D I S E Ñ O D E E J E S A C O P L A M I E N T O S Alberto D. Pertuz C. U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A D I S E Ñ O D E E J E S A C O P L A M I E N T O S Alberto D. Pertuz C. Bucaramanga, julio 2014

Diseño de Ejes, Flechas y Árboles U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Diferencia entre Ejes, Flechas, Árboles. Son términos que se designar a barras cilíndricas de un material, para transmitir potencia y movimiento. Ejes: es un elemento no giratorio que no transmite par de torsión que se utiliza para soportar ruedas rotatorias, poleas y elementos parecidos. Cargados transversalmente y sujetos a esfuerzos de flexión, para acople de piezas giratorias. Flecha: es un elemento rotatorio, por lo general de sección transversal circular, que se emplea para transmitir potencia o movimiento. Sujeta a esfuerzos de torsión y flexión. Se usan para transmitir movimiento de rotación a distancias relativamente cortas. Árbol: Similares a las Flechas, pero de mayor diámetro. Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

Materiales para fabricar ejes U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Materiales para fabricar ejes La deflexión no se ve afectada por la resistencia sino por la rigidez, representada por el módulo de elasticidad, que es esencialmente constante en todos los aceros. Por esa razón, la rigidez no puede controlarse mediante decisiones sobre el material, sino sólo por decisiones geométricas. La resistencia necesaria para soportar esfuerzos de carga afecta la elección de los mate- riales y sus tratamientos. Muchos ejes están hechos de acero de bajo carbono, acero estirado en frío o acero laminado en caliente, como lo son los aceros ANSI 1020-1050. Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

Materiales para fabricar ejes U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Materiales para fabricar ejes El costo del material y su procesamiento debe ponderarse en relación con la necesidad de contar con diámetros de eje más pequeños. Cuando están garantizadas, las aleaciones de acero típicas para tratamiento térmico incluyen ANSI 1340-50, 3140-50, 4140, 4340, 5140 y 8650. Por lo general, los ejes no requieren endurecimiento superficial a menos que sirvan como un recubrimiento real en una superficie de contacto. Las elecciones típicas para el material para el endurecimiento superficial incluyen los grados de carburización ANSI 1020, 4340, 4820 y 8620. Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

Nomenclatura Diseño de Ejes, Flechas y Árboles U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Nomenclatura Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Esfuerzos en los Ejes donde Mm y Ma son los momentos flexionantes medio y alternante, Tm y Ta son los pares de torsión medio y alternante, y Kf y Kfs son los factores de concentración del esfuerzo por fatiga de la flexión y la torsión, respectivamente. Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Esfuerzos en los Ejes Si se supone un eje sólido con sección transversal redonda, pueden introducirse términos geométricos apropiados para c, I y J, lo que resulta en Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Esfuerzos en los Ejes Cuando se combinan estos esfuerzos de acuerdo con la teoría de falla por energía de distorsión, los esfuerzos de von Mises para ejes giratorios, redondos y sólidos, sin tomar en cuenta las cargas axiales, están dados por : Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

El criterio de falla por fatiga de la línea de Goodman U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Esfuerzos en los Ejes El criterio de falla por fatiga de la línea de Goodman La sustitución de σa y σm en las ecuaciones Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

El criterio de falla por fatiga de la línea de Goodman U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Diseño de Ejes, Flechas y Árboles Esfuerzos en los Ejes El criterio de falla por fatiga de la línea de Goodman Diseño de Ejes, Cuñas y Acoplamiento Alberto Pertuz

A C O P L A M I E N T O S A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A A C O P L A M I E N T O S A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Definición En sentido estricto se denomina acoplamiento a todo sistema de unión entre dos árboles por el que se transmite potencia y movimiento de uno a otro. Hay una gran variedad de acoplamientos de ejes comerciales, desde acoplamientos rígidos simplemente acuñados hasta diseños elaborados que utilizan engranes, elastómeros o fluidos para transmitir torque de uno a otro ejes o a otros dispositivos, en presencia de varios tipos de desalineaciones A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Rígidos U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Los acoplamientos se dividen grosso modo en dos categorías: Rígidos y Flexibles Acoplamientos Rígidos Los acoplamientos rígidos conectan los ejes sin permitir movimiento relativo entre ellos Se utilizan cuando la precisión y la fidelidad de la transmisión del torque es de primordial importancia. A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

ACOPLAMIENTOS DE TORNILLO PRISIONERO ACOPLAMIENTOS ACUÑADOS U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Rígidos ACOPLAMIENTOS DE TORNILLO PRISIONERO Éstos utilizan un tornillo prisionero duro que se incrusta en el eje para transmitir torque y cargas axiales. Éstos no son recomendables salvo para aplicaciones con cargas ligeras y se pueden aflojar con la vibración. ACOPLAMIENTOS ACUÑADOS Con frecuencia se emplean los tornillos prisioneros (opresores) junto con una cuña, ubicando el tornillo a 90° de la cuña. Para operar adecuadamente contra la vibración, se utiliza un tornillo prisionero con punta de copa que se incrusta en el eje. A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

ACOPLAMIENTOS DE SUJECIÓN U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Rígidos ACOPLAMIENTOS DE SUJECIÓN Se fabrican con varios diseños, de los cuales los más comunes son los acoplamientos deslizantes de una o dos piezas, que se abrazan alrededor de los dos ejes y transmiten torque a través de la fricción, como se muestra en la figura A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles Son acoplamientos que permiten desalineaciones axial, angular, paralela y torsional A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE QUIJADA U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE QUIJADA Las quijadas se traslapan axialmente y se traban torsionalmente a través de un inserto flexible de caucho o un metal blando A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE DISCO FLEXIBLE U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE DISCO FLEXIBLE Son similares a los acoplamientos de quijada, donde sus dos mazas están conectadas por un elemento con tolerancia (disco), como un elastómero o un resorte metálico. Esto permite desalineación axial, angular y paralela, además de alguna tolerancia a la torsión con un poco o nada de juego. A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE ENGRANE Y RANURA U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE ENGRANE Y RANURA Utilizan engranes externos con dientes rectos o curvos, que permiten movimientos axiales sustanciales entre los ejes y, según la forma del diente y las holguras, también absorben pequeñas desalineaciones angulares y paralelas. Tienen gran capacidad de torque por el número de dientes engranados. A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS HELICOIDALES Y DE FUELLE U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS HELICOIDALES Y DE FUELLE Son diseños de una sola pieza que usan sus deflexiones elásticas para permitir desalineaciones axiales, angulares y paralelas, con un poco de juego o sin él. Dichos acoplamientos tienen una capacidad de torque limitada comparados con otros diseños, pero ofrecen cero juego y alta rigidez a la torsión, en combinación con desalineación axial, angular y paralela. A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE ESLABÓN U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE ESLABÓN O acoplamientos de Schmidt, conectan dos ejes através de una red de eslabones, que permiten una desalineación paralela significativa sin cargas laterales, o pérdidas de torque, y sin juego. Tales acoplamientos se utilizan con frecuencia donde se necesitan grandes ajustes paralelos o movimientos dinámicos entre los ejes. A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE ESLABÓN (de Schmidt) U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles ACOPLAMIENTOS DE ESLABÓN (de Schmidt) A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

Acoplamientos Flexibles U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A Acoplamientos Flexibles JUNTAS UNIVERSALES Acoplamiento de Hooke Acoplamiento de Rzeppa Son de dos tipos comunes, el acoplamiento de Hooke, el cual no tiene velocidad constante (CV), y el acoplamiento de Rzeppa, que sí la tiene. Los acoplamientos de Hooke se usan generalmente en pareja para eliminar su error en la velocidad. Ambos tipos pueden manejar desalineaciones angulares muy grandes y, en pareja, también proporcionan grandes desplazamientos paralelos. A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

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A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz

A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz U N I V E R S I D A D I N D U S T R I A L D E S A N T A N D E R F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A S F I S I C O M E C A N I C A S E S C U E L A D E I N G E N I E R I A M E C A N I C A A c o p l a m i e n t o s Alberto Pertuz