División 2. Descripción y selección de Acoplamientos

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1 CAPITULO 8 PROYECTO DE ELEMENTOS DE ACOPLAMIENTO División 2 Descripción y selección de Acoplamientos

2 1. Introducción En este capítulo se describen diferentes tipos de acoplamientos mecánicos para conectar ejes alineados o desalineados. A esta división se le dará un corte netamente descriptivo y se efectuarán algunos análisis de selección a partir de datos de fabricantes. 2. Descripción y clasificación Los acoplamientos tienen por función prolongar líneas de transmisión de ejes o conectar tramos de diferentes ejes, estén o no alineados entre sí. Para llevar a cabo tales funciones se disponen de diferentes tipos de acoplamientos mecánicos. Los acoplamientos se clasifican en los siguientes tipos: - Acoplamientos Rígidos o Acoplamientos Rígidos de manguito o con prisionero (Figura 8.14.a) o Acoplamientos Rígidos de platillos (Figura 8.14.b) o Acoplamientos Rígidos por sujeción cónica (Figura 8.14.c) - Acoplamientos flexibles o Acoplamientos flexibles de Manguitos de goma (Figura 8.14.d) o Acoplamientos flexibles de Disco Flexible (Figura 8.14.e) o Acoplamientos flexibles de fuelle Helicoidales (Figura 8.14.f) o Acoplamientos flexibles de Quijadas de Goma (Figura 8.14.g) o Acoplamientos flexibles Direccionales de tipo Falk (Figura 8.14.h) o Acoplamientos flexibles de Cadenas (Figura 8.14.i) o Acoplamientos flexibles de Engrane (Figura 8.14.j) o Acoplamientos flexibles de fuelle metálico (Figura 8.14.k) - Acoplamientos especiales o articulados o Junta eslabonada de desplazamiento lateral. (Figura 8.14.l) o Junta universal (Figura 8.14.m) Cada uno de los dispositivos que se muestra en la Figura 8.14, posee características importantes que los hacen más aptos para una tarea que para otra. Por otro lado, los acoplamientos son dispositivos cuya selección para un servicio determinado, es fuertemente dependiente del ofrecimiento en plaza de las empresas que los fabrican. En estas circunstancias no es posible delinear una teoría general o modelo matemático general de comportamiento ni de selección de acoplamientos y es recomendable utilizar la información que ofrecen los fabricantes en sus prospectos comerciales. Más allá de esta práctica razonable, la selección de un tipo específico de acoplamiento estará supeditada al servicio que deba realizar. La Tabla 8.2 presenta una comparación cualitativa para una primera elección.

3 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m) Figura Ejemplos de acoplamientos rígidos, elásticos y especiales.

4 Nombre Desalineación Tolerada Observaciones Axial Angular Paralelo Torsional Acoplamientos Rígidos (Figuras 8.14.a-c) Manguito de goma (Figura 8.14.d) Se exige una alineación perfecta moderada De disco Flexible (Figura 8.14.e) Helicoidal de fuelle (Figura 8.14.f) De quijadas de goma (Figura 8.14.g) Tipo Falk (Figura 8.14.h) De cadena (Figura 8.14.i) De engrane (Figura 8.14.j) De fuelle metálico (Figura 8.14.k) Junta eslabonada lateral (Figura 8.14.l) Junta universal (Figura 8.14.m) Junta universal Rzeppa o junta Homocinética (<3 ) (<20 ) (<2%) (<0.01d) moderada (<0.20d) (<0.03d) o moderada Capacidad de absorber impacto. Sin juego Gran capacidad de par torsor gran absorción de impacto moderada gran absorción de impacto gran absorción de impacto (<5 ) (<15 ) (<5 ) (30 ) Junta lateral Oldham (<5 ) (<0.05d) moderada (<0.20d) (>2.00 d) (en pares) gran capacidad de par torsor Falla por fatiga no hay cargas laterales en los ejes la junta individual es de velocidad variable posee velocidad constante (>2.00 d) Tabla 8.2. Características de varios acoplamientos Acoplamientos Rígidos Los acoplamientos rígidos se fijan a los ejes de manera que no existe el desplazamiento relativo entre ambos, sin embargo se puede permitir cierto desajuste o juego axial. Estos acoplamientos se utilizan cuando la precisión del par de torsión es de suma importancia. La maquinaría para producción automática suele tener en sus componentes, acoplamientos rígidos. Los servomecanismos que no deben presentar juego angular, también emplean acoplamientos rígidos. Acoplamientos rígidos de manguito con prisionero Estos acoplamientos cierran o ajustan por interferencia, mediante los tornillos que se ven en la Figura 8.14.a. Algunos suelen poseer una chaveta o un prisionero común a ambos ejes, sin embargo es usual que estos casos se empleen en transmisiones de baja potencia o bajo torque. Los que tienen un ajuste preponderante por interferencia suelen tener los prisioneros con extremos en forma de tazas para que se incrusten mejor en el eje, a su vez los ejes en los

5 extremos deben tener algún ligero rebaje para efectuar el ajuste en forma gradual. En caso de no contar con datos de fabricante, para detalles de cálculo de interferencia se sugiere emplear coeficientes de rozamiento de entre 0.15 y 0.20, correspondientes a la fricción de hierro fundido. Acoplamientos rígidos de platillos Los platillos se ajustan fuertemente por medio de pernos y chavetas de material muy resistente. Estos dispositivos pueden calcularse aunque no se cuente con datos del fabricante, empleando hipótesis de esfuerzos cortante en los pernos de unión e hipótesis de fricción en toda la superficie de contacto, sin embargo se supone como condición de trabajo más segura emplear la hipótesis de corte puro. En estas circunstancias se debe garantizar un maquinado muy preciso en los alojamientos de los pernos y deben coincidir perfectamente. Acoplamientos por sujeción cónica Se fabrican en varios diseños, siendo el más común el acoplamiento de dos o más piezas divididas, que se fijan alrededor de los ejes y que transmiten el torque por fricción e interferencia. El efecto de bloqueo se logra cuando el collarín dividido de superficie cónica es presionado entre el eje y la carcaza del acoplamiento, también de superficie cónica. Acoplamientos Elásticos Un eje como cuerpo rígido posee seis grados de libertad, con respecto a un segundo eje. Sin embargo por razones de simetría, tan solo quedarán cuatro que generan una posible desalineación. Estas condiciones de desalineación pueden ser axial, angular, paralela y torsional, tal como se aprecian en la Figura 8.15 Figura Tipos de desalineación Acoplamientos de manguitos de goma Estos acoplamientos poseen discos de goma embutidos entre los pernos y los alojamientos permitiendo absorber vibraciones de diversa índole, principalmente las torsionales. Su cálculo está fuertemente asociado a los datos que aporta el fabricante.

6 Acoplamientos flexibles de Disco Flexible Las dos masas quedan conectadas por un miembro elástico de material elastómero o bien por un resorte mecánico, permiten cierta desalineación axial, angular y paralela pero desalineación torsional y permiten poco juego. Acoplamientos flexibles de fuelle Helicoidales Aceptan la desalineación axial, angular y paralela con poco o ningún juego. Se fabrican de un cilindro sólido con una ranura helicoidal para aumentar su flexibilidad. Son muy versátiles aunque tienen riesgos de rotura por fatiga. Acoplamientos flexibles de Quijadas de Goma Tienen dos masas con quijadas protuberantes, las cuales se superponen y se conectan por medio de un inserto elastómero o algún metal blando. El tipo de holguras con que se fabrican, permiten la desalineación axial, angular y paralela, pero suelen conducir a juegos no deseables entre las partes. Acoplamientos flexibles Direccionales de tipo Falk Constan de dos platillos similares con dentado o ranurado idéntico y el enlace de los mismos se lleva a cabo con una lámina elástica tal como se ve en la Figura 8.14.h. Acoplamientos flexibles de Cadenas Similares a los anteriores, el acoplamiento se lleva a cabo con una cadena doble o cuádruple de rodillos como se muestra en la Figura 8.14.i. Acoplamientos flexibles de Engrane Estos acoplamientos combinan dientes de engranes rectos externos y curvos con dientes internos. Suelen permitir un deslizamiento axial sustancial y dependiendo de las formas de los dientes, también puede tolerar cierto desplazamiento angular. Debido a la cantidad de dientes actuando en forma conjunta pueden transmitir torque muy elevados. Estos acoplamientos son muy empleados en hornos rotativos de calcinación para cal y cementos, como también en las construcciones navales ya que permite absorber las dilataciones de los ejes soportando las variaciones de temperatura. Acoplamientos flexibles de fuelle metálico Estos acoplamientos se fabrican con una delgada lámina de metal soldando juntas una serie de arandelas metálicas cóncavas formando así un tubo de fuelle. Estos acoplamientos ofrecen una gran rigidez a la torsión pero comparativamente con otros diseños tienen un par limitado, sin embargo garantizan un juego nulo o muy pequeño.

7 Junta eslabonada de desplazamiento lateral. Este tipo de acoplamiento conecta dos ejes con desalineación paralela muy sin que por ello se pierda capacidad de transmisión de par torsor. Existen diversos modelos como la junta Schmidt que se muestra en la Figura 8.14.l o la denominada junta Oldham. Juntas universales Este tipo de juntas permite una desalineación angular sustancial. Existen varios tipos, la denominada junta Cardan o Hooke y que no posee velocidad constante y la junta Rzeppa que si tiene velocidad constante. Los primeros se montan de a pares para poder garantizar transmisión de velocidad constante cancelando el efecto de error de velocidad. Las juntas Rzeppa también conocidas como juntas homocinéticas son empleadas en los vehículos de tracción delantera (Figura 8.16). Figura junta homocinética o Rzeppa En términos generales, la gran diversidad de acoplamientos disponibles en el mercado hace que el diseñador o calculista deba pedir constantemente información a los fabricantes para tener los detalles más actualizados sobre capacidades, usos y métodos de mantenimiento de los dispositivos más novedosos entre los que existen en plaza. 3. Bibliografía [1] J.E. Shigley y C.R. Mischke, Diseño en Ingeniería Mecánica, McGraw Hill 2002 [2] B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, Elementos de Máquinas, McGraw Hill 2000 [3] R.L. Norton, Diseño de maquinaria, McGraw Hill 2000.