Comparación de las transmisiones por correa de distribución MXL y S2M (dientes trapezoidales frente a dientes curvilíneos)

1. Introducción

Las correas de distribución con dientes trapezoidales fueron desarrolladas por primera vez por la empresa estadounidense Uniroyal Rubber en 1964 y se fueron adoptando gradualmente para aplicaciones de transmisión mecánica.

Figura 1: Perfil del diente de la correa síncrona de dientes trapezoidales

En este tipo de correa de distribución, caracterizada por un perfil de diente trapezoidal, los flancos de los dientes son líneas rectas. Esta geometría específica del perfil genera una fuerte concentración de tensiones en las raíces de los dientes, lo que, a altas velocidades, reduce tanto la vida útil de la correa como su capacidad de carga. Además, durante la transmisión, estas correas generan altos niveles de ruido y vibración, limitando así la velocidad máxima de operación. Un análisis posterior de la tensión fotoelástica reveló que la distribución de tensiones dentro del perfil de diente trapezoidal es muy irregular, con una concentración significativa de tensiones en la raíz; esto hace que los dientes sean propensos a la fractura y la falla. Además, el área de contacto real de carga del diente trapezoidal ocupa solo alrededor de un tercio de la superficie total del flanco del diente, lo que indica que este diseño no aprovecha al máximo todo el potencial de carga de los dientes de la correa.

En 1973, Uniroyal desarrolló una correa de distribución de dientes curvilíneos simples (conocida como HTD; correspondiente al estándar nacional JB/T 7512.1). Este diseño redujo eficazmente el "efecto poligonal" inherente a las transmisiones por correa y logró una distribución de tensiones más racional, lo que propició su creciente adopción. Sin embargo, posteriormente se observó que, al aumentar la velocidad de transmisión por encima de cierto umbral, estas correas de dientes curvilíneos volvían a generar ruido y presentaban una notable disminución en la eficiencia de la transmisión. En consecuencia, en 1977, la empresa estadounidense Goodyear modificó este perfil de diente para crear la correa de distribución de dientes curvilíneos de parte superior plana (STPD). Este diseño mejoró significativamente la dinámica del flujo de aire en el momento preciso del acoplamiento entre los dientes de la correa y los de la polea, mitigando así sustancialmente la resistencia de amortiguación del aire, un fenómeno típicamente asociado con el engranaje a alta velocidad.

Figura 2: Perfil del diente de la correa síncrona de dientes curvos STPD

En los últimos años, China ha experimentado un rápido crecimiento en los sectores nacionales de equipos de videovigilancia, sistemas de videoconferencia, impresoras y fotocopiadoras, lo que ha propiciado una creciente utilización de correas dentadas en estos dispositivos. Dado que estos dispositivos compactos suelen requerir una transmisión de potencia relativamente baja y velocidades de funcionamiento moderadas, utilizan principalmente correas de pequeño tamaño. Además de la necesidad de bajos niveles de ruido, los parámetros de rendimiento más importantes para estas aplicaciones son la vida útil y la precisión de la transmisión angular. Las series de correas dentadas MXL, S1.5M y S2M están diseñadas específicamente para cumplir con estos requisitos. Actualmente, los fabricantes nacionales, incluidos algunos de renombre, siguen utilizando ampliamente las correas dentadas MXL. En cambio, los fabricantes extranjeros, especialmente en Japón, ya han adoptado ampliamente las correas dentadas con perfil STPD para dispositivos electrónicos de pequeño tamaño, como los mecanismos internos de equipos financieros, impresoras y fotocopiadoras.

Aunque los perfiles dentados de las correas de distribución MXL y S2M difieren, sus pasos son muy similares: el paso de la MXL es de 2,032 mm, mientras que el de la S2M es de 2,000 mm. Por consiguiente, pueden utilizarse en los mismos sistemas de transmisión. Por este motivo, he seleccionado estos dos tipos de correas para un análisis comparativo, lo que permite evaluar claramente las ventajas y desventajas respectivas de estas dos categorías distintas de correas de distribución. Tras más de una década de investigación y pruebas comparativas en sistemas de transmisión de equipos de vigilancia financiera y de seguridad, la correa S2M supera sistemáticamente a la correa MXL en términos de vida útil y precisión de transmisión.

2. Análisis comparativo

2.1 Comparación del perfil dental

Primero, comparemos los perfiles dentados de ambas correas. En la figura siguiente, la línea oscura representa el perfil dentado de la correa de distribución S2M, mientras que la línea clara representa el de la correa de distribución MXL. El espesor base de ambas correas es idéntico, de 0,6 mm; sin embargo, los dientes de la correa S2M son notablemente más anchos que los de la correa MXL, especialmente en la raíz. Además, el radio de curvatura del diente de la correa S2M (R0,2) es mayor que el del diente de la correa MXL (R0,13). Suponiendo que los materiales de las correas sean idénticos, la correa S2M posee una resistencia estructural superior a la de la correa MXL, lo que le permite transmitir mayor potencia. Por el contrario, si los requisitos de transmisión de potencia son idénticos, la correa S2M ofrecerá una vida útil más larga que la correa MXL.

En comparación con las poleas, la resistencia estructural y la resistencia al desgaste de la correa de distribución suelen ser ligeramente inferiores; por consiguiente, la correa suele ser el factor limitante en cuanto a la vida útil y la capacidad de carga del sistema de transmisión. Esto se debe a que el cuerpo de la correa normalmente incorpora elementos de refuerzo, como alambres de acero o cordones de fibra de vidrio, lo que deja a los dientes como los componentes estructurales relativamente más débiles.

Figura 3: Comparación de dos perfiles de dientes de correa síncrona (dientes trapezoidales MXL y dientes curvos S2M).

El sistema de transmisión por correa dentada de dientes arqueados aborda este problema aumentando el grosor de los dientes de la correa para mejorar su integridad estructural, a la vez que reduce ligeramente el grosor de los dientes de la polea (reduciendo así ligeramente su resistencia estructural). Este enfoque de diseño se ajusta mejor a los requisitos prácticos de la aplicación, lo que resulta en una mejora general tanto de la vida útil como de la capacidad de carga. También podemos obtener datos específicos sobre este punto en los manuales técnicos proporcionados por Mitsuboshi Belting (Japón); consulte las tablas a continuación (se muestra una selección parcial):

• Figura 4: Capacidad básica de transmisión de potencia de las correas de distribución MXL (parcial)

• Figura 5: Capacidad básica de transmisión de potencia de las correas de distribución S2M (parcial)

• Figura 6: Par de transmisión admisible para correas de distribución MXL (parcial)

• Figura 7: Par de transmisión admisible para correas de distribución S2M (parcial)

Cabe destacar que el ancho estándar de la correa de distribución S2M mostrada arriba es de 4 mm, mientras que el de la correa de distribución MXL es de 6,4 mm. Tanto en términos de potencia como de par motor, la correa S2M supera a la correa MXL en al menos un 50 %. Si estas cifras se normalizaran a un ancho de correa común, la ventaja de rendimiento de la correa S2M sobre la correa MXL sería aún más evidente.

2.2 Comparación de las características de mallado

A continuación, comparemos las características de engranaje de las correas de distribución y sus poleas correspondientes.

• Figura 8: Comparación de las condiciones de engranaje para dos tipos de correas de distribución (MXL frente a S2M)

• Figura 9: Dimensiones básicas de dos tipos de poleas de distribución (MXL vs. S2M)

Comparación de fotografías reales del proceso de mallado:

• Figura 10: Engranaje real de la correa de distribución y la polea MXL.

• Figura 11: Engranaje real de la correa de distribución y la polea S2M.

Como se puede observar —y en consonancia con los perfiles teóricos de los dientes—, existe una holgura notable entre la correa de distribución MXL y su polea; al empujarla manualmente, se percibe un ligero deslizamiento. En cambio, no existe holgura visible entre la correa de distribución S2M y su polea; al empujarla, no se aprecia ningún deslizamiento a simple vista. La correa de distribución MXL presenta holguras distintivas tanto en los flancos como en las puntas de los dientes, lo que resulta en un "efecto poligonal" más pronunciado en comparación con las correas de distribución con un perfil de diente curvilíneo.

Como se ilustra en las figuras anteriores, el perfil del diente de la correa de distribución MXL es menor que el perfil de la ranura de la polea. La suma teórica de las holguras a ambos lados del diente de la correa es de aproximadamente 0,2 mm, lo que significa que la holgura representa aproximadamente el 18 % del ancho del diente. Además, la altura del diente de 0,51 mm es menor que la profundidad de la ranura correspondiente de 0,64 mm. Cuando la correa de distribución S2M se acopla con su polea, las dimensiones de los dientes de la correa y las ranuras de la polea son casi idénticas, lo que resulta en una holgura mínima. Teóricamente, la holgura combinada a ambos lados de un solo diente de la correa asciende a aproximadamente 0,08 mm, un espacio equivalente a cerca del 6 % del ancho del diente. Además, la altura del diente y la profundidad de la ranura coinciden perfectamente a 0,76 mm, lo que garantiza una holgura nula en la dirección vertical (altura del diente).

Basándonos en este análisis de la holgura de acoplamiento, resulta evidente que si la tensión aplicada a la correa de distribución es insuficiente —lo que provoca deslizamiento entre la correa y la polea—, la precisión de la transmisión se verá inevitablemente afectada. Teóricamente, la precisión de transmisión de un sistema de correa de distribución MXL es algo menor que la de un sistema S2M. Desde una perspectiva estrictamente geométrica, el error angular para una correa MXL es aproximadamente (donde Z2 es el número de dientes de la polea conducida) 18 % × 360°/Z2; por el contrario, el error angular para una correa S2M es aproximadamente 6 % × 360°/Z2. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, la tensión de la correa suele mantenerse a un nivel relativamente alto —minimizando el deslizamiento—, lo que significa que la precisión real alcanzada suele superar estos valores teóricos.

En las correas de distribución MXL, el contacto se produce únicamente entre las raíces de los dientes y las crestas de la polea; esto genera una concentración de tensión relativamente alta, lo que limita la tensión máxima que la correa puede soportar. En cambio, las correas de distribución S2M hacen contacto con la polea tanto en las puntas como en las raíces de los dientes, lo que resulta en una distribución de fuerza más uniforme. Esto reduce significativamente el "efecto poligonal". Además, el proceso de acoplamiento, facilitado por el perfil curvilíneo de los dientes de la correa, es notablemente más suave; por consiguiente, las correas S2M con estos dientes curvilíneos ofrecen una capacidad de carga superior y una vida útil prolongada.

3. Pruebas empíricas

Para esta evaluación, se seleccionó una cámara de vigilancia PTZ (Pan-Tilt-Zoom) para evaluar la precisión de sus capacidades de posicionamiento preestablecido. Se probaron dos sistemas de transmisión distintos: uno que utilizaba dientes de perfil MXL y otro que utilizaba dientes de perfil S2M. Ambos sistemas empleaban modelos de motor idénticos; aparte de las poleas y correas de transmisión específicas, todos los demás componentes del conjunto permanecieron exactamente iguales. El sistema de transmisión de la cámara funciona mediante dos ejes de rotación, como se ilustra en la Figura 12. Específicamente, la lente de la cámara es capaz de una rotación continua de 360° alrededor del eje Z, así como una rotación recíproca dentro de un rango de 110° alrededor del eje Y; ambos movimientos son impulsados ​​por correas dentadas. Para los fines de esta prueba, nos centramos en el mecanismo de rotación vertical, que presenta una relación de transmisión de 1:4 (compuesta por una polea de transmisión de 20 dientes y una polea conducida de 80 dientes). La correa MXL utilizada fue el modelo "180MXL" (con una longitud de paso de 365,76 mm), mientras que la correa S2M utilizada fue el modelo "S2M364" (con una longitud de paso de 364 mm). La lente de la cámara se colocó a una distancia de 15,6 metros de la escala de referencia utilizada para la medición.

Una posición predefinida es un método para vincular un área clave bajo vigilancia con el estado operativo de una cámara PTZ. Mediante control manual o programado, la cámara PTZ puede girar a cualquier ángulo, el cual se puede configurar y guardar como una posición predefinida. Recuperar una posición predefinida es una función estándar de las cámaras PTZ de vigilancia. Independientemente de la dirección en la que apunte la lente de la cámara, una vez que se recupera una posición predefinida, la cámara girará rápidamente a esa ubicación específica.

Figura 12: Esquema de prueba para comparar la precisión de las transmisiones por correa de distribución.

Cuando se recupera una posición preestablecida mediante software, la cámara PTZ gira hasta la ubicación correspondiente; sin embargo, suele producirse una desviación de la posición configurada originalmente. Además de la influencia del software y del motor, el factor principal que contribuye a esta desviación es el error de transmisión de la correa dentro del mecanismo de la cámara PTZ. Para eliminar la influencia del software y del motor, las pruebas se realizaron utilizando una única unidad de cámara PTZ equipada con el mismo modelo de motor durante todo el proceso. Solo se intercambiaron las poleas y las correas de distribución; por lo tanto, las poleas y las correas fueron las únicas variables en el experimento. La desviación real medida durante estas pruebas sirve como indicador directo de la precisión de transmisión en condiciones reales que logra el sistema de correa de distribución MXL en comparación con el sistema de correa de distribución S2M.

Como indican los datos de prueba de la Tabla 1, la correa de distribución S2M demuestra una precisión significativamente mayor que la correa de distribución MXL en condiciones de funcionamiento idénticas. Cuando la tensión de la correa supera los 25 N, un aumento adicional de la tensión solo produce mejoras marginales en la precisión; más allá de los 30 N, el impacto del aumento de la tensión en la precisión se vuelve aún menos significativo. Cabe destacar que la correa de distribución S2M es capaz de lograr una precisión de transmisión superior incluso en condiciones de tensión relativamente bajas. Además, se observó que las características de amortiguación del sistema de movimiento tienen un impacto sustancial en la precisión de la transmisión.

Tabla 1: Datos de prueba sobre desviaciones al recuperar posiciones preestablecidas (consulte los datos originales en el artículo).

4. Datos de la prueba de resistencia a la tracción

Como se ilustra en la figura siguiente, proporcionada por Bando Chemical Industries: Tanto la correa de distribución MXL como la S2M están fabricadas con caucho y comparten un espesor base idéntico de 0,6 mm. Debido a su composición idéntica, su resistencia a la tracción (denominada «resistencia a la rotura» en los dibujos técnicos) es prácticamente equivalente. (Nota: Los valores de espesor de la correa mostrados en los diagramas incluyen la altura de los dientes; concretamente, si bien ambas correas, la MXL y la S2M, tienen un espesor base de 0,6 mm, el espesor total —incluidos los dientes— es de 1,1 mm para la correa MXL y de 1,31 mm para la correa S2M).

• Figura 13: Materiales y estructura de la correa de distribución MXL

• Figura 14: Materiales y estructura de la correa de distribución S2M

5. Resumen y debate

En resumen, la correa de distribución S2M de dientes curvilíneos supera a la correa de distribución MXL de dientes trapezoidales en precisión de transmisión; esta es una gran ventaja de las correas de dientes curvilíneos. Los requisitos de instalación para las correas de dientes curvilíneos son similares a los de las correas de dientes trapezoidales; sin embargo, ofrecen una vida útil más larga y admiten un rango más amplio de ajustes de tensión. Desde el punto de vista del costo, si bien el peso por unidad de ancho de la correa de distribución S2M es ligeramente superior, y el costo para un ancho equivalente puede ser marginalmente mayor (aproximadamente 1,18:1), se puede fabricar con un perfil más estrecho. Por consiguiente, el costo real no es necesariamente mayor que el de la correa de distribución MXL; de hecho, a menudo puede ser menor, lo que ofrece claras ventajas en términos de reducción del volumen total del sistema de transmisión. Según los cálculos de capacidad de transmisión, una correa de distribución S2M de 4 mm de ancho puede reemplazar eficazmente a la gran mayoría de las correas de distribución MXL de 6,4 mm de ancho, lo que podría reducir los costos reales en más del 25 %.

Si bien China ya ha establecido normas nacionales para las correas dentadas curvilíneas de la serie HTD, su adopción sigue siendo relativamente poco común; además, existe una notable falta de normas establecidas para las correas dentadas curvilíneas de micro y pequeña escala (específicamente las más pequeñas que la serie 3M).

El diseño de dientes curvilíneos ha evolucionado aún más en la serie RPP, que presenta un perfil de diente parabólico con la parte superior cóncava que genera niveles de ruido aún más bajos, como se ilustra en la Figura 15.

Figura 15: Perfil de diente parabólico cóncavo superior RPP

6. Conclusión

Las correas dentadas trapezoidales tienen una larga trayectoria en China y siguen siendo las más utilizadas. Sin embargo, la superioridad inherente de las correas dentadas curvilíneas es innegable. Por lo tanto, es fundamental implementar políticas que promuevan y apoyen la adopción de correas dentadas curvilíneas como reemplazo de las trapezoidales, especialmente en el sector de la pequeña industria, con el fin de acelerar la formulación de las normas pertinentes y facilitar la modernización y actualización industrial del sector manufacturero nacional.