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Diseño de ejes de transmisión: deformaciones y problemas

El diseño de ejes de transmisión o árboles de transmisión suele ser uno de los procesos más críticos en el diseño de reductores de velocidad. ¿Te vas a embarcar en un proyecto y no sabes qué procedimiento seguir para diseñar los ejes? En el siguiente post te damos los pasos a seguir para el diseño de ejes y árboles de transmisión.

En ingeniería mecánica se conoce como eje o árbol de transmisión a todo objeto axisimétrico especialmente diseñado para transmitir potencia.

Los ejes sirven para soportar piezas inmóviles, oscilantes o rotatorias de máquinas, pero no transmiten ningún momento de giro, por lo que generalmente están sometidos a flexión.

Del mismo modo, un árbol de transmisión es un eje que transmite un esfuerzo motor y está sometido a solicitaciones de torsión. Esto se debe a la transmisión de un par de fuerzas y puede estar sometido a otros tipos de solicitaciones mecánicas al mismo tiempo.

La configuración típica de un eje es la de un elemento de sección circular escalonado, con mayor sección en el centro, de manera que los distintos elementos puedan montarse sobre él por los extremos, lo que proporciona mayor sección resistente en la zona central, donde la flexión ocasiona los mayores esfuerzos.

 

Fases en el diseño de ejes de transmisión

  1. Definir las especificaciones de velocidad de giro y potencia de transmisión necesaria.
  2. Seleccionar su configuración, es decir, elegir los elementos que irán montados sobre el eje para la transmisión de potencia deseada y elección del sistema de fijación de cada uno de estos elementos al eje.
    El diseño constructivo consiste en la determinación de las longitudes y diámetros de los diferentes tramos o escalones, así como en la selección de los métodos de fijación de las piezas que se van a montar sobre el árbol. En esta etapa se deben tener en cuenta, entre otros, los siguientes aspectos:

    • Fácil montaje, desmontaje y mantenimiento.
    • Los ejes tienen que ser compactos para reducir material tanto en longitud como en diámetro.
    • Permitir fácil aseguramiento de las piezas sobre el árbol o eje para evitar movimientos indeseables.
    • Las medidas deben ser preferiblemente normalizadas.
    • Evitar discontinuidades y cambios bruscos de sección.
    • Generalmente los árboles se construyen escalonados para el mejor posicionamiento de las piezas.
    • Con el fin de reducir problemas de alineamiento, los ejes se soportan sólo en dos apoyos.
    • Ubicar las piezas cerca de los apoyos para reducir momentos flectores.
  3. Proponer la forma general para la geometría del eje a la hora del montaje de los elementos elegidos.
  4. Determinar los esfuerzos sobre los distintos elementos que van montados sobre el eje. Los elementos de transmisión de potencia como las ruedas dentadas, poleas y estrellas transmiten a los árboles fuerzas radiales, axiales y tangenciales. Debido a estos tipos de carga, en el árbol se producen generalmente distintos tipos esfuerzos:
    • Por flexión
    • Torsión
    • Carga axial
    • Cortante
  5. Calcular las reacciones sobre los soportes.
  6. Calcular las solicitaciones en cualquier sección. Siendo solicitaciones las reacciones internas que se producen en una sección de un sólido como consecuencia de las fuerzas externas aplicadas sobre el mismo.
  7. Seleccionar el material del eje y de su acabado.  El más utilizado es el acero y se recomienda seleccionar un acero de bajo o medio carbono, de bajo costo. Si las condiciones de resistencia son más exigentes que las de rigidez, podría optarse por aceros de mayor resistencia.
  8. Seleccionar el coeficiente de seguridad adecuado, en función de la manera en que se aplica la carga.
  9. Localizar y analizar los puntos críticos en función de la geometría y de las solicitaciones calculadas.
  10. Verificar su resistencia:– Estática – A la fatiga – A las cargas dinámicas
  11. Verificar la rigidez del árbol:– Deflexión por flexión y pendiente de la elástica – Deformación por torsiónLos árboles deben tener suficiente rigidez, con el objetivo de evitar que las deformaciones excesivas perjudiquen el buen funcionamiento de las piezas que van montadas sobre éstos.Por otro lado, los cojinetes (de contacto rodante o deslizante) se pueden ver afectados si las pendientes del árbol en los sitios de los cojinetes son muy grandes. Como los aceros tienen esencialmente igual módulo de elasticidad, la rigidez de los árboles debe controlarse mediante decisiones geométricas.
  12. Comprobar las deformaciones.
  13. Comprobar la velocidad crítica.
  14. Determinar las dimensiones definitivas que se ajusten a las dimensiones comerciales de los elementos montados sobre el eje. Además de estas fases, algunas recomendaciones que hay que tener en cuenta durante el diseño de ejes son:

    • Los ejes tienen que ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones de flexión elevadas. Con la misma finalidad, los cojinetes y rodamientos de soporte se colocarán lo más cerca posible de las cargas elevadas.


    • Se intentarán evitar las concentraciones de tensiones mediante radios de acuerdo generosos en los cambios de sección.
    • Con el fin de evitar problemas de vibraciones, los árboles de giro rápido exigen un buen equilibrado dinámico, buena fijación de los soportes y una rígida configuración.


    • Los árboles huecos permiten mejorar el comportamiento frente a vibraciones, aunque son más caros de fabricar y de mayor diámetro.


    • La rigidez suele ser el factor más crítico en el diseño de los árboles y para evitarla se utilizarán aceros.

“Teniendo en cuenta lo mencionado, se optimizará el proceso de desarrollo del eje, evitando fallas, deformaciones y otros problemas”

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