Marco del extremo del conmutador: qué falla realmente y qué es lo que realmente importa

Si el conmutador Es el cerebro de un motor con escobillas o un motor de arranque, el marco del extremo del conmutador es el cuello que siempre olvidas hasta que se rompe. Soporta el cojinete, fija la posición de las escobillas, conduce la corriente, cierra la pila magnética y mecánica, y suele ser el último en recibir las culpas. Si lo tratas como un simple soporte, acabarás depurando durante meses el “misterioso” desgaste de las escobillas y el arranque lento. Si lo tratas como una interfaz de precisión, toda la máquina funcionará correctamente.

Dónde se encuentra realmente el marco final del conmutador en el sistema

En un motor de corriente continua o un motor de arranque de automóvil, el lado del conmutador ya está abarrotado: segmentos de cobre, escobillas de carbón, terminaciones, ruido de conmutación y mucho calor. El bastidor final o soporte final es la carcasa estructural que mantiene todo eso en una relación repetible con el rotor. Es la carcasa del lado del conmutador, que lleva el alojamiento del cojinete, las ventanas o soportes de las escobillas, los terminales y, a menudo, la ruta de tierra.

Los catálogos de producción lo tratan como una pieza fundida, un soporte, a veces solo un número de pieza agrupado con “componentes del motor y del combustible” para principiantes. Pero, en la práctica, soluciona tres cosas que le importan más de lo que sugiere el texto publicitario. Define el espacio de aire entre el rotor y el estator en el lado del conmutador. Define dónde se coloca realmente cada escobilla en las barras del conmutador. Y define cómo las cargas del vehículo o de la máquina accionada llegan a su cojinete. Las tres se encuentran dentro de una pila de tolerancia, exactamente donde se encuentra este marco.

En cuanto se leen las instrucciones de reconstrucción de un kit de terminales para el extremo del conmutador, su importancia resulta evidente. No se trata simplemente de “cambiar la carcasa”: hay que retirar los aislantes, sustituir los componentes en un orden determinado y se indica explícitamente qué superficies deben permanecer limpias y aisladas. No se trata de instrucciones legales, sino de lecciones aprendidas a base de errores en el campo, codificadas en documentos de servicio.

Opciones de diseño que controlan silenciosamente su motor

Ya conoce los símbolos de dibujo y las clases de aislamiento. Lo útil es pensar en el marco como un lugar donde chocan los compromisos mecánicos, eléctricos y de fabricación. Los nombres cambian según el proveedor y el sector (marco final, soporte final, cubierta), pero las preguntas que debe hacerse siguen siendo similares.

Geometría, alineación y plano conmutativo

El bastidor final fija la posición del anillo del cepillo. Eso significa que también fija el plano de conmutación efectivo, junto con cualquier distorsión del campo. Si el bastidor está estampado o embutido a partir de chapa metálica, como en algunos diseños de soportes patentados, cualquier deformación o tensión residual desplaza ese plano.

La mayoría de los equipos se obsesionan con la excentricidad del eje del rotor y olvidan que un cojinete ligeramente ovalado en el bastidor final empuja el rotor fuera del centro en el lado del conmutador. Ahora el espacio de aire es más estrecho cerca de un polo, el campo magnético se distorsiona y el plano neutro se desplaza. A continuación, se compensa girando los portacepillos o cambiando la fuerza del resorte. El origen parecía mecánico, no eléctrico, pero es ambos.

En los soportes estampados de gran volumen, los bordes de las ventanas que sujetan los cepillos son otro mecanismo de alineación silencioso. Si esos bordes tienen rebabas o rebotan, el soporte del cepillo puede inclinarse uno o dos grados. Ese pequeño ángulo, en el radio del conmutador, es suficiente para sesgar los patrones de desgaste en las barras y levantar la película de contacto.

Comportamiento térmico y de los materiales

Los bastidores tradicionales para máquinas más grandes suelen ser de hierro fundido o acero; los motores y arrancadores más pequeños suelen utilizar aluminio fundido o moldeado, a veces con inserciones de plástico o compuestos para el aislamiento y los portacepillos. Las ventajas e inconvenientes son previsibles, pero fáciles de juzgar erróneamente.

Los metales más rígidos mantienen estable la alineación de los cojinetes bajo cargas externas y cambios de temperatura. El aluminio reduce la masa y disipa el calor de la zona del conmutador, pero el alojamiento del cojinete se expande más con la temperatura y requiere un control cuidadoso del ajuste por interferencia. Las estructuras compuestas pueden integrar perfectamente la distancia de fuga y el tendido de cables, pero añaden complejidad cuando se desea presionar un asiento de cojinete metálico.

Las rutas térmicas merecen más atención de la que suelen recibir. El calor generado por los arcos eléctricos en las escobillas fluye a través del conmutador, el eje, el cojinete, el bastidor y, a continuación, hacia la carcasa exterior o la caja de engranajes. Si el bastidor es delgado y está interrumpido por grandes ventanas, la ruta térmica se divide en pequeñas nervaduras. Los arrancadores de ciclo de trabajo corto lo soportan fácilmente. Las máquinas de CC de servicio continuo no lo perdonan.

Cepillos, aislantes y terminales

En muchos bastidores finales de arranque para automóviles, el conjunto de escobillas y terminales son partes intrínsecas del conjunto. Los pernos de latón o cobre atraviesan el bastidor, aislados por componentes moldeados o de fibra; las conexiones al solenoide o al cable de la batería se encuentran justo allí.

El reto del diseño consiste en mantener limpias las distancias de fuga y separación, al tiempo que se proporciona una vía de escape para el polvo de carbono. Cada esquina afilada de una ventana de cepillo acumula polvo, humedad y vapor de aceite. Si se producen suficientes arranques, se convierte en un puente conductor a lo largo del marco. Los ingenieros suelen compensar esto al final del proyecto con recubrimientos exóticos. Una medida más sencilla que se puede tomar antes es redondear o ahusar esos huecos y proporcionar al polvo una vía de escape que no cruce gradientes de alto voltaje.

El embalaje de los terminales es igualmente sutil. Los pernos cortos y directos reducen la resistencia y la caída de tensión, pero luego sorprenden con la tensión inducida por el par de apriete en los aislantes cuando un mecánico aprieta demasiado una tuerca. Los pernos más largos y flexibles relajan la tensión, pero aumentan la inductancia y la exposición a las vibraciones. Ninguno de los dos es incorrecto; uno se adapta mejor a su ciclo de trabajo y a su cultura de servicio.

Soporte del cojinete y vía de lubricación

El orificio del cojinete del bastidor final parece inocente en el dibujo. Durante su uso, se ve sometido a una tensión de correa desalineada, a las vibraciones del vehículo y, ocasionalmente, a palancas durante el desmontaje. Si está diseñando un nuevo bastidor, tenga en cuenta todo el conjunto de cojinetes: ranuras de anillos de retención, caras de empuje, cavidades para grasa y cualquier protección que intente mantener el polvo de las escobillas fuera del cojinete.

Los cuadros baratos a veces combinan una carcasa relativamente blanda con un rodamiento a presión que es un poco demasiado ajustado en el peor de los casos. Después de algunos ciclos térmicos, el orificio se relaja, el ajuste cambia y se produce un deslizamiento o giro de la pista exterior. El síntoma es un arranque lento, luego un rodamiento ruidoso y, finalmente, un motor de arranque desgastado que “se ha gastado antes de tiempo”. La causa principal radica en la elección inicial de la tolerancia del bolsillo y el material.

Sellado y contaminación

Sobre el papel, la protección contra la entrada de agua y polvo se resume en un par de letras de clasificación. En un motor de arranque real montado en la parte inferior de un vehículo, el marco del extremo del conmutador se rocía con agua, sal, aceite y gravilla cada invierno. Las mismas ventanas que permiten que las escobillas respiren también dejan entrar gotas de agua.

Algunos diseños aceptan ese destino y confían en la gravedad y la orientación para mantener la contaminación por debajo de la zona del cepillo. Otros incorporan una sencilla junta de goma entre el marco y la siguiente sección de la carcasa, o incorporan una muesca de drenaje en el borde inferior. Se trata de una geometría pequeña, pero es la que decide si el polvo de carbono forma una pasta y se acumula a lo largo de un aislante, o si cae inofensivamente al fondo.

Modos de fallo que realmente se observan en el banco de pruebas

Los libros de texto adoran la conmutación ideal; la mesa del taller cuenta una historia diferente. Aquí, el bastidor final deja sus huellas en cada fallo, incluso cuando el propio conmutador parece ser el culpable.

Lo primero son los bastidores agrietados. Los impactos o los pernos de montaje demasiado apretados crean pequeñas grietas desde los orificios de los pernos hacia afuera. En una prueba de banco, el motor puede seguir girando; bajo carga real, el bastidor se flexiona, el cojinete se inclina y el inducido comienza a rozar el estator o las zapatas polares. La queja se convierte en “solo falla cuando se calienta” o “funciona fuera del coche, pero no dentro”.

Lo siguiente es el desgaste del alojamiento del cojinete. Una vez que el cojinete puede moverse radialmente, el conmutador se tambalea. Las escobillas experimentan cambios en la presión de contacto y se arquean más, lo que acelera el desgaste tanto de las escobillas como del conmutador. Se pueden sustituir las escobillas tres veces y seguir sin detectar la causa principal, ya que el diámetro interior del bastidor parece estar en buen estado hasta que se mide correctamente.

Entonces tienes problemas de aislamiento. Las trazas de carbono entre los pernos terminales y la carcasa metálica, o entre los portacepillos y la tierra, se ven como ligeras marcas grises y resina descolorida. Puede que solo se rompa a voltajes más altos o en condiciones de humedad, lo que hace que el diagnóstico sea divertido.

Para que esto resulte menos abstracto, es útil relacionar los síntomas a nivel del sistema con lo que se puede ver en el fotograma final durante la inspección.

El patrón es que el bastidor rara vez falla eléctricamente por sí mismo. Cambia silenciosamente la geometría hasta que el diseño electromagnético que usted aprobó ya no existe en la máquina en funcionamiento.

La realidad de la fabricación: fundición, estampado y lo que realmente se obtiene

Muchos bastidores de extremos de conmutadores en la producción en serie son piezas de aluminio o hierro fundido. Otros son soportes de acero embutido o estampado con ventanas integradas y una copa de cojinete embutida. En ambos casos, la pieza acabada depende en gran medida de decisiones de proceso que a menudo se tratan como “detalles del proveedor”.

El trabajo de fundición en los soportes ha mostrado problemas recurrentes con llenado incompleto, cierres en frío y porosidad cuando la entrada no está ajustada para estas geometrías de paredes delgadas. Los estudios de optimización en los soportes de los extremos del conmutador utilizan simulaciones para equilibrar el tiempo de llenado, la temperatura y la contracción, de modo que las características críticas, como los salientes de los cojinetes y las orejetas de montaje, se mantengan en buen estado. Cuando se omite ese trabajo, la porosidad aparece exactamente donde menos se desea: debajo del asiento del cojinete o alrededor de las orejetas.

Los soportes estampados parecen más seguros hasta que se comprueba el retorno elástico. Después del conformado, las paredes de la copa del cojinete y la ventana del cepillo se relajan ligeramente. El proveedor puede alcanzar las dimensiones nominales en un medidor estático, pero aún así ofrecer una variabilidad que se alinea de manera incómoda con sus tolerancias en la longitud del rotor y la pila del portacepillos.

Los recubrimientos y tratamientos superficiales son otra variable silenciosa. Un marco que se dibujó y dimensionó sin recubrimiento puede enviarse con recubrimiento electrostático o pintado, lo que reduce los espacios libres en las ventanas y sobreaisla las superficies que se pretendían como vías de tierra limpias. Una vez más, el dibujo puede seguir siendo técnicamente correcto, mientras que el rendimiento del conjunto se desvía.

Por lo tanto, en lugar de limitarse a perseguir el Cpk en unas pocas dimensiones principales, conviene plantearse tres preguntas más incómodas desde el principio. En primer lugar, qué características se forman o mecanizan en último lugar, después de que se haya fijado la mayor parte de la tensión. En segundo lugar, cómo controla el proveedor la distorsión derivada del tratamiento térmico o del recubrimiento. En tercer lugar, dónde es más probable que se produzca porosidad o adelgazamiento alrededor de las zonas de los cojinetes y los soportes, basándose en la trayectoria real del flujo o la secuencia de formación, en lugar de en un boceto ordenado.

Especificación y adquisición de un conjunto de bastidor final del conmutador

En el mundo de la automoción, a menudo encontrará bastidores de conmutador solo como referencias de piezas originales: pequeños conjuntos que se venden como carcasas completas con cepillos y terminales ya instalados. Los “conjuntos de bastidores de conmutador” del motor de arranque de Toyota son un ejemplo típico, ya que se anuncian como componentes clave para el arranque del motor en lugar de como piezas independientes del motor.

Cuando se buscan recambios o se diseña un equivalente directo, la numeración oculta bastante información. El camino práctico suele ser algo así, aunque no siempre en línea recta.

Se empieza por congelar las interfaces. Eso significa montar el patrón en la caja de cambios o el motor, el ajuste a la siguiente sección de la carcasa, el tamaño del eje y el tipo de cojinete, y la geometría del cepillo al conmutador. Lo último es lo más fácil de equivocarse, ya que a menudo se realiza ingeniería inversa a partir de una unidad desgastada. Medir el ángulo de la pista de la escobilla y el voladizo en un conmutador usado es complicado; un enfoque mejor es medir desde las características de referencia limpias del bastidor hasta la propia superficie del conmutador, preferiblemente en varias muestras.

Las interfaces eléctricas son lo siguiente. No solo hay que conocer la rosca y la posición del perno, sino también la ruta prevista desde el terminal del cable externo a través del perno, hasta cualquier bus de cobre y, a continuación, hasta los cables de las escobillas. Los objetivos de resistencia suelen ser pequeños, pero no nulos. Si el bastidor sustituto redirige esa ruta con una pila diferente de aislantes o cobre, es posible que se haya desplazado la caída de tensión lo suficiente como para que afecte al arranque de baja tensión.

Las distancias de aislamiento y fuga deben respetar la tensión de trabajo original de la máquina, más cualquier transitorio que genere el sistema. En el caso de los arrancadores de 12 V o 24 V, esto suele parecer trivial, hasta que se tienen en cuenta los entornos corrosivos y las películas conductoras. Un modesto aumento de la distancia y una reducción de las esquinas afiladas donde puede acumularse la humedad no suponen prácticamente ningún coste en la fase de diseño.

Por último, está la facilidad de mantenimiento. Si su base de clientes está reconstruyendo estas unidades, les importa si el conjunto del bastidor se puede desmontar y volver a montar sin herramientas especiales. Las instrucciones documentadas de los principales proveedores para los kits de terminales del bastidor del extremo del conmutador suelen mostrar un orden deliberado para retirar los clips, tornillos, aislantes y carcasas. Igualar o mejorar esa ergonomía forma parte del producto, aunque nunca aparezca en el modelo CAD.

Utilizar el fotograma final como herramienta de diseño, no solo como un elemento más

Dado que el marco del extremo del conmutador se encuentra en la intersección entre la estructura, el aislamiento y la gestión térmica, es uno de los lugares más económicos para cambiar el comportamiento de un motor o un arrancador sin tocar el diseño electromagnético. Basta con desplazar un alojamiento de cojinete, ajustar la geometría de la ventana o cambiar el material o el grosor de algunas nervaduras para modificar de forma significativa la respuesta a las vibraciones, la vida útil de las escobillas y la tolerancia a la contaminación.

La costumbre en muchos equipos es fijar el bastidor desde el principio como un componente básico y dedicar el año siguiente a ajustar el grado de las escobillas, la fuerza del muelle y los algoritmos de control. Un ciclo más productivo es casi lo contrario. Fijar el diseño electromagnético y la geometría de las escobillas desde el principio basándose en referencias sólidas para la conmutación en máquinas de corriente continua. A continuación, tratar el bastidor final como un elemento estructural que debe mantener intacta esa geometría bajo todas las cargas realistas, escenarios de contaminación y prácticas de mantenimiento.

Así que la próxima vez que revise un motor o un motor de arranque que esté “casi listo”, resista la tentación de limitarse a ajustar los datos de las escobillas o el código de control. Dedique una tarde tranquila a desmontar la unidad, con un medidor de altura y un puñado de marcos de conmutador usados del campo. Mida el estado real de la máquina en el lado del conmutador. Observe las grietas alrededor de las orejetas y los alojamientos de los cojinetes, las ventanas de las escobillas que muestran un pulido desigual, los restos de carbón y humedad a lo largo de los aislantes.

Es posible que descubras que la verdadera palanca no es otro cepillo exótico ni otro ajuste de control. Se trata de un marco final del conmutador ligeramente más inteligente y resistente que mantiene la geometría que ya has diseñado, a lo largo de la vida útil real que le da tu cliente.