Comparación de densidad de potencia, longitud axial, rendimiento y sensibilidad a las tolerancias, además de las aplicaciones donde un esquema de ejes paralelos sigue ganando en coste total.
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Casi todas las consultas sobre engranajes empiezan con el plano de un engranaje. Las preguntas más caras se resolvieron mucho antes de que ese plano existiera: si la reducción la lleva un tren planetario o árboles paralelos decide el número de piezas, la cadena de tolerancias, la firma acústica, el procedimiento de servicio y, al final, el coste unitario en volumen. Acertar aquí vale más que cualquier negociación sobre el precio por pieza.
Las dos arquitecturas no son tanto rivales en el mismo mercado como herramientas para restricciones distintas. Un tren planetario gana cuando la envolvente es corta y el par alto. Una disposición de árboles paralelos gana cuando el volumen es moderado, la relación es grande o la caja debe repararse en un taller de campo con herramientas de mano. Saber qué restricción es la limitante en un programa dado es la mayor parte del juicio de ingeniería.
En una caja de árboles paralelos el par pasa por un solo engrane a la vez. Cada par de dientes soporta la carga completa de esa etapa, así que el engranaje debe dimensionarse para ella: mayor módulo, mayor ancho, más material. El arreglo es fácil de dibujar, de inspeccionar y de reparar, y tolera con cierta generosidad la flecha del árbol y la desalineación de la carcasa, porque solo hay un engrane que mantener alineado.
En un tren planetario el mismo par se reparte entre tres a seis planetarios que giran entre un piñón solar y una corona. Cuatro planetarios, repartiendo idealmente por igual, soportan cuatro veces el par de un engrane del mismo tamaño. Ahí está la densidad de potencia y también la dificultad: la carga solo se divide por igual si los alojamientos del portasatélites, los ejes de los planetarios, la corona y el solar se fabrican con una banda de tolerancia bastante más estrecha que las piezas equivalentes de árboles paralelos.
El factor de reparto de carga lo cuantifica. Las normas de cálculo usan un factor de aproximadamente 1,1 a 1,3 para un conjunto de cuatro planetarios bien fabricado: el cálculo supone que cada planetario soporta entre un 10 y un 30% más de su cuota nominal. Si la dispersión de fabricación es mala, el factor real es peor que el supuesto y el engranaje falla antes de tiempo bajo una carga que el cálculo consideraba segura. Por eso los engranajes planetarios son un problema de fabricación disfrazado de problema de diseño.
La tabla compara las arquitecturas para una reducción de vehículo pesado de unas 4:1 con 2.000 Nm de entrada. Los valores son típicos, no universales, pero el patrón se repite en programas de vehículo, industria y off-highway.
| Criterio | Tren planetario | Árboles paralelos |
|---|---|---|
| Densidad de potencia | alta, 3–4× por volumen | menor, dimensionada por un engrane |
| Longitud axial | corta, a menudo 40–50% menos | larga, las etapas se acumulan |
| Rendimiento por etapa | 98–99% | 97,5–98,5% |
| Relación en un conjunto | 3:1 a 10:1 | 1,5:1 a 6:1 por etapa |
| Número de piezas | mayor, 20–40 piezas | menor, 12–20 piezas |
| Sensibilidad a tolerancias | alta, de ella depende el reparto | moderada |
| Carácter del ruido | multiengrane, bandas laterales | un engrane, tonal |
| Reparación en campo | portasatélites y ejes, en taller | rodamientos y engranajes sustituibles |
| Utillaje con 1.000 piezas | mayor | menor |
| Coste unitario con 50.000 | menor | mayor |
El mapa de aplicaciones es más útil que cualquier cifra aislada. Muestra dónde está realmente la restricción del programa —envolvente, coste, mantenibilidad o rendimiento— y por tanto a qué arquitectura ha convergido ya el mercado.
| Aplicación | Elección habitual | Restricción limitante |
|---|---|---|
| Eje eléctrico de turismo, una velocidad | planetario o con descentramiento | longitud axial, ruido |
| Reductor de cubo de camión pesado | planetario | densidad de par en la rueda |
| Caja de tractor, 12+ marchas | árboles paralelos | número de relaciones, servicio |
| Transmisión de cargadora | trenes planetarios en serie | par y calidad de cambio |
| Multiplicadora de aerogenerador | etapa planetaria + paralela | densidad de par, fiabilidad |
| Reductor de transportador industrial | árboles paralelos | coste, relaciones estándar |
| Giro de excavadora | planetario | envolvente compacta, relación alta |
Dos filas merecen comentario. El eje eléctrico de turismo es una contienda real: el planetario es más corto, la disposición con descentramiento es más barata y silenciosa de desarrollar, y ambas están hoy en producción. La multiplicadora eólica combina las dos porque ninguna arquitectura da 100:1 con par de varios megavatios sin volverse irrealizable.
Tres situaciones favorecen el arreglo simple, y no son marginales. La primera es el volumen bajo: por debajo de unas 3.000 unidades al año, el utillaje y el desarrollo de proceso necesarios para sostener las posiciones de alojamiento del portasatélites y la redondez de la corona suelen costar más que el material ahorrado por la envolvente menor.
La segunda es una relación grande en pocas etapas. Un par de árboles paralelos hace 4:1 con holgura; un tren planetario a 8:1 en una etapa ya aprieta el tamaño de los planetarios y el rendimiento del engrane, y por encima hacen falta dos conjuntos, lo que erosiona la ventaja de longitud que justificaba la elección.
La tercera es la mantenibilidad. Un portasatélites planetario es un conjunto de precisión: planetarios sobre ejes, agujas o casquillos, arandelas de empuje, a veces un solar flotante. Reconstruirlo en un taller de campo no es realista, mientras que una caja de árboles paralelos se desmonta, se inspecciona y se vuelve a montar con extractores estándar. Para clientes agrícolas y mineros que miden el paro en días, esto puede pesar más que un 20% de penalización en tamaño.
Si la arquitectura es planetaria, el plano del engranaje es solo una parte de la compra. Cinco características deciden si el conjunto repartirá la carga y se mantendrá silencioso, y las cinco deben figurar en el acuerdo técnico y no quedar al proceso del proveedor:
Añada un criterio de aceptación de ruido al mismo documento. Un conjunto con cuatro engranes genera una estructura densa de bandas laterales alrededor de la frecuencia de engrane, así que un límite de nivel sonoro global es una prueba débil; un límite sobre la amplitud en la frecuencia de engrane y sus primeras bandas laterales, a velocidad y carga declaradas, detectará problemas de reparto que el nivel global esconde.
Elija planetario cuando la envolvente esté fijada, el par sea alto, el volumen anual justifique el control del proceso y el cliente tenga un taller capaz de manejar un conjunto de portasatélites. Elija árboles paralelos cuando el volumen sea moderado, la relación grande, el diseño siga moviéndose o la reparación en campo importe más que el tamaño. Y en cualquier caso, especifique las características que de verdad gobiernan el reparto de carga y el ruido, no solo la clase de precisión del diente, que en un tren planetario nunca es toda la historia.
