Cardán

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Modelo esquemático de una junta cardán

El cardán es un componente mecánico, descrito por primera vez por Girolamo Cardano, que permite unir dos ejes no coaxiales. Su objetivo es transmitir el movimiento de rotación desde un eje conductor a otro conducido a pesar de su no colinealidad.[1]

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[editar]

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 Gerolamo Cardano; 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 para 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[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 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 y 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[editar]

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[editar]

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 divido 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[editar]

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 una 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.

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Referencias[editar]

  1. a b 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». Archivado 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 https://web.archive.org/web/20160411103028/https://archive.org/stream/scientificrenais007153mbp (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial y la última versión)..
    • 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: https://web.archive.org/web/20171011035211/https://archive.org/stream/immagineDE295MiscellaneaOpal (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial y la última versión). "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. a b c 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 https://web.archive.org/web/20150925130716/http://rsnr.royalsocietypublishing.org/content/61/2/219.full.pdf+html (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial y la última versión). 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 https://web.archive.org/web/20151117025019/http://posner.library.cmu.edu/Posner/books/pages.cgi?call=530_H78AA&layout=vol0%2Fpart0%2Fcopy0&file=0093 (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial y la última versión).
  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 https://web.archive.org/web/20150923225412/http://www.e-rara.ch/zut/content/pageview/731094 (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial y la última versión)..
  12. 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.
  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. Archivado desde el original el 5 de octubre de 2017. Consultado el 4 May 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[editar]