Transmisión por fricción

Una transmisión por fricción o motor de fricción es un tipo de transmisión que utiliza la fricción estática de dos superficies lisas (en lugar de la presión de contacto de los dientes engranados) para transferir par entre dos piezas giratorias.

Este tipo de mecanismo también se denomina transmisión de tracción, aunque este término suele referirse específicamente a transmisiones en las que se utiliza una capa de fluido de tracción (que se solidifica momentáneamente bajo presión) para aumentar el coeficiente de fricción entre las dos partes a 0,1 o más.

En general, al menos una de las dos partes es rígida y puede ser cualquier sólido de revolución, como un disco, un cilindro o un cono. Si bien la mayor parte de las partes rígidas puede estar construida con cualquier material duro, como metal o plástico, al menos una de las superficies donde entran en contacto suele estar recubierta de algún material de alta fricción, como caucho duro (o, en los primeros sistemas, papel o cuero).

El ejemplo más común de transmisión por fricción es un par de poleas y correas (lisas). Sin embargo, el nombre "transmisión por fricción" se utiliza con más frecuencia cuando ambas partes son rígidas.

En 1887, C. W. Hunt patentó un sistema de tracción. En los años siguientes, General Motors y la NASA lo utilizaron ocasionalmente, pero su uso se generalizó recién después de que se desarrollaron mejores fluidos de tracción y máquinas fresadoras CNC de alta precisión.

La forma más simple de transmisión por fricción es un par de cilindros montados sobre ejes paralelos, que se presionan entre sí.

La ventaja mecánica de este sistema está determinada por la relación r entre los radios R₁ y R₂ de los dos cilindros. Es decir, los pares T y T en los dos ejes satisfarán T₁/T₂ = r = R₁/R₂, mientras que las velocidades de rotación ω₁ y ω₂ satisfarán ω₁/ω₂ = 1/r = R₂/R₁.

Este sistema se utiliza, por ejemplo, para accionar las bobinas de algunas grabadoras de cinta. En una configuración típica, uno de los cilindros es el eje de un motor eléctrico, de un diámetro de, por ejemplo, 1 mm, mientras que el otro es un disco con un borde de goma dura, de, por ejemplo, 50 mm de diámetro, lo que produce una ventaja mecánica de 1:50. Un tren de engranajes con la misma relación requeriría engranajes mucho más grandes o dientes muy finos, lo que sería mucho más costoso y delicado de producir.

Otra aplicación importante son las bicicletas motorizadas, en las que un rodillo recubierto de goma conectado al motor impulsa una de las ruedas de la bicicleta por fricción. Otros ejemplos son los motores adicionales para accionar volantes.

Otro tipo importante de transmisión por fricción consiste en una rueda que rueda sobre una superficie mayoritariamente plana o una pista mayoritariamente recta. Esto podría considerarse un caso límite de la disposición de cilindros paralelos, en la que uno de los cilindros tiene un radio prácticamente infinito. En este caso, el objetivo no es transferir el par, sino convertir el par en fuerza lineal, y el movimiento giratorio de la rueda en un movimiento lineal relativo de las dos partes.

El ejemplo más común son, por supuesto, los vehículos con ruedas que circulan por carreteras o vías ferroviarias, pero la misma disposición también se utiliza en muchas otras aplicaciones, como las cintas transportadoras y las montañas rusas.

Otro tipo importante de transmisión por fricción consiste en dos discos con ejes perpendiculares, dispuestos de manera que el borde de una rueda presione contra la cara plana de la otra. La fricción entre las dos ruedas hace que el par aplicado a una rueda se transfiera a la otra.

La ventaja mecánica del sistema está determinada por la relación r entre el radio R₁ de la primera rueda y la distancia R₂ de la segunda rueda entre su eje y el punto de contacto. Si el primer disco está montado de forma que pueda deslizarse a lo largo de su eje, el radio R₂, y por tanto la relación r, pueden variarse continuamente incluso mientras los discos están girando. El sistema es entonces una transmisión continuamente variable que no requiere embrague.

Un problema con este diseño es que los bordes interior y exterior del primer disco se mueven a la misma velocidad, pero la velocidad en la superficie del segundo disco aumenta proporcionalmente con la distancia al eje. Este desajuste de velocidad provoca una fricción considerable en los bordes del primer disco, desgastándolo y desperdiciando potencia mecánica en forma de calor. Dado que estos efectos son proporcionales a la presión de contacto y a la velocidad relativa de las superficies de fricción, limitan el par y la velocidad de rotación que se pueden transferir.

Este tipo de transmisión por fricción se utilizó en los primeros automóviles, pero hoy en día el sistema se utiliza más comúnmente en scooters, en particular en los go-pedales, como sustituto de un sistema de cadena y engranaje. Es mecánicamente idéntico a un integrador de bolas y discos, pero está diseñado para manejar niveles de par más elevados.

El accionamiento por fricción se ha utilizado con más éxito en aplicaciones de bajo consumo, como el accionamiento de tocadiscos de fonógrafo.

Entre los automóviles que utilizaban este sistema de propulsión se encontraban el Anglo-Dane, el Arista, el Armadale, el Astra, el Allvelo, el Bukh & Gry, el Cartercar, el Crown 12HP Model Two (1905-1906), el Davis Totem, el G.W.K., el Kelsey, el Lambert, el LuLu, el Metz, el Ner-a Car, el Richardson y el Turicum. El sistema de propulsión por fricción del Turicum consistía en un disco de acero plano acoplado directamente al motor. Este disco primario impulsaba posteriormente una rueda más pequeña cubierta de cuero orientada de forma normal a su superficie. Suponiendo una velocidad de rotación constante en la rueda primaria, la velocidad angular en la superficie del disco aumentará proporcionalmente a la distancia desde el centro de rotación. Por lo tanto, la posición de la rueda más pequeña en diferentes puntos a lo largo de la superficie de la rueda más grande varía la relación de transmisión. Además, dado que no hay limitaciones más allá de las posiciones mínima y máxima, las relaciones de transmisión se pueden ajustar infinitamente. El mecanismo de fricción del Lambert (ilustrado) era similar, pero utilizaba un disco de accionamiento con revestimiento de aluminio y una rueda motriz con revestimiento de fibra.

Los tres primeros modelos de Plymouth Locomotive Works, AL, BL y CL, estaban equipados con un sistema de transmisión por fricción.

Los primeros modelos de la carretilla Wickham del capataz de mantenimiento de vías permanentes utilizaban un motor JAP bicilíndrico en V. Este se accionaba mediante un gran volante plano y una transmisión por fricción.

Aunque son mecánicamente simples, los accionamientos por fricción tienen una serie de limitaciones. La primera es que la cantidad de par que se puede transferir es una función del área de la zona de contacto entre los dos miembros y la presión que le aplican las dos partes. Al aumentar cualquiera de los parámetros, aumenta el par máximo transmitido, pero también aumentan las pérdidas debido a la fricción y la deformación local del material en el contacto.

Los accionamientos por fricción también sufren deslizamientos cuando se sobrecargan, ya que se alcanza el límite de fricción estática. También acumulan pequeñas cantidades de deslizamiento en el funcionamiento normal porque la deformación local de la superficie cambia el radio efectivo de la pieza. Por lo tanto, no se pueden utilizar para un posicionamiento rotacional preciso, a menos que el motor utilice algún esquema de retroalimentación para compensar esos errores.

Por otro lado, existen aplicaciones donde se desea el deslizamiento, ya que evita daños al mecanismo en caso de sobrecarga.

• Mecánica de contacto – Estudio de la deformación de sólidos que se tocan entre sí
• Mecánica de contacto friccional – Estudio de la deformación de los cuerpos en presencia de efectos friccionales
• Ferrocarril de Adhesión – Ferrocarril confía en la adhesión para mover trenes
• Rolling (metalworking) – Proceso de formación de metal
• CVT toroidal or roller-based (Extroid CVT) – Tecnología de transmisión automotriz
• Tribología – Ciencia e ingeniería de superficies de interacción en movimiento relativo

• Imagen animada de un CVT toroidal en HowStuffWorks Archived 2019-01-10 en la máquina Wayback