Manual Ejes Enoc

2012 EJES Y ÁRBOLES MANUAL DE DISEÑO

ENOC ARENAS MANCILLA JOSÉ GABRIEL LEÓN PICO

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA CONTENIDO Pág. INTRODUCCION ..................................................................................................... 3 1.

EJES Y ARBOLES ........................................................................................... 4 1.1

DIFERENNCIAS ENTRE UN EJE Y UN ARBOL ...................................... 4

1.2

CLASIFICACION DE LOS EJES Y ARBOLES .......................................... 6

1.3

MATERIALES PARA EJES Y ARBOLES ................................................ 10

1.3.1

QUE ES UN ACERO .......................................................................... 10

1.3.2

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS.................................................. 10

1.3.3

NORMALIZACIÓN DE LOS ACEROS ............................................... 11

1.3.4

IDENTIFICACIÓN DE ACEROS SEGÚN EL SISTEMA SAE-AISI..... 11

1.3.5

ACEROS PARA EJES Y ARBOLES .................................................. 12

1.3.6

ACEROS DE VENTA EN COLOMBIA PARA FABRICAR EJES ....... 14

1.4

EXTREMOS DE LOS EJES Y ÁRBOLES .............................................. 15

1.5

ÁRBOL NERVADO.................................................................................. 17

1.6

ÁRBOL ESTRIADO ................................................................................. 19

1.7 POSICIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS MONTADOS EN LOS EJES ………………. ..................................................................................................... 21 1.8 2.

CAMBIOS DE SECCION Y RADIO ENTRE DOS PARTES DEL EJE .... 29

DISEÑO DE EJES Y ARBOLES .................................................................... 32 2.1

PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR UN EJE: ........................................ 32

2.2

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN EJE ....................................................... 33

BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 40 ANEXOS ................................................................................................................ 41

2

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA INTRODUCCION Los elementos de mayor utilidad para sostener las partes giratorias de las máquinas han sido desde hace mucho tiempo los árboles y los ejes, la razón es muy sencilla; debido a que en este movimiento la trayectoria que se sigue es limitada y reducida, el espacio ocupado por las piezas también lo es. Es frecuente encontrar confusiones en estudiantes relacionadas con definir claramente los conceptos y diferencias entre un árbol y un eje, es por ello que a continuación se explicara de manera sencilla la diferencia que existe entre estos dos elementos con el objetivo de superar estas debilidades, se hablara también de los diferentes materiales con los que se les construye y como se designa un acero según la norma AISI-SAE. Para la transmisión de potencia se utilizan arboles de variadas formas como son los lisos, escalonados, nervados y ranurados, la documentación que se pone a disposición ofrece información suficiente para identificarlos y determinar la correcta posición de los diversos componentes que se fijan sobre él, por ejemplo, poleas, piñones, rodamientos, etc. Se concluye con el desarrollo del procedimiento para diseñar un eje, el siguiente manual permite a los profesionales y técnicos disponer de la información necesaria para dimensionar ejes y árboles de transmisión de una manera práctica.

3

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA 1. EJES Y ARBOLES Los árboles y los ejes son elementos que sirven de apoyo a otros elementos giratorios presentes en las máquinas (poleas, piñones, etc.); estas piezas giratorias se pueden mover solidarias a ellos ó sobre los mismos. Los elementos de máquinas tratados en éste capítulo se utilizan en infinidad de máquinas y mecanismos de uso cotidiano en ingeniería (bombas, reductores de velocidad, motores alternativos, polipastos, etc.), este amplio mundo de aplicaciones los hace merecedores de un tratamiento especial que permita evaluar su desempeño en cada una de las situaciones antes mencionadas, un adecuado estudio de ingeniería permitirá garantizar la funcionalidad de estos elementos. 1.1

DIFERENNCIAS ENTRE UN EJE Y UN ARBOL

Un Eje es el elemento de maquina fijo o móvil, que sirven de soporte a otras piezas permitiendo que estas giren a su alrededor o solidarias a el y su principal característica es que no transmiten potencia. Los ejes, al servir de apoyos a otras piezas se ven sometidos a cargas transversales que influyen en el cómo lo muestra la Figura 1. Estas cargas que debe soportar, si no son tenidas en cuenta en el análisis previo a su diseño, lo deformaran hasta hacerlo fallar. Figura 1. Fuerzas sobre un eje.

Fuente: Autores

4

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA El efecto de las fuerzas aplicadas sobre él, da origen a esfuerzos de flexión, aunque en algunos casos pueden estar sometidos a cargas fluctuantes dando lugar al fenómeno de fatiga, como en el caso de los ejes de los vagones de las locomotoras, en donde cambios en la magnitud de la carga que transportan pueden dar inicio a la formación de fisuras en el material. En un Árbol, a diferencia de un eje si es posible transmitir potencia, gracias a que el elemento de maquina se fija por medio de chavetas, uniones forzadas o ranuras estriadas a otras piezas. Al estar sujetos solidariamente a poleas o ruedas dentadas como se puede apreciar en la Figura 2, es posible transmitir momentos de torsión, sometiéndoles no solo a momentos flectores, sino que adicionalmente están expuestos a esfuerzos tangenciales generados por los momentos torsores, es decir que están expuestos a (cargas combinadas). Figura 2. Elementos de fijación de un árbol.

Referencia Dibujo de máquinas, Universidad del Valle.

1. Eje

2. Cojinete deslizante

3. Chaveta

4. Rodamientos

5. Anillos

6. Pin

7. Polea

8. Ajuste por interferencia

9. Engranajes

10. Escalonamiento del eje

11. Soporte

12.Holgura axial

Los árboles de transmisión cuando están dispuestos horizontalmente descansan radialmente sobre rodamientos o cojinetes, la parte del árbol que se apoya sobre los cojinetes se denomina gorrón o muñón.

5

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA 1.2

CLASIFICACION DE LOS EJES Y ARBOLES

Los ejes y árboles son elementos de revolución que adoptan variadas formas que dependen de factores de diseño como son: la magnitud de las fuerzas a las cuales sean expuestos, Parámetros de espacio, el tipo de apoyo a utilizar, entre otros. El Atlas de Máquinas de Reshétov da una amplia clasificación de acuerdo a la aplicación o uso que se le vaya a dar: Los ejes se dividen: 1) Según su misión: en ejes de máquinas de transporte y elevadoras transportadoras y ejes de transmisión (dentados, de correas y otros). 2) Según las condiciones de trabajo: giratorios y fijos. Figura 3. Ejes según su misión

Fuente: Atlas de Elementos de Máquinas y Mecanismos (Reshétov)

Generalmente adoptan secciones tales que las tensiones sean aproximadamente uniformes en toda su longitud. Por ello, es normal encontrar que en los tramos que están sometidos a mayor momento flector la sección sea de mayor diámetro. La elección de la forma óptima de las zonas de transición y los radios de los cuellos tiene gran importancia, desde el punto de vista de la resistencia a la fatiga de los ejes, y de la tecnología de su fabricación.

6

Figura 4. Ejes según las condiciones de trabajo


Los árboles se dividen: 1) Según su misión: e n arboles de transmisión, arboles de mecanismos auxiliares y arboles principales. 2) Según la forma de sus ejes: con eje recto, acodado y con ejes variables (telescópicos y flexibles). 3) Según su configuración: en lisos, escalonados y con estrías. Debido a que las necesidades de transmitir potencia son variadas, existe también una cantidad de árboles que se adecuan a estas necesidades. Figura 5. Clasificación de árboles según su misión, forma y configuración


Figura 6. Árboles según las condiciones de trabajo


En la Figura 5 y 6. Se muestran las diferentes formas encontradas en arboles de transmisión de potencia, y van desde lisos, los cuales se diseñan para transmitir solo momentos torsores sin soportar momentos flectores, pasando por los escalonados usados para soportar distribuciones de momentos flectores y torsores, haciéndoles los más utilizados y llegando a los acodados empleados para convertir en una maquina el movimiento alternativo en movimiento circular y viceversa. 1.3

MATERIALES PARA EJES Y ARBOLES

El material de mayor uso para la fabricación de ejes y arboles es el acero, que debido sus propiedades mecánicas es lo suficientemente fuerte como para soportar los abusos a los que pueda ser sometida la pieza. Decir que un eje esta hecho de acero no significa nada, porque si bien es cierto que un acero es una aleación de hierro y carbono, la presencia de este último elemento en la aleación define sus propiedades mecánicas. Para ampliar un poco más esta definición se enseñara los tipos de aceros que existen, quien los clasifica y cuáles de ellos son los utilizados en la fabricación de las piezas de interés. 1.3.1 QUE ES UN ACERO Los aceros se definen como aleaciones con base en hierro con una cantidad de carbono variable hasta del 2.11% en peso de su composición, a las aleaciones con un porcentaje de carbono superior a este se les conoce como fundiciones de hierro. Además de estos dos elementos, los aceros poseen otros elementos aleantes que le confieren propiedades mecánicas específicas, pudiendo ser utilizados en diversos campos de la industria, los elementos de aleación de uso común son: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, cobalto, magnesio, cobre, azufre y fosforo. 1.3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS Los aceros básicamente se clasifican de acuerdo al uso y a su composición y se agrupan en las siguientes categorías:  Aceros para construcción Este tipo de acero como su nombre lo indica es el de uso más extendido para construcciones de estructuras en el mundo, contiene porcentajes de carbono inferiores al 1% y se le adicionan otras pequeñas cantidades de magnesio, vanadio, molibdeno, entre otros con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas y hacerlos resistentes a la intemperie.

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA  Aceros para herramientas Son aceros de alta dureza y resistentes al desgaste, anteriormente el acero más utilizado para la construcción de herramientas poseía una composición de carbono que comprendía entre el 0,8 – 1,0% con pequeñas adiciones de Mn y Si , esta composición hacia que el metal tuviera poca tenacidad y baja resistencia al desgaste, estas insuficiencias se corrigieron adicionando entre el 1 – 2% de Mn y se comprobó que se obtenía un acero indeformable con una alta capacidad de temple.  Aceros para maquinaria Estos aceros son generalmente de baja aleación utilizados para la construcción o reparación de elementos de maquinarias, sirven para infinidad de aplicaciones entre las que cabe destacar la fabricación de Ejes, Engranes, Guías, Tornillos sin fin, Bujes, Tornillos, Pines, Sellos, Rodos, etc.  Aceros inoxidables Son aceros que se caracterizan por su resistencia a la corrosión y pueden dividirse en tres grupos básicamente: ferríticos, martensíticos y austeníticos que reciben su nombre gracias a su estructura predominante. 1.3.3 NORMALIZACIÓN DE LOS ACEROS Debido a la gran cantidad de aceros que se pueden producir, se han impuesto en cada país, para cada fabricante y para cada consumidor, normas que regulan la composición de los aceros que se producen, así que es posible afirmar que para cada país existe un código diferente. Sin embargo los más importantes son las normas SAE-AISI (USA), ISI (Inglaterra), DIN (Alemania), GOST (URSS), UNE (España). Para América latina el sistema de codificación más utilizado es el SAE-AISI, cuyas siglas tienen el siguiente significado: SAE: Society of Automotive Engineers AISI: American Iron and Steel Institute 1.3.4 IDENTIFICACIÓN DE ACEROS SEGÚN EL SISTEMA SAE-AISI En este sistema los aceros se identifican con cuatro o cinco dígitos. Los dos primeros indican la variedad de acero o la cantidad de elementos de aleación. De este modo si los dos primeros números son 10XX, quiere decir que es un acero al

11

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA carbono; cuando es 40XX, los aceros son al molibdeno; cuando empiezan con 80XXX son aceros al níquel-cromo-molibdeno, etc. Las dos últimas cifras indican la cantidad de carbono presente en la aleación en decimas de porcentaje.

Ejemplo:

Un Acero designado en la norma SAE-AISI como un acero 1020, ¿Cuál es el material con el que se está tratando?

10 20 Su contenido de carbono es de 0,20% en promedio

Acero al carbono Significa que es un acero al carbono con 0,20% de carbono en promedio.

Tabla 1. Variedad del acero a partir del primer digito

Primera cifra 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tipo de acero Acero al Carbono Acero al Níquel Acero al Níquel-Cromo Acero al Molibdeno Acero al Cromo Acero al Cromo Vanadio Acero al Tungsteno Acero al Níquel-Cromo-Molibdeno Acero al Silicio-Magnesio

Fuente: basado en la norma SAE-AISI

1.3.5 ACEROS PARA EJES Y ARBOLES Los aceros utilizados para la fabricación de ejes y árboles se denominan aceros para maquinaria y son generalmente aceros de baja aleación, En nomenclatura

12

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA SAE-AISI, los aceros para partes de maquinaria se clasifican con cuatro dígitos. El primer dígito indica (ver tabla 1) la aleación principal, el segundo modifica al primero y los dos últimos dígitos relacionan la cantidad de carbono promedio en decimas de porcentaje 0,2- 0,4%. Los aceros utilizados para la fabricación de elementos de maquinaria son los siguientes:  Acero SAE 1010 Es un acero muy dúctil y maleable, de fácil conformidad en frío y muy buena soldabilidad. Puede ser utilizado como acero de segmentación, elementos de maquinaria que requieran gran tenacidad, piezas de fuerte embutición, piezas que deban sufrir deformaciones en frío.  Acero SAE 1016 Este tipo de acero puede utilizarse en estado cementado, templado y revenido o simplemente en estado calibrado; se utiliza principalmente en elementos de maquinaria que requieran gran tenacidad, conjuntamente con una resistencia de demasiado elevada, piezas que deban sufrir deformaciones en frío.  Acero SAE 1020 Acero de bajo carbón para usos generales; sobre todo en aquellas aplicaciones que requieren buena soldabilidad; por su contenido de manganeso ofrece mejor maquinabilidad que otros aceros de este grupo. Se puede obtener superficies endurecidas mediante tratamiento térmico de áreas externas carburizadas por segmentación.  Acero SAE 1045 Es un acero muy apropiado para piezas de pequeño tamaño que deban templarse a inducción, obteniéndose una dureza superficial de 54-56 RC; se emplea para herramientas forjadas de todo tipo, como: hachas, azadones, rastrillos, picas, martillos de varios usos, porras, etc. La templabilidad de este acero es mejor que la de los dos anteriores; se usa para piezas de máquinas de pequeño y mediano espesor y sirve para piezas que deban ser templadas a inducción, o con soplete.  Acero SAE 4140 Es uno de los aceros de baja aleación más populares por el espectro amplio de propiedades útiles en piezas que se someten a esfuerzo, con relación a su bajo costo. Al templarlo se logra muy buena dureza con una gran penetración de la misma, teniendo además un comportamiento muy homogéneo. Tiene también una buena resistencia al desgaste. Aplicaciones: se emplea en cigüeñales, engranes, ejes, mesas rotatorias, válvulas y ruedas dentadas. También es utilizado en piezas

13

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA forjadas, como herramienta, llaves de mano y destornilladores, espárragos, árboles de levas, flechas de mecanismos hidráulicos.  Acero SAE 4340 Se utiliza generalmente en la industria para fabricación de piezas que requieran una dureza y tenacidad elevadas, tortillería de alta resistencia templada y revenida de gran sección, levas de mando, engranajes para maquinas templadas por inducción, ejes para carros y camiones, discos de frenos, ejes de transmisión de grandes dimensiones, mandriles etc.  Acero SAE 8620 Se utiliza generalmente para ejes ranurados, pasador de pistón, bujes, piñones para cajas y transmisiones de automotores, cigüeñales, barras de torsión, herramientas manuales, tortillería, engranajes para reductores, tornillos sin fin pasadores, discos excéntricos etc. 1.3.6 ACEROS DE VENTA EN COLOMBIA PARA FABRICAR EJES En Colombia el sector de la siderúrgica se encuentra dominado por cinco importantes empresas productoras de acero, ellas son: Simesa, Paz del Río, Sidelpa, Sideboyacá y Sidemuña. Sin embargo, cuando se hace necesario la compra de un determinado producto resulta practico obtenerlo por intermedio de empresas que se dedican a la comercialización e industrialización de aceros especiales de alta calidad (ver anexos). Es importante recordar que dentro de los criterios de selección de un acero que se va a usar para una aplicación determinada, el usuario que fabricara la pieza debe tener claramente definidos ciertos parámetros como son: lo que espera de la pieza que va a fabricar, las propiedades de los materiales que se encuentran disponibles en el mercado, el tratamiento térmico que se les va a realizar y las propiedades que se pueden obtener después del tratamiento térmico. Tener claro estos conceptos ayudara al fabricante a predecir el diseño, el tratamiento térmico necesario y el costo de fabricación por pieza fabricada. Apartados de la intención de promocionar los productos ofrecidos de determinada empresa, y solo con el ánimo de mostrar al estudiante cuales de los aceros que se requieren para la fabricación de ejes y árboles están disponibles para la compra en el mercado nacional, se describirán a continuación y se tomaran como referencia los productos ofrecidos por la compañía general de acero (ver ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).

14


EXTREMOS DE LOS EJES Y ÁRBOLES

Los extremos suelen ser también cilíndricos, pero de menor diámetro que el resto de la pieza. El extremo, o parte de menor diámetro, debe tener una longitud proporcional a su diámetro. Esta longitud se especifica detalladamente, en la norma DIN 748. En general, y de acuerdo con esa norma, la longitud de los extremos de los ejes y arboles corrientes (Figura 6. a) es de aproximadamente el doble del diámetro, y para ejes cortos (Figura 6,b) la longitud es de 1,5 veces el diámetro. Figura 7. Extremos de ejes y arboles cilíndricos.

Fuente: basado en la norma DIN 748

Los extremos de los árboles y ejes con cojinetes de fricción presentan formas variadas, algunos son cilíndricos lisos, cilíndricos con reborde y otros cónicos. Figura 8. Extremos largos y cortos de ejes cónicos


Estos extremos son útiles cuando el eje ha de introducirse dentro de un agujero completo: la conicidad facilita la entrada, permitiendo que la sujeción sea mejor.

15

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 8. Extremos de ejes y árboles


16


ÁRBOL NERVADO

Figura 9. Árbol nervado

Fuente: Autores

Cuando además de transmitir movimiento se hace necesario que los elementos montados en el árbol puedan desplazarse axialmente, es muy habitual emplear este tipo de sistemas (Figura 10). También son muy utilizados cuando el par a trasmitir es muy elevado, incluso se aconsejan cuando se producen cambios bruscos de rotación, vibraciones o golpes. Pese a todas estas aplicaciones, son capaces de trasmitir el movimiento de forma muy precisa. En definitiva, se trata de un eje cilíndrico sobre el que se realiza una serie de acanaladuras. Se Podría decir que sería igual que colocar chavetas de caras paralelas en todo el perímetro del eje, por lo que muchas veces se emplean estas formas de árboles en vez de las chavetas.

17

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 10. Desplazamiento axial del elemento montado sobre el árbol nervado

Fuente: ORTEA VARELA, Enrique. Montaje y mantenimiento mecánico.

Su forma y las dimensiones de las nervaduras están normalizadas en Ia DIN 5461 y siguientes. Dependiendo de Ia carga a transmitir nos encontraremos con ejes nervados de serie ligera DIN 5462, mediana DIN 5463 y pesada DIN 5464. La diferencia entre ellas radica en el aumento respectivo de Ia profundidad de Ia entalla y su anchura. Dependiendo del diámetro del árbol encontraremos habitualmente entre 6 y 20 nervaduras. Su forma de designación es la siguiente: 𝒏° 𝒏𝒆𝒓𝒗𝒊𝒐𝒔 × 𝒅𝟏 × 𝒅𝟐 𝑫𝑰𝑵 𝟓𝟒𝟔𝟏

Figura 11. Representación normalizada del árbol nervado

Fuente: Autores

18


ÁRBOL ESTRIADO

Es una variante del nervado. Si se reduce el tamaño de las nervaduras, se aumenta su número y si modificamos ligeramente su forma obtendríamos lo que comúnmente se conoce como árbol entallado (Figura 12), aunque no tiene las mismas aplicaciones que el anterior, ya que suele emplearse como acoplamiento fijo, es decir, como mecanismo de transmisión de movimiento sin permitir desplazamientos axiales del eje o del elemento introducido en él. Los árboles estriados se encuentran normalizados por la ISO 4156 y la DIN 5481. Figura 12. Árbol estriado


La norma ISO 4156 define las dimensiones de los árboles ranurados con flancos de evolvente, permiten grandes velocidades de rotación y muy buen centraje. Se proyectan y fabrican con las mismas técnicas que el dentado de engranajes. Figura 13. Ejes nervados con flancos de evolvente

Fuente: Basado en la norma ISO 4156

19

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA La norma DIN 5481 define las dimensiones de los árboles ranurados con dentado entallado. Es más económico de fabricación pero permite menos variación de dimensiones. En la designación se utiliza la letra A cuando se refiere al perfil del cubo y la letra B cuando se refiere al perfil del eje nervado. A continuación se muestra como se representa un eje nervado con su respectivo cubo. Designación: Perfil del eje nervado B d1Xd3 DIN 5481 Perfil del cubo nervado A d1Xd3 DIN 5481 Figura 14. Árbol ranurado con dentado entallado


20

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 15. Representación de ejes nervados


1.7

POSICIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS MONTADOS EN LOS EJES

Existen varios métodos para lograr el posicionamiento y sujeción de las piezas que van introducidas en los ejes. A continuación se detallan los procedimientos de montaje más empleados: 1) Mediante un ajuste de apriete entre el eje y el elemento montado

21

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Cuando se emplea este sistema y el ajuste es fuerte, el posicionamiento de los elementos se consigue mediante la interferencia producida entre las piezas, incluso se puede lograr el giro solidario de todos los cuerpos. Cuando el ajuste es ligeramente apretado, es necesario utilizar una chaveta o lengüeta que asegure el giro solidario. Para realizar el desmontaje de los elementos dispuestos de esta forma se hace necesario emplear una prensa (Figura 16 a) o un extractor (Figura 16 b). Cuando no exista otra posibilidad se debe extraer los cuerpos mediante una maza. Figura 16. Herramientas para el desmontaje de los elementos montados en el eje


2) Mediante anillos de seguridad y arandelas de retención Estos componentes se utilizan para limitar el desplazamiento axial de las piezas introducidas en los árboles o ejes. También se emplean para situar los ejes respecto a sus soportes, asegurando su posición.

22

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 17. Anillos de seguridad y arandelas de retención


3) Mediante anillos o collarines de retención. Como su nombre indica, se trata de unos anillos que se introducen en el eje y se fijan a él, bien por un tornillo prisionero (Figura 18), un pasador o mediante la disminución de diámetro obtenida gracias a una ranura. También podemos encontrar collarines en dos mitades (Figura 19), que permitirán el montaje y desmontaje por cualquier zona del eje, sin necesidad de acceder desde un lateral. Habitualmente se emplean en pequeños diámetros y con ellos se consigue situar las piezas. Figura 18. Collarín de retención y su aplicación


23

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 19. Collarín de retención en dos mitades

Fuente: Fuente: ORTEA VARELA, Enrique. Montaje y mantenimiento mecánico.

4) Mediante manguitos o casquillos cónicos de fijación La constitución de los manguitos cónicos es similar a los empleados en los rodamientos de asiento cónico. Se pueden encontrar con manguito de fijación o manguito de desmontaje y consiguen bloquear un cuerpo sobre un eje sin necesidad de chaveta. Tienen la ventaja de que el eje no necesita ir enchavetado, tampoco necesita mucha precisión en su acabado y el conjunto montado genera un centrado de calidad (Figura 20). Figura 20. Montaje de elementos sobre manguito de fijación y de desmontaje


24

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA 5) Mediante ajustes por chavetas y lenguetas longitudinales Chavetas y lengüetas longitudinales para diferenciarlas se debe observar su ajuste. A continuación se explica detalladamente las características de cada una: Chavetas La chaveta tiene forma de cuña y su ajuste apretado lo realiza su cara superior e inferior (fig.20). Esta constitución es capaz de transmitir el movimiento de giro a la vez que inmoviliza axialmente la pieza que sujeta. Figura 21. Ajuste por chaveta


Las chavetas suelen emplearse habitualmente en maquinaria pesada de sectores agrícola, obras públicas, etc. Una de sus principales ventajas con respecto a las lenguetas es que pueden ser desmontables desde el exterior. Las chavetas sin cabeza se encuentran de dos tipos, tipo A y tipo B y se designan de la siguiente forma: Designación de una chaveta forma A de anchura b = 30 mm, altura h = 20 mm y longitud I = 140 mm Designación: Chaveta forma A 30 x 20 x 140 DIN 6886

25

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 22. Chavetas sin cabeza


Lengüetas La lengüeta, al contrario que la chaveta, tiene sección constante con caras paralelas y su ajuste se formaliza entre sus caras laterales, dejando cierta holgura entre su cara superior y el cubo (fig. 22), aproximadamente del orden de entre 0,1 Y 0,3 mm. Debido a este ajuste, la lengüeta transmite el giro del eje al elemento que sustenta, pero permite el desplazamiento axial de éste. Si necesitásemos la inmovilización lateral la deberíamos obtener por otro medio. A estas lengüetas también se les suele conocer con el nombre de chavetas paralelas, por lo que debemos familiarizarnos con los dos nombres que las designan. Es la más utilizada en tecnología mecánica, ya que se emplea desde maquinaria en general hasta motores eléctricos. Figura 23. Ajuste utilizando lengüetas


26

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA La lengüeta es paralela en todas sus caras, pero sus extremos pueden ser de diversas formas (fig. 23), según la ranura del chavetero o la necesidad de la unión. Sus características están definidas por la norma DIN 6885. Figura 24. Forma de los extremos de las lengüetas


También existe una lengüeta con Forma "AB" , es decir, con un extremo redondeado y otro cuadrado. De igual manera, puede llevar en su cuerpo una serie de orificios, que estarán destinados para fijar las lengüetas o de ayuda para su extracción. Figura 25. Fijación de las lengüetas


27

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 26. Dimensiones del chavetero en el cubo

Fuente: Autores.

Tabla 2 Dimensiones de chavetas y chaveteros DIÁMETRO DEL EJE (mm)

6a8 8 a 10 10 a 12 12 a 17 17 a 22 22 a 30 30 a 38 38 a 44 44 a 50 50 a 58 58 a 65 65 a 75 75 a 85 85 a 95 95 a 110 110 a 130 130 a 150 150 a 170 170 a 200 200 a 230

ANCHURA Y PROFUNDIDAD DEL CHAVETERO EN EL EJE b x t2 (mm) 2x1 3x2 4x2,5 5x3 6x3,5 8x4 10x4,5 12x4,5 14x5 16x5,5 18x6 20x7 22x8,5 25x8,5 28x9,5 32x10,5 36x11,5 40x12,5 45x14,5 50x16,5

DIMENSIONES DEL CHAVETERO EN EL CUBO (mm)

DIMENSIONES DE LA CHAVETA bxh (mm) 2x2 3x3 4x4 5x5 6x6 8x7 10x8 12x8 14x9 16x10 18x11 20x12 22x14 25x14 28x16 32x18 36x20 40x22 45x25 50x28

Fuente: basado en la norma ANSI B17.1-1967

28

b

t1

2 3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50

D+1 D+1 D+1,5 D+2 D+2,5 D+3 D+3,5 D+3,5 D+4 D+4,5 D+5 D+5 D+5,5 D+5,5 D+6,5 D+7,5 D+8,5 D+9,5 D+10,5 D+11,5

DIÁMETRO DEL PRISIONERO (mm)

3 3 4 5 6 8 10 10 14 14 18 18 22 22 22 30 30 30 30 30


CAMBIOS DE SECCION Y RADIO ENTRE DOS PARTES DEL EJE

Cuando en un eje se presenta un cambio de diámetro, para formar un escalón contra el cual localizar un elemento de máquina, se produce una concentración de esfuerzos que depende de la relación de los dos diámetros y el radio del chaflán. Se recomienda que el radio del chaflán (o radio de tangencia) sea el mayor posible para minimizar la concentración de esfuerzos, pero a veces el diseño del engranaje, cojinete u otro elemento es el que afecta el radio que se puede usar. Los cambios de secciones en el cuerpo del eje se deben dibujar con una pequeña curvatura. Esto se hace para evitar cantos vivos que pueden causar grietas en la pieza. Al pasar de una parte del eje a una de diferente diámetro se debe dibujar una pequeña curva y su radio deberá ser siempre ligeramente menor al del elemento que se sujetara para que este pueda ajustarse sin chocar (Ver Figura 8). El valor de este radio no debe ser tan alto de forma que el diámetro de la sección vecina toque la pista exterior, porque la pista interior gira a la velocidad del eje, y la pista exterior es estacionaria. El diámetro nominal máximo es el diámetro medio del rodamiento a la mitad de las bolas. Para fines del diseño, se clasificarán los chaflanes en dos categorías: agudas y bien redondas. El término agudo no quiere decir algo verdaderamente agudo, sin radio de transición. Esta configuración de escalón tendría un factor de concentración de esfuerzos muy grande, y debería evitarse. Más bien, dicho término describe un escalón con un radio del chaflán relativamente pequeño. Una situación donde probablemente se de este tipo de configuración es cuando hay que localizar un cojinete de bolas o de rodillos. La pista interior del rodamiento tiene un radio con el que se le fabricó, pero es pequeño. El radio del chaflán sobre el eje debe ser menor, para que el rodamiento asiente bien contra el escalón.

29

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 27. Cambio de sección

Fuente: Autores.

Cada fabricante de rodamientos facilita al cliente catálogos que le sirve de guía para determinar la altura del escalonamiento adecuado y el radio de entalladura. Por ejemplo, el catálogo de rodamientos FAG (ver figura 27) muestra las especificaciones de las alturas del escalón adecuadas. El diámetro D1, es el valor mínimo en milímetros del escalón en el eje y rg es el radio mínimo de entalle.

30

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 28. Catálogo de rodamientos

Fuente: catalogo FAG.

31

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA 2. DISEÑO DE EJES Y ARBOLES El diseño, bien sea de un eje o un árbol es un diseño de ingeniería que parte de la intención de satisfacer una necesidad en particular. Se plantea una solución al problema y se espera que la propuesta sea óptima, para ello se debe garantizar que estos elementos tengan el diámetro suficiente que permita garantizar rigidez y resistencia mecánica cuando el sistema esté operando en diferentes condiciones de carga. Se deben seguir una serie de etapas en el diseño cuya intención es no dejar consideraciones al azar que nos lleven a planear un diseño ingenuo y alejado de la realidad. 2.1

PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR UN EJE:

1. Determine la velocidad de giro del eje. 2. Determine la potencia o el par torsional que debe transmitir el eje. 3. Determine los componentes de transmisión de potencia, que se montarán sobre el eje, y especificar el lugar requerido para cada uno. 4. Especifique la ubicación de los cojinetes que soportaran al eje. 5. proponga la forma general de los detalles geométricos para el eje, considerando la forma de posición axial en que se mantendrá cada elemento, y la forma en que vaya a efectuarse la transmisión de potencia de cada elemento al eje. 6. Determine la magnitud del par torsional que se desarrolla en cada punto del eje. Se recomienda preparar un diagrama de par torsional, como se indicará después. 7. Determine las fuerzas que obran sobre el eje. 8. Genere los diagramas de fuerza cortante y momento flexionante completos, para determinar la distribución de momentos flexionantes en el eje. 9. Seleccione el material con el que se fabricará el eje y especifique su condición: estirado en frío y con tratamiento térmico, entre otras. 10. Determine un esfuerzo de diseño adecuado, contemplando la forma de aplicar la carga (uniforme, choque, repetida e invertida u otras más).

32

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA 11. Analice cada punto crítico del eje, para determinar el diámetro mínimo aceptable del mismo, en ese punto, y para garantizar la seguridad frente a las cargas en ese punto. 12. Especifique las dimensiones finales para cada punto en el eje. 2.2

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN EJE

Se desea diseñar el eje intermedio para un reductor de velocidades que moverá un molino de bolas. El eje recibe potencia de un motor a través de la polea A. La potencia que entrega el motor eléctrico es de 0,5 hp @ 1600 rpm y la eficiencia mecánica de la transmisión es de 94%. El piñón D entrega potencia a un eje de salida, cuya velocidad es de 100 rpm, la eficiencia en esta etapa es del 98%.

Determine las proporciones para este eje y el tipo de rodamientos sobre los que irá montado.

33

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Solución: 1. Determinar la velocidad de giro del eje Para llegar a una velocidad de 100 rpm en el eje de salida que moverá al molino de bolas se requiere de una relación de trasmisión de: 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 =

1600 𝑟𝑝𝑚 = 16 100 𝑟𝑝𝑚

Esta relación de transmisión debe repartirse entre la transmisión por correas y la transmisión por cadenas, por lo que el diseño del reductor constará de dos etapas. Inicialmente elegimos para cada etapa una relación de transmisión de 4 Tabla 3. Etapas del reductor Relación de transmisión Velocidad de entrada (rpm) Velocidad de salida (rpm)

CORREAS

CADENAS

4 1600 400

4 400 100

Fuente: Autores.

Entonces queda definida la velocidad de giro del eje en 400 rpm. 2. potencia y par de torsión que transmite el eje La potencia que recibe el eje del reductor de velocidades desde el motor eléctrico es igual a la capacidad del motor multiplicada por la eficiencia de la primera etapa. Potencia de entrada en el eje: 𝑃𝑒𝑛𝑡 = 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 × 𝜂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑎𝑠 = 0,5 ℎ𝑝 × 0,93 = 𝟎, 𝟒𝟔𝟓 𝒉𝒑 3. componentes que se montaran sobre el eje En el extremo A se montara una polea trapezoidal y en el punto D se montara un piñón para cadenas. El espacio del que se disponga para el montaje de los elementos limitara la posición de cada componente. Para este caso en particular los elementos de transmisión de potencia se ubican de la siguiente forma.

34

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Figura 29. Localización de los elementos

Fuente: Autores.

La ubicación de los cojinetes debe ser en lo posible a cada lado de los elementos de transmisión de potencia, con esto se logra un soporte adecuado del eje dado que se balancean razonablemente bien las cargas sobre el eje. Se recomienda que los cojinetes estén cerca de los elementos de transmisión ya que con esto se consigue minimizar los momentos flectores que se generan cuando las distancias entre cojinete y elemento son considerables. Pensando en un futuro mantenimiento del reductor de velocidades, se propone que los elementos de transmisión se ubiquen en los extremos del eje, así, cuando se requiera cambiar la correa que transmite la potencia desde el motor al eje, no sea necesario desmontar totalmente el eje para poder instalar la nueva correa. La lubricación y el remplazo de la cadena de transmisión es más cómodo con esta disposición. 5. proponer una forma general de los detalles geométricos del eje Primero se debe considerar la forma de cómo se va a efectuar la transmisión de potencia desde cada elemento al eje. Por ejemplo, se considera que en el eje intermedio del reductor se sujetara una polea trapezoidal y una Catarina por medio de cuñas, se realizan escalonamientos a los extremos del eje para asentar las piezas. La potencia entra al eje a través de la polea en A y sale por el piñón motriz en D. Se debe decidir la posición de las chumaceras de forma que la posición del eje se mantenga durante el funcionamiento (que no exista movimiento axial). Para garantizar que el eje quede fijo, se deben realizar escalonamientos en el mismo de tal forma que las chumaceras tengan una superficie sobre la cual asentarse.

35

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Esta geometría propuesta suministra una localización apropiada para efectos de mantenimiento y operación de los elementos de transmisión. Figura 30. Elemento intermedio del reductor

Fuente: Autores.

Los pasos del 6 al 8 corresponden al análisis que se realiza en cursos superiores de mecánica de materiales y diseño de máquinas, este estudio es necesario para calcular las secciones críticas que permiten determinar el diámetro mínimo aceptable de cada sección el eje. Para cada punto se observará la magnitud del par torsional y del momento flexionante que exista allí, y se estimará el valor de los factores de concentración de esfuerzos. Este estudio avanzado esta fuera de los límites de este manual, por lo que se omitirá, a cambio, se mostrara al estudiante, luego de haber seleccionado el material adecuado del eje, los diámetros mínimos de las secciones críticas. 9. seleccionar el material El material de mayor uso para la fabricación de ejes y arboles es el acero, que debido sus propiedades mecánicas es lo suficientemente fuerte como para soportar los abusos a los que pueda ser sometida la pieza.

36

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA De los diferentes tipos de aceros, los que se utilizan para la fabricación de elementos de maquinaria son los siguientes: Acero SAE 1010, 1016, 1020, 1040, 1045, 4140, 4340, 4640, 5150, 8620. Vea las sugerencias sobre aceros para ejes en la tabla 2. Los más comunes son los aceros al carbón simples o aleados, con contenido medio de carbón, como los AISI 1020, 4140, 4340, 4640, 5150. Debido a que el eje no estará sometido a grandes esfuerzos mecánicos se utilizara para la construcción de este eje un acero SAE 1020 calibrado, cuyas propiedades mecánicas son: Resistencia a la tracción 55 kg/mm2 (78210 PSI) Limite elástico 38 kg/mm2 (54000 PSI) Porcentaje de alargamiento 15% 10 y 11. Luego de conocer las propiedades mecánicas del material que se utilizara, se analiza la forma como se aplican las cargas y se identifica cada punto crítico del eje para garantizar que no falle bajo estas condiciones. Se presentara al estudiante los diámetros mínimos calculados para cada sección del eje. Es decir, los diámetros mínimos que deberá tener cada sección para que a estas condiciones de carga, el eje pueda operar sin romperse. Los diámetros mínimos calculados que se requieren para las diferentes secciones del eje son las siguientes: 𝐷1 = 𝟕, 𝟖𝟓𝟔 𝒎𝒎

𝐷2 = 𝟏𝟒, 𝟏𝟗 𝒎𝒎

𝐷3 = 𝑥𝑥𝑥 𝑚𝑚

𝐷4 = 𝟐𝟒, 𝟒𝟓 𝒎𝒎 𝐷5 = 𝟕, 𝟖𝟓𝟔 𝒎𝒎

12. se especifican las dimensiones finales de cada sección del eje, teniendo como referencia los diámetros calculados anteriormente que servirán como guía. Se debe tener presente que las dimensiones reales del eje que están condicionadas a los elementos que irán montados sobre él, es por ello que se deberá revisar en los catálogos de los fabricantes de chumaceras el diámetro

37

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA comercial más próximo al calculado. Una vez seleccionada la chumacera adecuada y los elementos que irán montados sobre el eje, se pueden especificar los detalles del diseño, como los radios de entalle, la altura de los escalones, el diámetro, las tolerancias, los radios del chaflán y las dimensiones de los cuñeros. El diámetro del eje que más se próxima al diámetro D4, para una chumacera NTN de rodamientos de bolas es de 25 mm. La designación abreviada del rodamiento es UCX05D1. Con esto se define también el diámetro de la sección B-C, para este rodamiento se tomara un diámetro D3 = 29 mm y el radio de entalle es de r3 = r2 =1 mm.

𝑑 = 25 𝑚𝑚

𝑑4 = 40,8 𝑚𝑚 𝑟 = 1 𝑚𝑚

𝑆 = 15,9 𝑚𝑚

𝑆1 = 22,2 𝑚𝑚

D3 sale de sumarle 4 milímetros a D4 esto con el fin de que el espesor de la pista interior del rodamiento asiente sobre la cara del escalonamiento. D3 no debe superar el diámetro exterior d4 ya que se estaría sobre dimensionando esta sección del eje. Las dimensiones D4 y D2 en el eje serán las mismas, puesto que las chumaceras son del mismo diámetro. D4 = D2 = 25 mm Para los diámetros de los extremos, si seguimos con la misma relación de diámetros entonces los extremos D1 y D5 medirán: D1= D5 = 21 mm

38

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA Para que los elementos que transmiten potencia asienten bien sobre la cara de escalonamiento, se deben realizar redondeos sobre esta cara teniendo en cuenta que el radio de entalle será igual a la mitad de la dimensión del chaflán del cubo. Se pudo determinar que tanto la polea como el piñón motriz presentan chaflanes en el cubo de 2x45º, por lo que los radios de entalle para esta sección serán de: r1= r4 = 1 mm. Los extremos del eje llevan chaflanes de 1x45º para facilitar el montaje de los elementos de trasmisión de potencia (polea y piñón). Según la norma DIN 748 para un diámetro del eje de 21 mm, la longitud del extremo para ejes corrientes será de 50 mm. Las dimensiones del chavetero para un diámetro de eje de 21 mm son: Ancho y profundidad del chavetero en el eje = 6 x 3,5 mm Para ver las proporciones finales del eje, ir a los anexos donde se encuentra el plano de fabricación con sus respectivas dimensiones. Nota: hay que tener en cuenta el ancho del cubo de los elementos de transmisión y de los elementos de apoyo que van montados sobre el eje para poder dar las proporciones finales.

39

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA BIBLIOGRAFIA CAICEDO C, Jorge A. Diseño de elementos de máquinas. Teoría y práctica. t.2. Cali: El autor, 1984. p. 982-994. INSTITUTO ALEMÁN DE NORMALIZACIÓN. Extremos de ejes cilíndricos. DIN 748. 8 ed. Barcelona: Balzola-Bilbao, 1970. p. 244. INSTITUTO ALEMÁN DE NORMALIZACIÓN. Extremos de ejes cónicos. DIN 750. 8 ed. Barcelona: Balzola-Bilbao, 1970. p. 246. MOTT, Robert L. Diseño de elementos de máquinas. 4 ed. México: Pearson, 2006. p. 530-563. ORTEA VARELA, Enrique. Montaje y mantenimiento mecánico. Barcelona: El autor, 2008. p. 103-114. ROJAS GARCIA, Hernán. Diseño de máquinas II. Transmisiones flexibles. t.3. Bucaramanga: El autor, 1992. p. 23-50. RESHETOV, D.N. Atlas de elementos de máquinas y mecanismos. 8 ed. Barcelona: CEAC, 1985. 411 p. STRANEO, S.L y CONSORTI, R. El dibujo técnico mecánico. Barcelona: Hispano Americana, 1965. p. 387-395. SHIGLEY, Joseph Edward y MITCHELL, Larry D. Diseño en ingeniería mecánica. 4 ed. México: McGraw-Hill, 1985. p. 797-814. V.M, Faires. Diseño de elementos de máquinas. 4 ed. Barcelona: Montaner y Simón, 1975 [ca.] p. 595-606.

40

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA

ANEXOS

41

M MA MANUAL DE EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA

ANEXO A. NORMAS DIN PARA EXTREMOS DE EJES

42

CD 621-233

7.36

Extremos de ejes cilíndricos

DIN 748

Para alojamientos de poleas, acoplamientos y ruedas dentadas Esta norma coincide con las recomendaciones del comité ISA *) 14 -extremos de ejes- de Diciembre de 1933, a las que se han adherido según boletín ISA 3 los siguientes países: Dinamarca, Alemania, Finlandia, Japón, Países Bajos, Noruega, Austria, Polonia, Rumania, Suecia, Suiza, Checoslovaquia, Hungría y Unión de republicas Socialistas Soviéticas. Las diferencias no pudieron ser fijadas internacionalmente, pero la mayoría de países se han pronunciado por el sistema de agujero único. Medidas en mm Extremos de ejes corrientes

Diámetro D 6 8 10 12 14 16 18 (19) 1) 20 22 (24) 1) 25 28 30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 130 140 150

Diferencias para D según calibre ISA j 6 2)

k 6 2)

m 6 2)

Longitud L1 16 20 23 30 30 40 40 50 50 50 60 60 60 80 80 80 80 110 110 110 110 110 110 140 140 140 140 170 170 170 170 210 210 210 250 250

Extremos de ejes cortos

Diámetro D

Diferencias para D según calibre ISA

160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 420 440 450 460 480 500 550 600 650

m 6 2)

250

Longitud L1 300 300 300 350 350 350 350 440 440 440 440 440 560 560 560 560 560 560 700 700 700 700 700 700 860 860 860 860 860 860 860 1000 1000 1000

Diámetro D

Longitud 3 L2 )

230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 420 440 450 460 480 500 550 600 650

410 410 410 410 410 470 470 470 470 470 470 550 550 550 550 550 550 650 650 650 650 650 650 650 800 800 800

3) para el eje m 6 en agujero H7 solo son admisibles estas longitudes de eje, empleando simultáneamente chavetas tangenciales y si no el ajuste se hará como asiento prensado o de contracción. Según se estipule.

1

) evítense en lo posible los tamaños entre paréntesis: solo para ejes destinados a rodamientos de bolas de 20 y 25 m de agujero.

2

) empleando el agujero H7 resulta j 6 un asiento forzado ligero K 6 un asiento forzado medio M 6 un asiento forzado prieto.

Para diámetros superiores a 500 mm no están establecidos ajustes. Se preferirán los diámetros en negrita. Extremos de ejes para maquinas eléctricas. DIN 42943 h 1 Aparatos de conexión, extremos de ejes para elementos de accionamiento. DIN 46060 Acoplamientos de bridas. DIN 759

*) Federación Internacional de las Asociaciones Nacionales de Normas (International Federation of the National Standardizing Associations)

M MA MANUAL DE EJES Y ARBOLES DE TRANSMISION DE POTENCIA CD 621-233

7.36

Extremos de ejes cónicos cortos

DIN 750

Para alojamientos de ruedas dentadas y acoplamientos Esta norma coincide con las recomendaciones del comité ISA *) 14 -extremos de ejes- de Diciembre de 1933, a las que se han adherido según boletín ISA 3 los siguientes países: Dinamarca, Alemania, Finlandia, Japón, Países Bajos, Noruega, Austria, Polonia, Rumania, Suecia, Suiza, Checoslovaquia, Hungría y Unión de repúblicas Socialistas Soviéticas. Medidas en mm Extremos de ejes cortos

Máximo diámetro del cono

Rosca d

D

Rosca métrica

6 8 10 12 14 16 18 19 20 22 24 25 28 30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 130 140

M4 M6 M6 M8 M 10 M 10 M 10 M 12 x 1,5 M 12 x 1,5 M 12 x 1,5 M 16 x 1,5 M 16 x 1,5 M 16 x 1,5 M 20 x 1,5 M 20 x 1,5 M 22 x 1,5 M 22 x 1,5 M 27 x 1,5 M 27 x 1,5 M 27 x 1,5 M 33 x 1,5 M 33 x 1,5 M 33 x 1,5 M 42 x 1,5 M 42 x 1,5 M 48 x 1,5 M 48 x 1,5 M 60 x 2 M 60 x 2 M 60 x 2 M 60 x 2 M 76 x 2 M 80 x 2 M 80 x 2 M 100 x 2 M 100 x 2

Rosca gas whitworth Designación mm

--------R 1/8" R 1/8" R 1/8" R 1/4" R 1/4" R 1/4" R 3/8" R 3/8" R 3/8" R 1/2" R 1/2" R 5/8" R 5/8" R 3/4" R 3/4" R 3/4" R 1" R 1" R 1" R 1 1/4" R 1 1/4" R 1 1/2" R 1 1/2" R 2" R 2" R 2" R 2" R 2 1/2" R 2 3/4" R 2 3/4" R 3 1/2" R 3 1/2"

--------9,729 9,729 9,729 13,158 13,158 13,158 16,663 16,663 16,663 20,956 20,956 22,912 22,912 26,442 26,442 26,442 33,250 33,250 33,250 41,912 41,912 47,806 47,806 59,616 59,616 59,616 59,616 75,187 81,537 81,537 100,334 100,334

Longitud total

Longitud del cono

Longitud de la rosca

Máximo diámetro del cono

L1

L2

L3

D

12 16 18 24 26 28 30 33 34 36 42 43 46 52 54 57 60 68 70 73 76 78 83 96 100 105 110 120 125 130 135 145 155 165 180 190

6 8 10 12 14 16 18 19 20 22 24 25 28 30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 130 140

6 8 8 12 12 12 12 14 14 14 18 18 18 22 22 22 22 28 28 28 28 28 28 35 35 35 35 40 40 40 40 45 45 45 50 50

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 420 440 450 460 480 500 550 600 650

Rosca d

Longitud total

Longitud del cono

Rosca fina métrica

Longitud de la rosca

L1

L2

L3

M 110 x 3 M 130 x 3 M 130 x 3 M 130 x 3 M 150 x 3 M 150 x 3 M 170 x 3 M 170 x 3 M 180 x 3 M 180 x 3 M 180 x 3 M 200 x 4 M 200 x 4 M 220 x 4 M 220 x 4 M 220 x 4 M 250 x 4 M 250 x 4 M 250 x 4 M 280 x 4 M 280 x 4 M 280 x 4 M 300 x 4 M 300 x 4 M 300 x 4 320 320 350 350 380 390 420 450 500 550

200 220 230 240 260 270 280 290 310 320 330 340 350 370 380 390 400 410 420 440 450 460 470 480 490 510 530 550 560 560 570 590 640 680 720

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 420 440 450 450 460 480 520 560 600

50 60 60 60 70 70 70 70 80 80 80 80 80 90 90 90 90 90 90 100 100 100 100 100 100 110 110 110 110 110 110 110 120 120 120

Se preferirán los diámetros en negrita.

Rosca: Rosca métrica según la DIN 18 (hasta M 10) Rosca fina métrica 3 según la DIN 243 (hasta M 300 x 4) Rosca gas Withworth según la DIN 259 (evítese en lo posible) Los datos para los diámetros de rosca rigen como instrucciones. Extremos de ejes cónicos, DIN 749

*) Federación Internacional de las Asociaciones Nacionales de Normas (International Federation of the National Standardizing Associations)

44

ANEXO B. TABLA DE PROPIEDADES MECANICAS DE ACEROS GRADO INGENIERIA

Tabla 4. Aceros grado ingeniería de la Cía. General de Aceros S.A. PROPIEDADES MECÁNICAS ACERO AISI/SAE

TIPO DE ACERO

1010

ACERO AL CARBONO PARA CEMENTACION

1016

1020

1040

1045

4140

4340

8615

8620

ACERO AL CARBONO PARA CEMENTACION ACERO AL CARBONO PARA CEMENTACION ACERO AL CARBONO PARA TEMPLE Y REVENIDO ACERO AL CARBONO PARA TEMPLE Y REVENIDO

ACERO ALEADO PARA TEMPLE Y REVENIDO

ACERO ALEADO PARA TEMPLE Y REVENIDO

ACERO ALEADO PARA CEMENTACIÓN

ACERO ALEADO PARA CEMENTACIÓN

ESTADO DEL MATERAL

RESISTENCIA A LA TRACCION Kg/mm^2

LIMITE ELASTICO Kg/mm^2

% ALARGA MIENTO

% REDUCCION DE AREA

DUREZA BRINELL APROX.

aplicaciones

Piezas que deben sufrir deformación en frio, se utiliza para la fabricación de bulones, ejes, cadenas, pasadores bujes, etc...

LAMINADO EN CALIENTE CALIBRADO LAMINADO EN CALIENTE

40

25

25

40

130

50

35

15

30

200

40

20

25

50

160

CALIBRADO

42

35

18

40

240

LAMINADO EN CALIENTE

40

31

25

45

140/180

CALIBRADO

55

38

15

30

180/220


--

--

--

--

--

CALIBRADO

--

--

--

--

--


60

38

16

40

220/240

CALIBRADO

65

54

10

35

250/280


60-70

40

22

50

210-240

CALIBRADO

70-80

60

14

40

240-260

BONIFICADO

88-100

75

16

50

260-320


65-75

45

20

50

210-240

CALIBRADO

75-85

65

10

30

240-260

BONIFICADO

90-110

80

16

45

260-320


65

35

20

40

215

RECOCIDO

55

30

28

50

180

CEMENTADO

80-105

60

11

35

--


65

35

20

40

200/220

RECOCIDO

55

30

28

50

160/180

Partes de vehículos que no estén sometidas a grandes esfuerzos mecánicos como ejes, eslabones para cadena, pasadores, bujes, etc… Partes de vehículos que no estén sometidas a grandes esfuerzos mecánicos como ejes, piñones de transmisión, pasadores, bujes cementados, etc… Ampliamente utilizado en la industria automotriz para la fabricación de árboles excéntricos, bujes para motores, cigüeñales, etc… Se usa para partes de maquinaria que requieren dureza y tenacidad como árboles, bielas, cigüeñales, ejes de maquinaria de resistencia media, piezas de armas, etc… Se utiliza en estado bonificado para ejes, bielas, engranajes, cigüeñales, cilindros de motores, arboles de turbinas de vapor, etc…

Por su gran templabilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga se utiliza en piezas con altas solicitudes mecánicas como levas de mando, ejes de carros y camiones, cardanes, etc...

Debido a su dureza superficial se utiliza para la fabricación de ejes ranurados, pasadores de pistón, barras de torsión, cigüeñales, etc... Con gran dureza superficial y tenacidad en el núcleo se utilizan para la fabricación de ejes ranurados, pasadores de pistón, barras de torsión, engranajes para reductores, etc…

ANEXO C. MEMORIA DE CÁLCULO PARA IDENTIFICAR LAS SECCIONES CRÍTICAS DEL EJE

MEMORIA DE CÁLCULO Diseño del eje intermedio de un reductor de velocidades para un molino de bolas. Forma general de los detalles geométricos del eje. Para transmitir potencia desde un motor eléctrico que entrega 0,5 hp @ 1600 rpm, hasta un eje de salida que moverá un molino de bolas que debe girar a 100 rpm se requiere un eje intermedio que permita realizar dos etapas de transmisión. A la entrada del elemento intermedio se utilizara una polea trapezoidal de 9 pulgadas de diámetro (∅𝑃 = 228 mm) y a la salida del mismo se pondrá un piñón de 13 dientes (∅𝑍 = 44,5 mm) y paso 3/8” para cadena Nº 35. La velocidad de giro de estos elementos es de 400 rpm. Figura 31. Elementos intermedios del reductor

Fuente: Autores.

Análisis de la polea conducida Cuando no se está transmitiendo potencia las tensiones son iguales en ambos lados y, por lo tanto, F1 = F2 =Fi. Donde Fi es la tensión inicial de la correa.

M MA MANUAL DE EJES Y ARBOLES DE TRANSMISION DE POTENCIA

Cada segmento de la correa se comporta como un resorte sometido a una tensión inicial Fi, entonces: 𝐹1 = 𝐹𝑖 + ∆𝐹

(1)

𝐹2 = 𝐹𝑖 − ∆𝐹 𝐹𝑖 =

(2)

𝐹1 +𝐹2

(3)

2

Si se aplica una carga ligera, una cierta potencia se transmite y F1 aumenta en ΔF, en tanto que F2 disminuye en la misma cantidad. Si la carga aumenta más y más, entonces F2 finalmente será nula debido a que una banda no puede resistir la compresión. En este punto F1 = 2Fi que es la tensión máxima en la correa. En consecuencia, la única forma de transmitir más potencia es aumentar la tensión inicial de la banda. Con base en el análisis anterior, una transmisión por correas se diseña a partir de la máxima tensión F1. Torque máximo en el punto A. Debido a que la potencia que entrega el motor eléctrico es de 0,5 hp y la eficiencia mecánica de la transmisión por correas es de 94%, la potencia que recibe el eje en el punto A es de: 𝑃𝐴 = 0,5 × 0,94 = 0,47 ℎ𝑝 ≈ 350 𝑊

Entonces para poder transmitir esta potencia a plena carga, la fuerza F2 será igual a cero y la Fuerza máxima F1 será igual a:

49


𝑻𝑨 =

𝑃𝐴 350 𝑊 = = 𝟖, 𝟑𝟓𝟓 𝑵. 𝒎 𝜔 400 × �2𝜋� 60

𝑭𝟏 =

𝑇𝐴 8,355 𝑁. 𝑚 = = 𝟕𝟑, 𝟑 𝑵 𝑟 0,114 𝑚

��⃗ 𝑭𝟏 = −73,3 sin 30 𝒋 + 73,3 cos 30 𝒌

Análisis del piñón motriz

En las transmisiones por cadenas y correas se debe garantizar un Angulo de abrace mínimo de 120 º. Es por esto que el Angulo que forma la tensión T1 con respecto a la horizontal es de 30º. Puesto que cuando opera la cadena, uno de sus ramales esta flojo entonces bajo condiciones de carga, la tensión T2 es igual a cero, y como el torque en A es el mismo torque en D se tiene que la tensión T1 es igual a:

50


𝑻𝟏 =

𝑇𝐷 = 𝑇𝐴 = 8,355 𝑁. 𝑚

𝑇𝐷 8,355 𝑁. 𝑚 = = 379,77 𝑁 ≈ 𝟑𝟖𝟎 𝑵 𝑟 0,022 𝑚 ��⃗ 𝑻𝟏 = 380 sin 30 𝒋 − 380 cos 30 𝒌

Fuerza aplicadas sobre el eje

Se aplican en total 4 fuerzas sobre el eje, dos de ellas en los extremos y son ��⃗ 𝑭𝟏 y ��⃗ 𝑻𝟏 las dos restantes son las reacciones en los apollos B y C. Calculo de las reacciones RB y Rc

� 𝑀𝐵 = 0 :

63,48𝑁 × 0,06𝑚 − 𝑅𝑐𝑧 × 0,1𝑚 + 329,1𝑁 × 0,16𝑚 = 0 𝑅𝑐𝑧 = 𝟓𝟔𝟒, 𝟔𝟓 𝑵

� 𝐹𝑧 = 0 : 63,48𝑁 − 𝑅𝐵𝑧 + 564,65𝑁 − 329,1𝑁 = 0 𝑅𝐵𝑧 = 𝟐𝟗𝟗 𝑵

51


� 𝑀𝐵 = 0 :

36,65𝑁 × 0,06𝑚 − 𝑅𝐶𝑦 × 0,1𝑚 + 190𝑁 × 0,16𝑚 = 0 𝑅𝐶𝑦 = 𝟑𝟐𝟔 𝑵

� 𝐹𝑧 = 0 : − 36,65𝑁 + 𝑅𝐵𝑦 − 326𝑁 + 190𝑁 = 0 𝑅𝐵𝑦 = 𝟏𝟕𝟐, 𝟔𝟓 𝑵

Diagramas de cortante y flector para encontrar las secciones crticas

52


Momentos resultantes en la seccion B y C. 𝑴𝑹𝑩 = �(−2,199)2 + (3,8)2 = 𝟒, 𝟑𝟗 𝑵. 𝒎

𝑴𝑹𝑪 = �(11,4)2 + (−19,75)2 = 𝟐𝟐, 𝟖 𝑵. 𝒎 Propiedades mecanicas del acero se utilizara para este diseño un acero SAE 1020 laminado en caliente cuyas propiedades mecanicas son: Resistencia a la tracción 40 kg/mm2 (𝑆𝑢 = 56880 PSI)

Limite elástico 31 kg/mm2 (𝑆𝑦 = 44082 PSI) Porcentaje de alargamiento 15%

Dado que estará expuesto a flexión, se debe considerar el fenómeno de fatiga. Resistencia real a la fatiga 𝑺´ 𝒏

53

M MA MANUAL DE EJES Y ARBOLES DE TRANSMISION DE POTENCIA El cálculo de resistencia real a la fatiga implica el uso de varios factores como son, factor de material 𝐶𝑚 , de tipo de esfuerzo 𝐶𝑠𝑡 , factor de confiabilidad 𝐶𝑅 y factor de tamaño 𝐶𝑠 . La resistencia a la fatiga estimada real se calcula

𝑺´ 𝒏 = 𝑺𝒏 × 𝐶𝑚 × 𝐶𝑠𝑡 × 𝐶𝑅 × 𝐶𝑠

La resistencia a la fatiga modificada 𝑺𝒏 se puede estimar a partir de la figura.

Como la resistencia ultima a la tension del acero SAE 1020 es 𝑺𝒖 ≈ 392 𝑀𝑃𝑎, para el caso de maquinado o estirado en frio corresponde un 𝑺𝒏 ≈ 𝟏𝟓𝟐 𝑴𝑷𝒂 𝐶𝑚 = 0,66 (𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑑ú𝑐𝑡𝑖𝑙)

𝐶𝑠𝑡 = 1 (𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟)

𝐶𝑅 = 0,9 ( 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 90%) 𝐶𝑆 = 0,88

𝑺´ 𝒏 = 𝑺𝒏 × 𝐶𝑚 × 𝐶𝑠𝑡 × 𝐶𝑅 × 𝐶𝑠 54

M MA MANUAL DE EJES Y ARBOLES DE TRANSMISION DE POTENCIA 𝑺´ 𝒏 = 𝟏𝟓𝟐𝑴𝑷𝒂 × 0,66 × 1 × 0,9 × 0,88 = 𝟕𝟗, 𝟒𝟓 𝑴𝑷𝒂

Calculo del diametro de las secciones del eje

Para esos cálculos se supone un factor de seguridad de N = 2 Seccion A

𝐷1 = �

2

32𝑁 3 𝑇 � � � � 𝜋 4 𝑆𝑦

1� 3

=�

2

32𝑁 3 8,355 � � � � 4 304 𝜋

1� 3

= 𝟕, 𝟖𝟓𝟔 𝒎𝒎

Seccion B Como en la seccion B se ubicara una chumacera, para el calculo del diametro D2 se realiza un chafan agudo, por lo que Kt = 2,5 y el momento en B es igual a 𝑴𝑹𝑩 = 𝟒, 𝟑𝟗 𝑵. 𝒎

𝐷2 = �

2

2

32𝑁 𝐾𝑡 𝑀 3 𝑇 �� + � � � ´ 𝜋 4 𝑆𝑦 𝑺𝒏

1� 3

=�

2

2

32𝑁 2,5 × 4,39 3 8,355 �� + � � � 𝜋 79,45 4 304

1� 3

𝐷2 = 𝟏𝟒, 𝟏𝟗 𝒎𝒎

El diametro 𝐷3 se calculara despues cuando se finalice el analisis de esfuerzos y se seleccione el rodamiento adecuado. Seccion C En el punto C se ubicara el segundo rodamiento, por lo que se realiza otro chafan agudo, entonces Kt = 2,5 y el momento resultante en C es igual a 𝑴𝑹𝑪 = 𝟐𝟐, 𝟖 𝑵. 𝒎 𝐷4 = �

2

2

32𝑁 𝐾𝑡 𝑀 3 𝑇 �� + � � � ´ 𝜋 4 𝑆𝑦 𝑺𝒏

1� 3

=�

2

2

32𝑁 2,5 × 22,8 3 8,355 �� + � � � 79,45 𝜋 4 304

𝐷4 = 𝟐𝟒, 𝟒𝟓 𝒎𝒎

55

1� 3

M MA MANUAL DE EJES Y ARBOLES DE TRANSMISION DE POTENCIA Seccion D

𝐷5 = �

2

32𝑁 3 𝑇 � � � � 𝜋 4 𝑆𝑦

1� 3

=�

2

32𝑁 3 8,355 � � � � 𝜋 4 304

1� 3

= 𝟕, 𝟖𝟓𝟔 𝒎𝒎

El diametro más grande se encuentra en la sección C, este diametro sera el que defina la geometria final del eje. Dimensiones finales de cada sección del eje Teniendo como referencia los diámetros calculados anteriormente se proporciona el eje.

56

ANEXO D. PLANO DE FABRICACION DEL EJE INTERMEDIO DEL REDUCTOR DE VELOCIDADES PARA EL MOLINO DE BOLAS

2

1

4

3

R0,1

R1

R1

5

6

7

8

A

R0,1

B DETALLE C ESCALA 5 : 1 DETALLE B ESCALA 5 : 1

10

30

B

1 X 45°

25

N7

Torneado

29

25

A

C

6 21

3

C

A 50

SECCIÓN A-A ESCALA 1 : 1

101

D

169 220 270 Nota: Material del eje: Acero SAE 1020 Calibrado 0,8 Rugosidad de sup. en zonas indicadas con

=

E

N6 =

Creado por

Aprobado por

Enoc -Jose gabriel Unidad dimensional

mm

Escala:

1:2

Leónidas Vásquez

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

Tipo de documento

Titulo

Plano de fabricación Eje intermedio

Fecha

03/09/2012

Formato

A3

Área

Diseño Gráfico N° plano

Hoja

1.01.01

1/1

F

1

4

3

2

R0,1

7

6

8

A

R0,1

R1

R1

5

B DETALLE C ESCALA 5 : 1 DETALLE B ESCALA 5 : 1

10

30

1 X 45°

B

25

N7

Torneado

29

25

A

C

6 21

3

C

A 50

51

68

51

SECCIÓN A-A ESCALA 1 : 1

50

D

270

Nota: Material del eje: Acero SAE 1020 Calibrado 0,8 Rugosidad de sup. en zonas indicadas con

=

E

N6 =

Creado por

Aprobado por

Enoc -Jose gabriel Unidad dimensional

mm

Escala:

1:2

Leónidas Vásquez

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

Tipo de documento

Titulo

Plano de fabricación Eje intermedio

Fecha

03/09/2012

Formato

A3

Área

Diseño Gráfico N° plano

Hoja

1.01.01

1/1

F

Manual Ejes Enoc

Recommend Documents