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Mecánica Aplicada a las Máquinas

Acoplamientos

Docente: Ing. MATIAS REYES Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Introducción Durante el diseño de máquinas, son numerosas las situaciones en las que se requiere transmitir potencia desde un eje a otro. Dependiendo de la disposición espacial de ambos, las soluciones posibles son muy variadas. Así por ejemplo, cuando los ejes geométricos son paralelos se pueden utilizar correas, cadenas y engranajes, entre otros. Cuando los ejes geométricos se cortan, la solución habitual es utilizar engranajes cónicos; mientras que cuando los ejes se cruzan en el espacio se pueden utilizar engranajes cilíndricos o cónicos, tornillos sinfín e incluso correas. Por último, existen situaciones en las que se ha de transmitir potencia entre ejes alineados enfrentados axialmente. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Introducción La primera solución que es posible imaginar ante la necesidad de transmitir potencia entre ejes alineados consiste en abricar los dos ejes como uno solo. Sin embargo, en la práctica esta solución cuenta con grandes desventajas. Por este motivo, existe una tendencia hacia la fabricación modular de las máquinas, de forma que cada una de las partes pueda ser fabricada independientemente e incluso por industrias diferentes. Así incluso en las máquinas más simples el motor suele haber sido fabricado por un lado, por otro la transmisión y separadamente la parte de la máquina que realiza el trabajo. Y en máquinas complejas, la separación en módulos puede llegar a contar con un gran número de ellos. En otros casos la gran longitud de un eje puede requerir su fabricación en varios tramos que luego han de acoplarse. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Introducción Esta subdivisión permite la especialización en el diseño y la fabricación de cada una de las partes. Con ellos se consigue la mejora de los diferentes elementos que componen la máquina. Además también facilita el intercambio de elementos cuando es necesario, lo que facilita y economiza el mantenimiento de la máquina. Entonces cuando se desea transmitir potencia entre dos ejes enfrentados axialmente, se requiere un cierto elemento llamado acoplamiento el cual tiene por función prolongar líneas de transmisión de ejes o conectar tramos de diferentes ejes, estén o no alineados entre sí.

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Acoplamientos 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     

Acoplamientos Rígidos de Manguito o con Prisionero,  Acoplamientos Rígidos de Platillos o de Brida,  Acoplamientos Rígidos por Sujeción Cónica

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Acoplamientos Rígidos

Acoplamientos Rígidos de Manguito o con Prisionero

Acoplamientos Rígidos de Platillos o de Brida

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Acoplamientos Rígidos

Acoplamientos Rígidos por Sujeción Cónica Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Flexibles   Acoplamientos Flexibles 

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





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

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 Acoplamientos Flexibles de Manguitos de Goma,  Acoplamientos Flexibles de Disco Flexible,  Acoplamientos Flexibles de Fuelle Helicoidales,  Acoplamientos Flexibles de Quijadas de Goma, Acoplamientos Flexibles Direccionales de tipo Falk,  Acoplamientos Flexibles de Cadenas,  Acoplamientos Flexibles de Engrane,  Acoplamientos Flexibles de Fuelle Metálico,

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Acoplamientos Flexibles

Acoplamientos Flexibles de Manguitos de Goma

Acoplamientos Flexibles de Disco Flexible

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Acoplamientos Flexibles

Acoplamientos Flexibles de Fuelle Helicoidales

Acoplamientos Flexibles de Quijadas de Goma

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Acoplamientos Flexibles

Acoplamientos Flexibles Direccionales de Tipo Falk

Acoplamientos Flexibles de Cadenas

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Acoplamientos Flexibles

Acoplamientos Flexibles de Rejilla

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Acoplamientos Flexibles

Acoplamientos Flexibles de Engrane,

Acoplamientos Flexibles de Fuelle Metálico

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Acoplamientos Especiales o Articulados

  Acoplamientos Especiales o Articulados 

 

Junta Eslabonada de Desplazamiento Lateral,  Junta Universal,

Junta Eslabonada de Desplazamiento Lateral



Junta Universal

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Acoplamientos Rígidos Nombre

Desalineación Tolerada Axial

Angular

Paralelo

Torsional

Se Exige

Acoplam. Rígidos

Observac.

Grande

Ninguna

Ninguna

Ninguna

Alineación Perfecta

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. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Flexibles Nombre Manguito de Goma

Desalineación Tolerada Axial

Angular

Paralelo

Torsional

Moderada

Ligera

Ninguna

Ninguna

De Disco Flexible

Ligera

Helicoidal de Fuelle

Ligera

De Quijadas de Goma

Ligera

Ligera

Ligera

Ligera o

( 3°)

(0,01d)

Ninguna

Grande

Moderada

( 20°)

(0,20d)

Ligera

Ligera

( 2%)

(0,03d)

Observac.

Capacidad de Absorber Impacto. Sin Juego Gran Capacidad

Ninguna

de Par Torsor Gran

Moderada

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Absorción de Impacto

Acoplamientos Flexibles Nombre

Tipo Falk

De Cadena

Desalineación Tolerada Axial Moderada

Ligera

Angular Ligera

Ninguna

Paralelo Ninguna

Ninguna

Torsional

Observac.

Ninguna

Gran Absorción de Impacto

Ninguna

Gran Absorción de Impacto. Gran

De Engrane

Grande

De Fuelle Metálico

Ligera

Ligera ( 5°)

Ligera (0,05d)

Grande

Moderada

( 15°)

(0,20d)

Ninguna

Capacidad Par Torsor Falla por

Ninguna

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Fatiga

Acoplamiento sobre Arboles Acanalados

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Acoplamiento para Grandes Potencias

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Acoplamiento para Grandes Potencias

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Acoplamiento para Grandes Potencias

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Acoplamiento Flexible VULKAN FLEXOMAX GSN

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Acoplamientos Flexibles Vulkan RATO Buques de Carga: Varios diseños de accionamiento se utilizan para los buques de carga, tanto con motores de dos tiempos y de cuatro tiempos a diésel o combustible dual. Los acoplamientos VULKAN son altamente flexibles y no sólo tienen aplicación en las principales unidades de accionamiento diésel-mecánica y diésel-eléctrica, sino también en las configuraciones de unidades auxiliares de generación de energía eléctrica, unidades de bombeo, etc. A través de la familia RATO, una gama normalizada de acoplamientos están disponibles, con un amplio espectro en relación a la elasticidad torsional y las propiedades de amortiguación que permiten una coordinación óptima del comportamiento de las vibraciones rotacionales. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Flexibles VULKAN RATO

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Acoplamientos Flexibles Vulkan RATO Buques de Pasajeros: Estos buques se caracterizan en particular por su comodidad, por lo que deben garantizar niveles bajos de vibración y ruido. Acoplamientos altamente flexibles RATO S, RATO S+ y RATO R, no sólo cumplen con estos requisitos, sino que se caracterizan por su potencial por absorber desalineamientos axiales altos, angulares y radiales.

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Acoplamientos Flexibles VULKAN (RATO R)

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Acoplamientos Flexibles (VULKASTIK L) Buques de trabajo.- Bajo el término genérico de embarcaciones de trabajo se encuentran diversos tipos de embarcaciones tales como los arrastreros, remolcadores, buques de suministro en alta mar, buques de tripulación, buques de lucha contraincendios a través de los rompehielos y dragas. El denominador común entre todos estos tipos de buques es su operación sin cuartel perenne y salida continua sin restricciones, por lo que las unidades de accionamiento están sometidas a los mayores niveles de estrés y exigen una fiabilidad total. VULKAN ofrece la solución ideal para todas estas unidades de accionamiento exigentes: soporte del eje integral con VULKASTIK L de acoplamiento, el acoplamiento VULKARDAN E para los motores montados elásticamente, así como el RATO probada R y acoplamientos RATO S para los motores de mayor potencia. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Flexibles (VULKASTIK L)

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Acoplamientos para Buques Especilizados (RATO DG) Buques Especializados.- Los buques especializados son utilizados para cumplir diversas demandas. Mientras que los buques de carga pesada siguen el concepto de propulsión de los buques de carga, en las unidades de posicionamiento del motor eléctrico para FPSOs o plataformas de perforación (en su mayoría unidades verticales), el radial requerido y el axial guiado del tren de transmisión está garantizado por la más rígida configuración basada en la construcción del DG estándar de la línea de productos RATO. Aplicaciones marinas, también plantean exigencias muy especiales en los componentes de la transmisión. En particular, las propiedades tales como la atenuación del ruido transmitido por la estructura y la resistencia a los golpes, a altas capacidades de almacenamiento son exigidas. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos para Buques Especilizados (RATO DG)

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Acoplamientos para Grupos Auxiliares (VULKARDAN E) Grupos Auxiliares: En el sector marítimo, unidades auxiliares, tales como generadores, bombas y grúas fueron impulsado por el motor principal a través del extremo delantero del motor o la caja de cambios o de las tomas de fuerza de los motores separados (diésel, combustible dual, motores de gas o eléctricos). Las diversas configuraciones requieren acoplamientos con muy diferentes niveles de rigidez torsional. Para todas las aplicaciones VULKAN proporciona una solución óptima, en lo que se refiere a vibraciones de torsión, ya sea desde los acoplamientos estándar (VULASTIK L, VULKARDAN E, familia RATO) o con soluciones a medida en función de la cartera estándar. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos para Grupos Auxiliares (VULKARDAN E)

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Acoplamientos Son elementos que tienen el objeto de transmitir potencia de un árbol a otro. Existen diferentes tipos de Acoplamientos, con características adaptadas a sus diversas formas de aplicación. De forma genérica se pueden clasificar en: Acoplamientos Rígidos, Acoplamientos Elásticos, Acoplamientos Móviles, Los Acoplamientos Rígidos sirven para unir árboles y su característica fundamental es la que su montaje exige una perfecta alineación, siendo incapaces de evitar las fatigas o tensiones que aparecen cuando hay problemas de coaxialidad. Es por lo que este tipo de Acoplamientos originan peligrosos esfuerzos cuando la alineación no es perfecta. Los principales tipos de Acoplamientos Rígidos son: Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Rígidos

ACOPLAMIENTO DE PLATOS

ACOPLAMIENTO DE MANGUITO

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Acoplamientos Rígidos

Manguito enterizo: se trata de una pieza cilíndrica hueca que se ajusta exteriormente a los dos árboles y se une a ellos mediante pasadores o Chavetas y prisioneros

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Acoplamientos Rígidos

Manguito partido: similar al enterizo con la diferencia de que se fabrica en dos piezas unidas entre sí por tornillos, permitiendo el montaje sobre los árboles sin necesidad de mover ninguna de las partes de la máquina. El acoplamiento de manguito es rígido a torsión y flexión, por lo que se sólo se recomienda para la unión de ejes bien alineados. Su capacidad de transmisión de par es elevada. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Elásticos Los Acoplamientos Elásticos permiten absorber las variaciones de par evitando las fatigas debidas a los impulsos que provocan. Los Acoplamientos Elásticos amortiguan los impactos que originan las variaciones brusca de potencia, los principales tipos de Acoplamientos Elásticos son:

ACOPLAMIENTO DE CASQUILLO DE GOMA

ACOPLAMIENTO DE CORREA EN ESTRELLA

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Acoplamientos Móviles Los Acoplamientos Móviles permiten eliminar fatigas debido a la falta de coaxialidad entre motor y par arrastrado. Los principales Acoplamientos Móviles son:

ACOPLAMIENTO DE GARRAS

ACOPLAMIENTO TIPO JUNTA OLDHAM

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Elementos para Acoplar entre sí dos Ejes alineados o no

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Elementos para Acoplar entre sí dos Ejes alineados o no

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Elementos para Acoplar entre sí dos Ejes alineados o no

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Acoplamientos Cardan La Junta Universal Cardan permite transmitir potencia entre ejes no coaxiales y no alineados. Conocida también como acoplamiento de Hooke es un mecanismo articulado esférico que consiste fundamentalmente en dos horquillas, unidas a los árboles conductor y conducido y una cruz que los acopla.

JUNTA UNIVERSAL CARDAN Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Cardan Recordemos la diapositiva inmediatamente anterior donde tenemos  que es el ángulo que forman el árbol conductor que gira a una velocidad angular ₁ y el árbol conducido que tiene una velocidad ₂. Los dos árboles conductor y conducido prolongados se cortan en el punto O, lo cual implica que está definido un plano que se designa por .

PLANOS QUE CONTIENEN EJES Y CRUCETA Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Cardan El brazo de la cruceta a b se mueve al girar describiendo sus extremos una circunferencia contenida en un plano perpendicular a ₁ y al plano  y que pasa por O que se designa por ₁. El brazo c d describe otra circunferencia contenida en un plano perpendicular a ₂. Y perpendicular a  y que pasa por O que se designa ₂. Estos dos planos forma un ángulo  igual al que forman los ejes y las dos circunferencias a las que se ha hecho referencia son círculos de la misma esfera cuyo centro es O y se muestra en la diapositiva siguiente:

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Movimiento de la Cruceta en el Espacio

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Acoplamientos Cardan Si se proyecta todo sobre ₁ se tiene que el brazo que a b recorre la circunferencia de la figura de la diapositiva anterior y que el c d recorre otra circunferencia cuya proyección sobre ₁ es una elipse siendo:

Si una de las ramas de la cruceta está en A una rama del conducido estará en C y si la primera que recorre un ángulo  hasta P, la segunda pasará a Q. El ángulo  realmente barrido por el elemento conducido mientras que el conductor recorre  puede hallarse abatiendo ₂ sobre ₁.

Al abatir Q se convierte en R. es decir OR es la longitud real de OQ y ROK =  es el ángulo abatido.

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Acoplamientos Cardan Por lo tanto:

Resultando:

La relación entre velocidades angulares del árbol conducido y del árbol conductor se halla diferenciando la ecuación anterior. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Acoplamientos Cardan

Eliminando entre (I) y (II)  o  según convenga, se tiene:

En (III) se observa que ₂/₁ es mínimo cuando sen  = 0 o cuando  = 0,  etc. siendo entonces  = 0,  etc.

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Acoplamientos Cardan

También se tiene que ₂/₁ es máximo cuando sen  = /2, 3/2, etc.

Si ₂ es constante la relación de las velocidades angulares varía entre los límites cos  y 1/cos .

Para un valor de  de 15° la relación de velocidades varía entre 0’966 y 1’037. Si se hace una representación gráfica situando en abscisas el ángulo que forman los ejes y en ordenadas la diferencia entre valores máximos y mínimos de la relación de velocidades expresada en % se obtiene para ángulos menores de 28° una curva muy útil para analizar una unión Cardan:

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Relación de Velocidad entre Árboles

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Acoplamientos Cardan Estas variaciones en la velocidad dan lugar a fuerzas de inercia, pares, ruido y vibración que no se presentarían si la relación de velocidades fuese constante. Los valores que toma ₂ cuando  = 30°.

Representando la variación de 4 para un valor dado de ₂ para diferentes valores de  en una vuelta completa se tiene:

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Velocidad de Salida para un Valor dado de la Velocidad de Entrada

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Acoplamientos Cardan Por tanto existen cuatro instantes en una vuelta completa de la Junta en que las velocidades de los dos ejes son iguales, en el resto del tiempo invertido en la vuelta, el elemento conducido gira mas deprisa o mas despacio que el conductor. Las acciones sobre los elementos constituyentes de una junta universal son los que se presentan en la figura siguiente.

Distribución de acciones en la Junta Cardan

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Acoplamientos Cardan

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Acoplamientos Cardan

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Chavetas, Pasadores, Estrías Las Chavetas, también llamadas cuñas se usan para impedir el movimiento entre el árbol y el elemento conectado a él, cuando se transmite un par desde el primero al segundo. Las formas más usuales de Chavetas se presentan en la figura siguiente:

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Chavetas

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Chavetas Las Chavetas son: “Accesorios Mecánicos que se utilizan para unir dos vástagos entre sí. O bien para fijar elementos diversos al eje que los soporta, haciéndolos solidarios al mismo e impidiendo el movimiento relativo entre ambos”. Las poleas, engranajes, palancas, y elementos similares usados para transmitir potencia a un árbol (o desde un árbol), deben estar rígidamente fijados a los mismos por contracción, tornillos de fijación, Chavetas longitudinales o, Chavetas transversales. El ajuste forzado por contracción es conveniente solo para montajes permanentes, los tornillos de fijación para esfuerzos moderados y las Chavetas, transversales para cargas axiales. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Chavetas Cuando deben desarmarse las piezas o cuando se trasmiten esfuerzos de torsión generalmente se, usan las Chavetas longitudinales. La chaveta es una pieza de metal que encaja, en ranuras apareadas del árbol y del elemento acoplado, trasmitiéndose la potencia por el corte a través de, la misma. El tallado del Chavetero en el eje, reduce su resistencia y rigidez en una magnitud que depende de la forma y tamaño del Chavetero. Tipos de Chavetas longitudinales. La Chaveta cuadrada, encajada mitad en el eje y mitad en el cubo, es el tipo mas comúnmente usado. Las Chavetas Rectangulares se usan en aquellos casos en que no conviene debilitar el eje. Aunque no hay una norma universal, la chaveta tiene usualmente sus lados iguales a ¼ del diámetro del eje. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Chavetas

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Chavetas

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Chavetas

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Chaveteros

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Chaveteros

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Ejemplo de Montaje sobre un Eje

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Chavetas, Pasadores, Estrías Como norma el ancho de las cuñas es de 1/4 x . Para el cálculo de las cuñas se utiliza como base la potencia transmitida por el eje N y su régimen de giro n, donde se obtiene el par transmitido según la expresión:

Una vez calculado el par transmitido, se obtiene la carga que soporta la Chaveta mediante la expresión:

La fatiga a cortadura se calcula mediante la siguiente expresión:

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Chavetas, Pasadores, Estrías La fatiga a compresión se calcula mediante la expresión:

Cuando b  h las Chavetas normalmente se pueden romper porque:

Cuando b  h las Chavetas normalmente se pueden romper porque:

Los pasadores se montan mediante su colocación en una perforación pasante entre el árbol y el cubo del elemento, según podemos apreciar en la diapositiva siguiente:

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Chavetas

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Pasador de Fijación

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Chavetas, Pasadores, Estrías El cálculo del Pasador se realiza considerando que trabaja a la cortadura, para ello si N es la potencia transmitida por el árbol y n su régimen de giro, par transmitido es:

Si (r) es el radio del arbol, la fuerza que actúa sobre el pasador es:

La fatiga cortante en el pasador viene dada por:

Siendo  = al diámetro del Pasador. Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Pasadores La rotación del árbol 8 se transmite a través del casquillo ranurado 3 a la brida 1, la cual lleva los dientes de extremo a. Con ayuda de estos dientes de rotación se transmite a la brida 2 que tiene unos orificios en los cuales están puestos los amortiguadores de goma 6. En estos orificios entran los pasadores de la brida 4 unida con el árbol motriz 9. Si el momento torsional aumenta por encima del valor establecido, la brida l se desacopla de la brida 2 alejando del disco elástico 5. La magnitud del momento torsional máximo que se transmite puede ser regulada por la posición de la tuerca 7 Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Chavetas, Pasadores, Estrías Las Estrías permiten conectar el árbol al elemento con un grado de libertad, según se ilustra en la figura siguiente (Estrías para Transmisión):

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Chavetas, Pasadores, Estrías El cálculo de las Estrías se realiza a cortadura y a flexión, considerando que la carga actúa sobre el radio medio y que todas ellas trabajan simultáneamente. Para ello si N es la potencia transmitida por el árbol y n su régimen de giro, el par transmitido es:

La carga que soporta cada Estría viene dada por la expresión:

La fatiga cortante que soporta cada Estría viene dada por:

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Chavetas, Pasadores, Estrías El cálculo de las Estrías se realiza a cortadura y a flexión, considerando que la carga actúa sobre el radio medio y que todas ellas trabajan simultáneamente. Para ello si N es la potencia transmitida por el árbol y n su régimen de giro, el par transmitido es:

La carga que soporta cada Estría viene dada por la expresión:

La fatiga cortante que soporta cada Estría viene dada por: Siendo: A = anchura mayor de cada Estría, B = anchura menor de cada Estría, l = longitud de las Estrías Universidad Tecnológica Nacional – Mecánica Aplicada a las Maquinas 2019

Chavetas, Pasadores, Estrías La flexión que soporta cada Estría viene dada por:

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Estrías, Arboles Acanalados

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Estrías , Arboles Acanalados

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Acoplamiento sobre Arboles Acanalados

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