¿Qué es un cardán y cuáles son sus principios de funcionamiento?

En este artículo exploraremos la naturaleza del cardán, su historia documentada, las ecuaciones que rigen su movimiento y sus aplicaciones prácticas en la industria automotriz.

¿Cómo se define un cardán y cuáles son sus componentes mecánicos principales?

El cardán, también conocido como junta universal o articulación cardánica, es un sistema mecánico diseñado para unir dos ejes no coaxiales, permitiendo transmitir el movimiento de rotación entre ellos incluso cuando forman un ángulo de hasta 90 grados. Está constituido fundamentalmente por dos piezas en forma de horquilla y una cruceta central. Los cuatro extremos de la cruceta se montan sobre cojinetes encajados a presión en las horquillas y se aseguran mediante bridas para asegurar la transferencia del par motor.

¿Por qué la junta cardán se considera un mecanismo no homocinético?

A diferencia de otras articulaciones, la junta cardán presenta la característica de ser no homocinética; esto significa que el eje conducido no gira a una velocidad angular constante a pesar de que el eje conductor lo haga. La relación de transmisión oscila de manera periódica, generando una aceleración y un retraso por cada medio giro del mecanismo. La magnitud de esta variación aumenta de forma proporcional en función del ángulo formado por los árboles de transmisión, lo que puede provocar vibraciones si no se gestiona adecuadamente.

¿Cuál es el origen histórico de la articulación universal?

El concepto principal tiene precedentes en la antigüedad, como en el uso de balistas por los griegos o en la suspensión de los gimbals. En Europa, la articulación se asocia habitualmente con el matemático italiano Girolamo Cardano, aunque sus escritos originales describían montajes de anillos concéntricos o soportes de lámparas más que juntas universales de transmisión. Posteriormente, científicos como Robert Hooke en el siglo XVII analizaron formalmente su rotación no uniforme y propusieron soluciones basadas en el desfase de dos juntas para lograr velocidades uniformes.

¿De qué manera se relacionan matemáticamente las velocidades angulares en un cardán?

El movimiento de una junta cardán se especifica mediante las variables de rotación de cada eje y el ángulo de plegado entre ellos. Debido a la geometría del acoplamiento, la relación entre la velocidad angular del eje de entrada y la del eje de salida no es lineal, sino que sigue una función periódica que depende de la inclinación geométrica de los árboles conectados. Cuanto mayor es el ángulo de inclinación, mayores son las diferencias tanto de velocidad como de aceleración angular.

¿Cómo se utiliza el cardán en la industria automotriz contemporánea?

En los vehículos actuales, el uso principal de las juntas cardánicas se concentra en el árbol de transmisión longitudinal que transfiere la fuerza desde el motor delantero hacia las ruedas traseras en configuraciones de tracción trasera. Gracias al uso de suspensiones independientes o esquemas donde el diferencial está fijado al chasis, las juntas permiten absorber los pequeños desplazamientos relativos del grupo propulsor sobre sus soportes elásticos y reducir las vibraciones mecánicas.

Sources & Further Reading

Eduardo Águeda Casado, Sistemas de transmisión de fuerzas y trenes de rodaje, Editorial Paraninfo, 2012.

Publio Pintado Sanjuán, Transmisión, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, 2000.

Esteban José Domínguez y Julián Ferrer, Sistemas de transmisión y frenado Ciclos Formativos, Editex, 2012.