Diseño De Ejes

INTRODUCCIÓN

Casi toda la maquinaria rotatoria está hecha de ejes de transmisión o simplemente ejes, con el fin de transferir movimiento y par de torsión rotatorios de un sitio a otro. Por lo tanto, el diseñador de máquinas tiene la tarea de diseñar ejes.

Por lo general, un eje transmite a la maquina por lo menos un par de torsión proveniente de un dispositivo impulsor. Algunas veces, los ejes servirán de soporte para engranes, poleas o ruedas dentadas, mismas que transmiten un movimiento rotatorio de un eje a otro, vía engranes, bandas o cadenas. El eje podría ser parte integral del impulsor, como el eje de un motor eléctrico o el cigüeñal de un motor de combustión interna.

MATERIALES PARA 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 mayor parte de ejes de máquinas se fabrican a partir de un acero al bajo o medio carbono, ya sea rolado en frío o en caliente, como son los aceros ANSI 1020-1050, aunque también cuando se requiera de su superior resistencia, se aplican aceros de aleación como ANSI 1340-50, 3140-50, 4140, 4340, 5140 Y 8650. Por lo general los ejes no requieren endurecimiento superficial a menos que sirva como un recubrimiento real en la superficie de contacto. Las aleaciones para endurecimiento superficial incluyen los grados de carburizacion ANSI 1020, 4340, 4820 Y 8620.

CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS MATERIALES

En ejes de diámetros más pequeños (menores de alrededor de 3 pulg. de diámetro), se recurre más al acero rolado en frío, y en tamaños mayores se utiliza acero rolado en caliente. La misma aleación, rolada en frío, tiene propiedades mecánicas superiores a las que tienen rolado en caliente, por el trabajo en frío, pero esto se obtiene a costa de esfuerzos residuales a tensión en la superficie. El maquinado para formar cuñeros, ranuras o escalones libera estos esfuerzos locales residuales, pudiendo provocar distorsión. Las barras roladas en caliente deben ser maquinadas en toda su superficie para eliminar la capa exterior carburizada.

Las propiedades del eje dependen localmente de la manera como fueron elaborados: trabajo en frío, formado en frío, laminado de los rasgos del filete, tratamiento térmico, incluyendo el medio de temple, agitación y régimen de templado. El acero inoxidable puede resultar apropiado para algunos entornos.

CONFIGURACIÓN DEL EJE

La configuración general de un eje para acomodar los elementos, entre estos pueden ser engranes, cojinetes y poleas, a continuación se debe especificar los primeros pasos del proceso de diseño y asi realizar un análisis de fuerzas de cuerpo libre, para obtener diagramas de momento cortante, por lo general la geometría de un ejes es: cilíndrico escalonado.

El uso de hombros o resaltos son un medio excelente para localizar en forma axial los elementos del eje y para ejecutar cualquier carga de empuje necesaria.

La configuración geométrica del eje se diseña con base en una revisión de los modelos existentes, los cuales se hacen un número limitado de cambios . Si no se cuenta con un diseño para emplearlo como punto de partida, entonces la determinación de la geometría del eje puede tener muchas soluciones.

CONFIGURACIÓN AXIAL DE COMPONENTES

El posicionamiento axial de los componentes está determinado por la configuración de la masa y otros componentes del engranaje. Por lo general, resulta mejor apoyar los componentes que soportan cargas entre cojinetes, en lugar de colocar los cojinetes en voladizo. La longitud del voladizo debe mantenerse corta para minimizar la deflexión.

Para ejes extremadamente largos que soportan varios componentes de cargas , puede ser necesario proporcionar más de dos apoyos de cojinetes.

Los componentes de cargas deben colocarse cerca de los cojinetes , para minimizar el momento flexionantes en las ubicaciones que probablemente tendrán concentraciones de esfuerzos, y para minimizar la deflexión en los componentes sometidos a cargas. Los componentes deben localizarse de manera exacta sobre el eje para alinearse con los otros componentes correspondientes, y debe tenerse la precaución de sostener los componentes en posición.

SOPORTES DE CARGAS AXIALES

Cuando las cargas axiales no son triviales, es necesario proporcionar un medio para transferir las cargas axiales al eje, y después, mediante un cojinete, al suelo. Esto será particularmente necesario con engranes helicoidales o cónicos, cojinetes o cojinetes ahusado de rodillo, ya que cada uno de ellos produce componentes de fuerzas axial.

Por lo general es mejor tener un solo cojinete para soportar la carga axial, lo que permite tolerancias más grandes en las dimensiones de la longitud del eje, y evita que se apriete si el eje se expande debido a los cambios de temperaturas. Esto es importante en los casos de ejes largos

POTENCIA EN EL EJE

Es posible determinar la potencia transmitida por una flecha partiendo de los principios básicos. En cualquier sistema en rotación, la potencia instantánea es el producto del par de torsión por la velocidad angular.

P=ω T

Donde w debe aparecer expresado en radianes por unidad de tiempo. Tanto el par de torsión como la velocidad angular pueden variar con el tiempo, aunque la gran parte de la maquinaria rotatoria se diseña para operar durante mucho tiempo a velocidad constante o casi constante. En estos casos, el par de torsión variará con el tiempo. La potencia promedio se determina a partir de:

Ppromedio = Tpromedio x ω promedio

TRANSMISIÓN DE PAR DE TORSIÓN

Los ejes sirven para transmitir un par de torsión de un engrane o polea de entrada, a través del eje, a un engrane o polea de salida. El eje debe tener el tamaño adecuado para soportar el esfuerzo y la deflexión por torsión. También es se debe proporcionar un medio para transmitir el par de torsión entre el eje y los engranes.

Los

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