Diseño de ejes

1.Definicion de un eje

Un eje es un componente de dispositivos mecánicos que transmite movimiento rotatorio y potencia. Es parte de cualquier sistema mecánico donde la potencia se transmite desde un promotor, que puede ser un motor eléctrico o uno de combustión, a otras partes giratorias del sistema.

Pieza que no transmite torque o par torsión, este eje esta estático y sirve para montar sobre el poleas para que esta misma gire sobre el eje, para así transmitir fuerzas.

Aquí algunos ejemplos: transmisiones de velocidad con engranes, bandas o cadenas, transportadores, bombas, ventiladores. agitadores y muchos tipos de equipo de automatización.

Es probable que encuentre gran variedad en el diseño de los ejes, en diversos equipos. Las funciones de un eje tienen una gran influencia sobre su diseño. La geometría de un eje esta muy influida por elementos acoplados como los cojinetes, los acoplamientos, los engranes, las catarinas u otros elementos de transmisión de potencia.

También es importante conocer la definición de flecha, es un elemento rotatorio, generalmente de sección transversal circular, que se emplea para transmitir potencia o movimiento y constituye el eje de rotación de elementos como engranajes, poleas volantes de inercia, manivelas, ruedas dentadas.

2.Consideraciones de diseño de ejes: Esfuerzo y deflexiones.

Para diseñar un eje es necesario que el primer paso es hacer un análisis acerca de donde y que espacio tenemos para elaborarlo, considerar que cargas y torques se van a transmitir, que elementos van a transmitir dichas fuerzas, esto se realiza con el fin de simplificar el problema y así dar paso a la elaboración de un modelo inicial para poder diseñar un eje. Es necesario proponer los diámetros óptimos a lo largo de la longitud del eje para que funcione eficientemente y de la mejor manera.

Para esto es importante diseñar el eje bajo las siguientes vertientes:

Respecto a Esfuerzos:

Tenemos que asegúranos que los esfuerzos en las zonas críticas del eje estén en la parte elástica del material, así como asegurar que el límite de la fatiga en cualquier punto del eje sea mayor a los esfuerzos que se están desarrollando en el eje, así en ningún punto del eje los esfuerzos generaran fallos.

Respecto a Deflexión:

La deflexión que sufra el eje en los diferentes puntos no sea mayor a las deflexiones permisibles que permite la aplicación del eje. Existen tablas para las deflexiones máximas permisibles según el uso del eje.

Respecto a las Vibraciones:

El eje al tener rigidez y al tener masa tiene frecuencia natural, al ser un modelo continuo tiene grados de libertad infinito por lo tanto también frecuencia natural infinita. Siempre existe las posibilidades de resonancias y esto provoca que el eje empiece a oscilare en amplitudes muy grandes por ende podría afectar el mecanismo. Por eso es importante tener en cuenta la resonancia en el diseño del eje.

3.Materiales más comunes para ejes.

La mayoría de los ejes maquinados se fabrican con acero al bajo o medio carbono, ya sea rolado en frio o rolado en caliente; sin embargo, cuando se necesitan mayores resistencias se emplean aleaciones de acero o con tratamientos térmicos.

Para diámetros menores a 3 pulgadas el acerado estirado en frio es suficiente.

Para diámetros mayores a 3 pulgadas se recomiendan con tratamiento térmico.

Aceros para tratamiento térmico: ANSI 1340-50,3140-50, 4140, 4340, 5140 y 8650

Aceros para endurecimiento superficial: ANSI 1020, 4350, 4820 y 8620

Recomendaciones para la selección de materiales:

*Incrementar la resistencia aumentando el SUT del material, hasta cierto punto ya que se vuelve más quebradizo.

*Usar como primera iteración de diseño acero de bajo o medio carbono para cálculos de esfuerzo y deflexión.

*Si el objetivo es disminuir la deflexión enfócate en la geometría y no tanto en el material.

*Si el objetivo es aumentar la capacidad del eje para absorber esfuerzos enfócate aún más en el material.

4.Elementos mecánicos que se montan en un eje y consideraciones de montaje.

Un eje por si solo no sirve para nada, es necesario agregar accesorios y formando esta combinación del eje con los accesorios es posible transmitir potencia y por su puesto el giro

Básicos en la configuración del eje. -

*Los datos iniciales para analizar un eje son la longitud total del eje, ubicación de los elementos a transmitir potencia y la ubicación de los rodamientos para generar diagrama de cuerpo libre, cortante y momento.

*Definir los cambios de sección como escalones, ranuras o cuñeros.

*Revisar los modelos existentes.

*Hacer un número limitado de cambios para facilitar su diseño, ya que entre más sencillo sea, mejor será el diseño.

Chaveta Paralela o Cuña: Una chaveta es un elemento mecánico, por lo general, fabricado en acero que se introduce entre dos elementos permitiendo la transferencia de potencia entre ellos y evitando deslizamientos entre ambas piezas. Deben ser unas piezas con un ajuste perfecto y deben carecer de juego para evitar su desgaste o rotura debido al cizallamiento.

Se utiliza como elemento fusible, sze diseña de tal manera que cuando la potencia se incrementa la cuña se fracture y falle para asi no dañaar al resto del sistema

Anillo de tensión y tornillo de fijación: Sirve para evitar que el rodamiento se desplace axialmente, para poder montar este anillo es necesario hacer una ranura en el eje, todo esto apoyado con un tornillo de fijación y así limitar el desplazamiento.

Pasador: El pasador atraviesa la masa y el elemento que transmite potencia, se tiene que barrenar ambas para conseguir que pase el pasador con la finalidad de que la polea gire junto con el eje y se transmita la potencia.

*Se debe diseñar con el diametro mas grande en el centro del eje y diametros progresivamente mas pequeños hacia lños extremos, para permitir que los componentes se deslicen

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