 no es unica ya que la funcion arco tangente admite multiples raices sin embargo se requiere que la solucion para g 2 displaystyle gamma 2 sea continua en los angulos analizados Por ejemplo la siguiente solucion explicita que utiliza la funcion atan2 y x sera valida para p lt g 1 lt p displaystyle pi lt gamma 1 lt pi g 2 a t a n 2 sin g 1 cos b cos g 1 displaystyle gamma 2 mathrm atan2 sin gamma 1 cos beta cos gamma 1 Los angulos g 1 displaystyle gamma 1 y g 2 displaystyle gamma 2 en una articulacion rotativa seran funcion del tiempo La diferenciacion de la ecuacion de movimiento con respecto al tiempo y el uso de la ecuacion de movimiento en si para eliminar una variable produce la relacion entre las velocidades angulares w 1 d g 1 d t displaystyle omega 1 d gamma 1 dt y w 2 d g 2 d t displaystyle omega 2 d gamma 2 dt w 2 w 1 cos b 1 sin 2 b cos 2 g 1 displaystyle omega 2 frac omega 1 cos beta 1 sin 2 beta cos 2 gamma 1 Como se muestra en las graficas las velocidades angulares no estan relacionadas linealmente sino que son periodicas con un periodo de la mitad del de los ejes giratorios La ecuacion de velocidad angular se puede diferenciar nuevamente para obtener la relacion entre las aceleraciones angulares a 1 displaystyle a 1 y a 2 displaystyle a 2 a 2 a 1 cos b 1 sin 2 b cos 2 g 1 w 1 2 cos b sin 2 b sin 2 g 1 1 sin 2 b cos 2 g 1 2 displaystyle a 2 frac a 1 cos beta 1 sin 2 beta cos 2 gamma 1 frac omega 1 2 cos beta sin 2 beta sin 2 gamma 1 1 sin 2 beta cos 2 gamma 1 2 Como se puede apreciar en la grafica de la derecha cuanto mayor es el angulo que forman los dos ejes mayores son las diferencias tanto de velocidad como de aceleracion angular entre ambos Funcionamiento Editar Junta cardan en movimiento Las juntas cardanicas son mecanismos simples y robustos Estan constituidas por dos piezas en forma de horquilla las horquillas conectadas entre si por medio de otra pieza en forma de cruz la cruceta Los cuatro extremos de la cruceta estan montados sobre cojinetes encajados a presion en unos alojamientos en las horquillas y sujetos mediante bridas El movimiento del eje conductor se transmite a traves de la cruceta al eje conducido permitiendo diferencias angulares de hasta 25 grados 1 Usos en la industria automotriz EditarEn la actualidad el uso principal de las juntas cardanicas esta en el arbol de transmision que lleva la fuerza desde el motor situado en la parte delantera del vehiculo hacia las ruedas traseras de los vehiculos de traccion trasera habiendo dejado practicamente de utilizarse en semiejes por sus desventajas frente a las juntas homocineticas Actualmente la practica totalidad de los automoviles de turismo de traccion trasera utilizan suspensiones independientes o excepcionalmente eje De Dion En ambos casos el diferencial esta fijado al chasis por lo que el arbol no esta sujeto a requerimientos de grandes desplazamientos angulares ni de variaciones de longitud Los arboles en estas transmisiones suelen utilizar juntas cardanicas para asumir los desplazamientos del motor y del diferencial sobre sus silentblocks En estos sistemas suele emplearse un eje dividido en dos tramos para reducir el volumen del tunel de transmision siempre con dos juntas cardanicas generalmente en el segundo tronco y un flector a la salida de la caja de cambios para proporcionar un ligero efecto telescopico y absorber vibraciones Un uso secundario muy extendido esta en las columnas de direccion colapsables 22 Utilizacion historica Editar Arbol de transmision Hotchkiss con junta deslizante y dos juntas cardanicas Reproducir contenido multimedia Este video muestra las diferentes partes y la operacion de un eje cardan Arboles de transmision Las transmisiones Hotchkiss hoy solo empleadas en vehiculos todo terreno e industriales utilizan un tipo especial de arbol de transmision En este sistema el arbol esta sometido a unos requerimientos cinematicos muy elevados puesto que debe seguir el movimiento del diferencial integrado en el puente trasero a lo largo del recorrido de la suspension Por esta razon estos arboles necesitan juntas muy robustas que permitan grandes desplazamientos angulares y a la vez se adapten a las variaciones de longitud generadas por el movimiento del puente La solucion vino de la mano del empleo de arboles con dos juntas cardanicas universal shafts una a cada extremo y una junta deslizante intermedia En este caso una de las horquillas va unida al tubo de la transmision y la otra lleva la brida de acoplamiento para su union al grupo propulsor del puente En el otro lado del tubo la junta cardan va montada sobre una union deslizante formada por un manguito estriado interiormente que forma parte de una de las horquillas acoplandose al estriado del tubo El conjunto asi formado constituye una union oscilante y deslizante 23 Por el contrario las transmisiones por tubo de empuje utilizaban un arbol cubierto por un tubo de empuje en prolongacion del carter del diferencial El arbol de transmision de estas transmisiones utilizaba una unica junta cardanica a la salida de la caja de cambios cubierta por una rotula a traves de la que se transmitia el empuje a la caja de cambios y de ahi al chasis a traves de los anclajes del motor Semiejes Los semiejes que conectan el diferencial con las ruedas en los vehiculos con suspension independiente montaron originariamente juntas cardanicas bien a la salida del diferencial ejes oscilantes bien en ambos extremos junto con un mecanismo telescopico en el resto de los sistemas Sin embargo cuando se utilizaron en los primeros vehiculos de traccion delantera las juntas cardanicas se enfrentaron a su caracteristica irregularidad periodica como dicha irregularidad aumenta con el angulo formado por los arboles al angulo entre el semieje y la rueda se suma el angulo de giro de la rueda que puede ser tan elevado que genere una vibracion que afecte a semiejes y caja de cambios Una primera solucion fue emplear un arbol de transmision con una junta cardanica a la salida de la caja de cambios junto con una junta delizante y un doble cardan en el lado de la rueda sistema empleado en los primeros Citroen o BMC de traccion delantera Estas primeras transmisiones pronto fueron sustituIdas por el sistema actual de juntas homocineticas con la universalizacion de la disposicion Giacosa 24 Otra alternativa empleada en los primeros vehiculos todo terreno fue asumir la irregularidad empleando un eje con solo dos juntas cardanicas reforzadas donde la falta de adherencia permitia el resbalamiento de la rueda sin afectar a la transmision Vease tambien EditarEje de transmision Junta homocineticaReferencias Editar a b Eduardo Agueda Casado Sistemas de transmision de fuerzas y trenes de rodaje Editorial Paraninfo 2012 p 277 de 624 ISBN 9788497328265 Publio Pintado Sanjuan Transmision Numero 29 de Ciencia y Tecnica Numero 29 de Coleccion Ciencia y Tecnica Ediciones de la Universidad de Castilla La Mancha Series Univ de Castilla La Mancha 2000 pp 101 de 154 ISBN 9788484270751 Consultado el 21 de mayo de 2018 Esteban Jose Dominguez Julian Ferrer Sistemas de transmision y frenado Ciclos Formativos Editex 2012 pp 215 de 420 ISBN 9788490033708 Consultado el 21 de mayo de 2018 see Universal Joint Invented by Gerolamo Cardano Archived copy Archivado desde el original el 22 de abril de 2017 Consultado el 21 de abril de 2017 Vease Tony Rothman 2013 Cardano v Tartaglia The Great Feud Goes Supernatural p 25 Available on line at Arxiv org Tenga en cuenta que Rothman menciona el error de Wikipedia con respecto a la supuesta invencion de Cardano de la articulacion universal Hans Christoph Seherr Thoss Friedrich Schmelz Erich Aucktor Universal Joints and Driveshafts Analysis Design Applications Berlin Germany Springer Verlag 1992 p 1 Marie Boas The Scientific Renaissance 1450 1630 New York New York Harper Brothers 1962 p 186 https web archive org web 20160411103028 https archive 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dextra ac sinistra mobilibus cum plures non possint esse situs necesse est ipsum in essedo quomodocumque agatur quiescere perpetuo By similar reasoning it has been found that the Emperor s chair might be so arranged that he remain fixed in whatever orientation be decided and he sit comfortably while he is transported This is based on the logic of the gimbal mounting the three steel rings are arranged by the movable poles i e ends of the axes upwards downwards forwards backwards right and left when more motions cannot be allowed because it is necessary that he in the carriage somehow be made to remain still constantly Hieronymi Cardani Gerolamo Cardano Mediolanensis Philosophi ac Medici Celeberrimi Operum Of the very famous works of the Milanese philosopher and physician Lyon Lugdunum France Jean Antoine Huguetan and Marc Antoine Ravaud 1663 vol 10 Opuscula miscellanea Miscellaneous works Paralipomenon Supplement Liber V De rebus factis raris amp artificiis Book 5 On rare and ingeniously made things Caput VII De Armillarum instrumento Chapter 7 On the armillary pp 488 489 a b c Mills Allan Robert Hooke s universal joint and its application to sundials and the sundial clock Notes amp Records of the Royal Society 2007 accessed online https web archive org web 20150925130716 http rsnr royalsocietypublishing org content 61 2 219 full pdf html enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima 2010 06 16 Gasparis Schotti Technica Curiosa sive Mirabilia Artis Libris XII Curious works of skill or marvelous works of craftsmanship Nuremberg Norimberga Germany Johannes Andreas Endter amp Wolfgang Endter 1664 Liber IX Mirabilia Chronometrica Book 9 Marvelous Clocks Caput V Signa chronometrica optica seu indices Chapter 5 Marvelous visual clocks or clocks with hands pp 664 665 Propositio XX Indicem sinuosum amp obliquatum per anfractus quosvis sine Rotis dentatis quocumque lubet educere Proposition 20 Como sin ningun engranaje para transmitir un giro a un eje desviado por ejemplo los ejes que mueven las manecillas de un reloj a traves de cualquier curva que uno quiera En el margen se imprime Vide Iconism VII Fig 32 Vease Plate 7 Figure 32 que representa la articulacion universal de Schott Schott primero indica que puede haber ocasiones cuando el engranaje de un reloj y la cara donde gira una aguja no se pueden alinear convenientemente por ejemplo relojes publicos instalados en torres Luego menciona en la descripcion de su construccion Technasma la palabra griega para artificio que la junta universal se asemeja a un cardan que se usa para sostener una lampara de aceite para que no se derrame La junta de Schott consiste en dos horquillas fuscinula cada una de las cuales consiste en un eje al que se fija una tira de metal doblada en un semicirculo en un extremo Cerca de cada extremo del semicirculo se perfora un agujero Tambien se hace una cruz con cuatro brazos perpendiculares crux sive 4 brachia Los agujeros en cada semicirculo encajan sobre los extremos de un par de brazos opuestos El angulo entre los ejes debe ser mayor que un angulo recto Al discutir el movimiento de la junta Motus Schott afirma que los dos ejes se mueven a la misma velocidad es decir forman una junta de velocidad constante horum autem ductum necesse est sequatur amp altera fuscinula parique cum priore illa feratur velocitate unde si fuerit unius fuscinulae motus regularis circularis erit similis amp alterius pero esta horquilla impulsada debe seguir a la otra horquilla de conduccion y llevara a una velocidad igual que la primera de ahi que si el movimiento de una horquilla fuera regularmente circular sera similar en la otra Para un historial parcial de las juntas universales vease Robert Willis Principles of Mechanism 2nd ed London England Longmans Green and Co 1870 Part the Fifth On Universal Joints pp 437 457 universal a adv and n para 13 Oxford English Dictionary Online accessed 2010 06 16 Hooke first described a universal joint in Hevelius instrument in Robert Hooke Animadversions on the first part of the Machina Coelestis London England John Martyn 1674 p 73 Here he calls the joint a universal Instrument From page 73 I shall show what use I have made of this Joynt for a universal Instrument for Dialling for equalling of Time for making the Hand of a Clock move in the Shadow of a Style and for performing a multitude of other Mechanical Operations The joint is depicted on Plate X Fig s 22 and 23 which are available at Posner Memorial Collection Carnegie Mellon University https web archive org web 20151117025019 http posner library cmu edu Posner books pages cgi call 530 H78AA amp layout vol0 2Fpart0 2Fcopy0 amp file 0093 enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Robert Hooke A Description of Helioscopes and Some Other Instruments London England John Martyn 1676 p 14 From p 14 The Universal Joynt for all these manner of Operations having not had time to describe the last Exercise I shall now more particularly explain Illustrations of Hooke s universal joint appear on p 40 Fig s 9 and 10 available at ETU Library Zurich Switzerland https web archive org web 20150923225412 http www e rara ch zut content pageview 731094 enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima a b Review of Ferdinand Berthoud s Treatise on Marine Clocks Appendix Art VIII The Monthly Review or Literary Journal Vol L 1774 see footnote page 565 Gunther Robert Theodore Early Science in Oxford vol 7 Life and work of Robert Hooke Part II Oxford England Dawsons of Pall Mall 1930 pp 621 622 Willis Robert Principles of Mechanisms London England John W Parker 1841 pp 272 284 J V Poncelet Traite de mecanique appliquee aux machines Part 1 Liege France Librairie scientifique et industrielle 1845 pp 121 124 Edmund P Morewood Improvement in Coating Iron and Copper U S Patent 3 746 Sept 17 1844 Ephraim Shay Locomotive Engine U S 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ISSN 0008 6002 Consultado el 21 de mayo de 2018 Enlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una categoria multimedia sobre juntas cardan Animacion en 3D de una cardan telescopica doble homocinetica Datos Q862003 Multimedia Universal jointsObtenido de https es wikipedia org w index php title Cardan amp oldid 134086109, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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