Capítulo 8 Segunda parte

Versión 2014
CAPITULO 8
PROYECTO DE ELEMENTOS DE ACOPLAMIENTO
División 2
Descripción y selección de Acoplamientos
UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan
Versión 2014
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.
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(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
(k)
(l)
(m)
Figura 8.14. Ejemplos de acoplamientos rígidos, elásticos y especiales.
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Nombre
Desalineación Tolerada
Observaciones
Axial
Angular
Paralelo
Torsional
grande
ninguna
ninguna
ninguna
moderada
ligera
ninguna
ninguna
De disco Flexible
(Figura 8.14.e)
ligera
ligera
(<3°)
ligera
(<0.01d)
ligera o
ninguna
Capacidad de absorber
impacto. Sin juego
Helicoidal de fuelle
(Figura 8.14.f)
ligera
grande
(<20°)
moderada
(<0.20d)
ninguna
Gran capacidad de par
torsor
De quijadas de goma
(Figura 8.14.g)
ligera
ligera
(<2%)
ligera
(<0.03d)
moderada
gran absorción de
impacto
Tipo Falk
(Figura 8.14.h)
ligera
ninguna
ninguna
moderada
gran absorción de
impacto
De cadena
(Figura 8.14.i)
ligera
ninguna
ninguna
ninguna
gran absorción de
impacto
De engrane
(Figura 8.14.j)
grande
ligera
(<5°)
ligera
(<0.05d)
ninguna
gran capacidad de par
torsor
De fuelle metálico
(Figura 8.14.k)
ligera
grande
(<15°)
moderada
(<0.20d)
ninguna
Falla por fatiga
Junta eslabonada lateral
(Figura 8.14.l)
ninguna
ligera
(<5°)
grande
(>2.00 d)
ninguna
no hay cargas laterales
en los ejes
Junta universal
(Figura 8.14.m)
ninguna
grande
(30°)
grande
(en pares)
ninguna
la junta individual es
de velocidad variable
Junta universal Rzeppa
o junta Homocinética
ninguna
grande
ninguna
ninguna
posee velocidad
constante
Junta lateral Oldham
ninguna
Acoplamientos Rígidos
(Figuras 8.14.a-c)
Manguito de
(Figura 8.14.d)
goma
Se exige una alineación
perfecta
ligera
grande
ninguna
(<5°)
(>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
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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 8.15. 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.
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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 ninguna
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.
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Junta eslabonada de desplazamiento lateral.
Este tipo de acoplamiento conecta dos ejes con desalineación paralela muy grande 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 8.16. 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.
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