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ACOPLAMIENTOS FIJOS Unidad 4. Acoplamientos de elementos de máquinas

Los acoplamientos son elementos de máquinas que se emplean para conectar ejes o árboles que se encuentras dispuestos uno a continuación del otro.

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¿QUÉ ENCONTRAREMOS EN ESTE DOCUMENTO?

Introducción .................................................................................................... 3

Cómo podemos definir los acoplamientos........................................................... 3

Fallas en los acoplamientos ................................................................................ 5

Desalineación de acoplamientos ........................................................................ 6

Clasificación de los acoplamientos fijos............................................................. 8

Tipos de clasificaciones ...................................................................................... 8

Acoplamientos rígidos ........................................................................................ 9

Acoplamientos flexibles .................................................................................... 11

Selección de acoplamientos ........................................................................... 18

Enlaces de interés ......................................................................................... 22

Dónde podemos encontrar más información .................................................... 22

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Introducción Cómo podemos definir los acoplamientos Los acoplamientos se emplean con el propósito de transmitir potencia entre los ejes, conservando en todo momento la velocidad de rotación y el torque trasmitido. Los acoplamiento fijos de los cuales nos vamos a ocupar en este documento, se emplean para conectar de forma permanente los ejes adyacentes y solo se pueden desacoplar si la máquina está detenida, lo que implica que los ejes solo se puedan desempalmar al retirar el acoplamiento. Este tipo de acoplamiento es ideal cuando se quiere evitar en todo momento que los ejes se desconecten, lo que implicaría la detención del proceso.

Los acoplamientos tienen por función prolongar líneas de transmisión de ejes

o conectar tramos de diferentes ejes.

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Si dos ejes se pudieran alinear perfectamente, estos pueden ser conectados por medio de acoplamientos rígidos, es decir acoples que poseen coronas radiales o perforaciones laterales que permiten incluir una serie de pernos que ajustan el acoplamiento a ambos lados del eje. Una vez realizada dicha conexión se tiene la seguridad que los ejes no se desacoplaran los ejes o las máquinas.

A nivel práctico es muy complejo alinear perfectamente los ejes, dado que condiciones que vibración o hasta el mismo peso de los ejes incluyen cierto grado de desalineación, esta condición implica que se deban emplear acoplamientos con la capacidad de soportar estas condiciones y permitir cierto grado de desalineación entre el eje impulsor y el eje impulsado. Los acoplamiento indicados para estas condicione se denominan acoplamientos flexibles.

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Fallas en los acoplamientos En general las fallas en los acoplamientos se dividen en dos categorías: fallas debido a efectos internos y fallas debido a condiciones externas de operación. 1. Fallas debidas a efectos internos. Las fallas debido a condiciones internas están relacionadas principalmente con la calidad de la construcción del acoplamiento y la calidad de los materiales con que se construyen, y en poca proporción un diseño inadecuado del acoplamiento. Las fallas debido a la construcción del acoplamiento están relacionadas con los procesos de maquinado, principalmente defectos de concentricidad, escuadra entre los platos del acoplamiento y tolerancias inadecuadas en los diámetros. Las fallas asociadas a la calidad del material influyen considerablemente en la vida útil del acoplamiento, estas ocasiona fallas prematuras por fatiga de los componentes del acoplamiento. Otra causa de fallas debido a defectos internos es el diseño del acoplamiento, esta puede ser consecuencia de una inadecuada selección de los materiales, de las características dimensionales y de la forma del acoplamiento. 2. Fallas debido a condiciones externas. Este tipo de fallas se presenta cuando el acoplamiento se somete a condiciones extremas y que superan los límites establecidos por el fabricante. Generalmente los fabricantes suministran los valores máximos permitidos de operación para cada acoplamiento y es importante que el diseñador seleccione el acoplamiento adecuado y que tenga unas características superiores a las que requieren en la aplicación, con el objetivo de garantizar un margen de seguridad y evitar que se presenten fallas y se detengan los procesos. Algunas fallas asociadas con condiciones externas, se relaciona con una inadecuada selección del acoplamiento, es decir la aplicación supera los valores límites de resistencia del acoplamiento o simplemente el tipo de acoplamiento no es el ideal para la aplicación y las condiciones de operación. Otra falla importante y asociada a condiciones externas, tiene que ver con un desalineamiento excesivo.

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Desalineación de acoplamientos En óptimas condiciones de operación dos ejes acoplados no deberían presentar ningún grado de desalineación, en cuya condición el eje de simetría de ambos ejes coincidiría perfectamente.

Lamentablemente esta condición es casi imposible de conseguir, por lo que en el mercado existen diferentes tipos de acoplamientos, todos ellos con la capacidad de absorber diferentes defectos de desalineación. Algunos de estos defectos son:

• Desalineación radial. • Desalineación axial. • Desalineación angular.

En la desalineación radial, los ejes de simetría se separan radialmente, por lo que se genera una especie de escalón entre ambos ejes:

En la desalineación axial los ejes de simetría coinciden, pero existe una separación en la dirección axial.

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En la desalineación angular los ejes de simetría forman un ángulo por lo que el empalme de las caras del acoplamiento no será completo.

Los diferentes tipos de acoples pueden absorber diversas faltas de alineación, por lo general los catálogos de los fabricantes suministran información de diseño de la cual se podrá elegir el acoplamiento más apropiado y por lo común suministran la desalineación máxima para cada uno. La desalineación puede cambiar por varias razones, entre ellas están: el asentamiento de la de la cimentación, el desgaste de los cojinetes y las distorsiones provocadas por vibración y cambios en la temperatura.

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Clasificación de los acoplamientos fijos

Tipos de clasificaciones Básicamente los acoplamientos se clasifican en dos tipos, los rígidos y los flexibles, aunque existen algunos acoplamientos especiales denominados acoplamientos articulados.

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Acoplamientos rígidos Los acoplamientos rígidos se diseñan para unir dos ejes en forma permanente de manera que no sea posible que se genere movimiento relativo entre ellos. Este tipo de acoplamientos es ideal para ciertos tipos de máquinas ó equipos en los cuales se requiere una alineación precisa de dos ejes. Los acoplamientos rígidos deben emplearse solo cuando la alineación de los dos ejes puede mantenerse con mucha precisión, lo cual implica que no solo la alineación de los ejes sea perfecta, sino también que problemas de cimentación de las máquinas, fallas en los rodamiento, vibración y otros factores no afecten dicha condición. Los acoplamientos rígidos también se utilizan cuando la precisión del par de torsión es de suma importancia. En los casos donde es impredecible la aparición de factores que generan desalineación angular, radial ó axial y que afecten la alineación de los ejes, es preferible el uso de acoplamientos flexibles, con lo que se evita imprimir tensiones en los ejes y fallas tempranas por fatiga. Algunos acoplamientos rígidos de uso común son:

Acoplamientos Rígidos por sujeción cónica Este tipo de acoplamiento trasmite el torque por efecto de fricción e interferencia. Este efecto se logra al presionar concéntricamente los collarines cónicos, con la charcaza del acoplamiento que también posee una superficie cónica, finalmente ambas piezas presionan el eje y evitan que se deslice dentro del acople, logrando con ello una trasmisión positiva. Para ajustar este tipo de acoplamientos se incluye una rosca entre el collarín y la charcaza que se ajusta por medio del hexágono entallado en la superficie externa de la charcaza, es decir, se debe emplear una llave que haga girar la charcaza para presionar el collarín contra el eje.

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Acoplamientos Rígidos de manguito o con prisionero

Estos acoplamientos ajustan por interferencia sobre la superficie de los ejes, mediante la presión generada por los tornillos ubicados en le parte lateral del acoplamiento. Algunos acoplamientos incluyen una chaveta ó un prisionero común a ambos ejes, para complementar el ajuste por interferencia, aunque en términos generales este tipo de acoplamientos se limita para transmisiones de baja potencia o bajo torque. Cuando los acoplamientos ajustan puramente por interferencia es importante conocer las características que suministra el fabricante y que permiten determinar el coeficiente de rozamiento entre el acoplamiento y el material en que está construido el eje, lo que finalmente determina la capacidad y máximo torque que se puede trasmitir.

Acoplamientos Rígidos de platillos o bridas

Se acoplan firmemente por medio de pernos y chavetas, construidos con materiales de alta resistencia que garantizan una junta permanente y segura. Estos acoplamientos son de fácil montaje y permiten eventualmente desacoplar el eje conducido del eje conductor simplemente retirando los pernos que ajustan los platillos. En este tipo de acoplamientos es de suma importancia la resistencia de los pernos, dado que constantemente se someten a esfuerzos cortantes, lo que implica que deben ser lo suficientemente resistentes para garantizar las exigencias a que serán sometidos.

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Acoplamientos flexibles Los acoplamientos flexibles debido a sus características y diseño absorben la desalineación de un montaje y amortiguan los efectos del incremento de las cargas sobre los ejes y cojinetes de las máquinas. Las características de cada acoplamiento inciden en la capacidad de absorber la desalineación presente en un montaje o generada por su operación. Estos rangos generalmente oscilan entre 0,125 mm a 10 mm para desalineación radial, entre 0,5 mm a 5 mm de desalineación axial y hasta 4º de desalineación angular.

Dependiendo del método utilizado para absorber la desalineación, es decir de su principio de funcionamiento, los acoplamientos flexibles se pueden clasificar en:

a. Acoplamientos de elementos deslizantes o compensadores. b. Acoplamientos de elementos flexionantes o elásticos. c. Acoplamientos articulados.

a. Acoplamientos de elementos deslizantes o compensadores

Los acoplamientos de elementos deslizantes o compensadores incluyen holguras permanentes en su funcionamiento que permiten absorber la desalineación de los ejes. Ellos absorben la desalineación permitiendo que los elementos de acoplamiento se deslicen de forma conveniente de tal forma que se absorban los defectos de la alineación sin afectar el proceso de trasmisión.

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Los efectos de deslizamiento y alta torsión aplicados a estos acoplamientos implican que se deban lubricar constantemente para evitar un desgaste severo. Aunque en algunas ocasiones donde la lubricación permanente no es la mejor opción, los componentes del acoplamiento se fabrican en materiales plásticos de alta resistencia, aunque lógicamente las características de este material reducen los niveles de torsión a que puedan ser sometidos. Dentro de los acoplamientos de elementos deslizantes o compensadores están:

Acoplamiento de engranajes Los acoplamientos de engranajes pueden considerarse como el diseño más universal de acoplamientos, dado que se construyen con múltiples capacidades de torque y de velocidad y por su puesto tamaños. Los acoplamientos de engranajes permiten deslizamientos axiales importantes y en función del diseño de los dientes, también pueden tolerar cierta delineación angular. Dada la cantidad de dientes que incluyen los elementos de estos acoplamientos, los hace ideales para transmitir altos niveles de torque y más cuando comparativamente un acoplamiento de engranajes es más pequeño que su equivalente de otro tipo con la misma capacidad. Estos acoplamientos son muy empleados en máquinas rotativas de alta capacidad como por ejemplo hornos de industrias cementeras.

Acoplamientos de cadena

Los acoplamientos de cadenas sobresalen por su sencillez. Se componen básicamente de dos ruedas dentadas o sprockets con cubos laterales que se acoplan a los ejes y un trozo de cadena doble que une las dos sprockets de forma axial. Para operaciones de alta velocidad este tipo de acoplamientos incluye guardas o cubiertas especiales que tiene la función de contener el lubricante que puede ser expulsado por las fuerzas centrifugas.

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b. Acoplamientos de elementos flexionantes o elásticos Los acoplamientos de elementos flexionantes incluyen siempre un elemento que se deforma elásticamente y que tiene la capacidad de absorber la desalineación presente en la trasmisión. En este tipo de acoplamientos, el grado de desalineación afecta de forma importante la vida útil del acoplamiento, puesto los elementos serán sometidos a flexión permanente, es decir, cuanto menor sea la desalineación que deba absorber el acoplamiento, menor será la flexión que debe sufrir y por ende se podrá obtener un servicio más prolongado. Según las características del acoplamiento el elemento que se deforma elásticamente puede ser metálico o elastómero.

Algunos ejemplos de acoplamientos flexibles son:

Acoplamiento direccional con muelle en forma de serpentín

Los acoplamientos direccionales tienen dos platillos los cuales incluyen una serie de ranuras en la parte periférica de los discos. Estas ranuras sirven para conectas los platillos o discos por medio de una lamina elástica o muelle en forma de serpentín. La flexibilidad de acoplamiento depende no solo del deslizamiento que pueda tener el serpentín en las ranuras sino también de la deformación elástica que este soporte.

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Acoplamiento de manguitos de goma

Los acoplamientos de manguitos de goma incluyen un par de platos con agujeros, en los que se introducen los manquitos de goma de forma axial para trasmitir el movimiento entre los ejes. Estos manquitos se sujetan a los platos por medio de pernos.

Este tipo de acoplamiento es ideal para absorber las vibraciones del proceso de trasmisión, dado que los elementos de goma absorben los esfuerzos de torsión oscilantes o choques del proceso. Las características de los materiales empleados en su contracción inciden en su capacidad para trasmitir torque, por lo que generalmente son empleados para trasmitir bajos niveles de torque.

Acoplamiento de fuelle helicoidal

Este tipo de acoplamiento tiene la capacidad de absorber delineaciones axiales, angulares y radiales. Se construyen partiendo de un cilindro sólido sobre el cual se construye una ranura helicoidal para aumentar la flexibilidad del acoplamiento.

Acoplamiento de envoltura de elastómero o de machón

Este tipo de acoplamiento es muy empleado en la práctica y se compone básicamente de dos cubos y una pieza de material elastómero que se ubica en el centro del acoplamiento.

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Acoplamiento de Disco Flexible

Los acoplamientos de disco flexible, incluyen un disco construido con un material elastómero que se ubica entre los dos cubos del acoplamiento y se conecta a ellos por medio de pernos, este disco tiene la capacidad de absorber la desalineación axial, angular y radial, pero no es ideal para absorber desalineación torsional, por lo que el acoplamiento debe ser entre máquinas que tengan un accionamiento suave y gradual y no existan choques en la operación.

Acoplamiento de Quijadas de Goma

Los acoplamientos de quijadas de goma, también se conocen como acoplamientos de estrella, dada la forma que poseen los elementos elastómeros que conectan las dos partes del acoplamiento.

Estos acoplamientos poseen quijadas protuberantes, las cuales se superponen y se conectan por medio de un elemento elastómero o algún metal blando. Este tipo de acoplamiento permiten absorber la desalineación entre los ejes, pero el deterioro del elemento elastómero conduce a juegos no deseables entre el eje conductor y eje conducido.

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c. Acoplamientos articulados Los acoplamientos articulados son ideales cuando los niveles de desalineación son muy altos y no se puede corregir con acoplamientos flexibles. Por lo general este tipo de acoplamientos admite una alta desalineación radial y angular, algunos ejemplos de este tipo de acoplamientos son:

Acoplamientos escalonados o juntas de desplazamiento lateral Este tipo de acoplamiento se emplea para acoplar ejes con una elevada desalineación radial, sin que ello limite su capacidad de trasmisión, existen diversos diseños de este tipo de acoplamiento como por ejemplo el acoplamiento Schmidt y el acoplamiento Oldham. En al siguiente imagen se puede observar un acoplamiento Schmidt Acoplamiento Oldham.

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Acoplamiento o junta universal Las juntas universales son muy empleadas dado que permiten trasmitir movimiento entre ejes con una desalineación angular muy grande.

Dentro de este tipos de acoplamientos existen diferentes tipos, ellos son las juntas cardanicas o Hooke y las juntas homocinéticas, ambas empleadas con generalidad para sistemas de trasmisión de automotores.

En la siguiente imagen se puede observar una junta cardanica.

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Selección de acoplamientos A nivel práctico no es común la selección de acoplamientos para una máquina, dado que los fabricantes suministran estos elementos en los equipos nuevos. Esta condición implica que sea más común la necesidad de remplazar un acoplamiento viejo o defectuoso, que tener que seleccionarlo. Si el fabricante del equipo ha seleccionado el tipo y tamaño correcto del acoplamiento, no habrá lugar a problemas. Sin embargo, hay casos en que los acoplamientos no duran la vida útil esperada y debe revisarse su selección, ó bien, se compran dispositivos por separados que luego deberán acoplarse a unidades motrices, lo cual implica que deba seleccionarse un acoplamiento para dicho fin. El proceso no es sencillo, porque no existen aplicaciones en las que solo un tipo de acoplamiento sea el adecuado, es decir, para una aplicación específica se podrían emplear varios tipos de acoplamientos dando un resultado similar. El par nominal es el factor principal de dimensionado de los acoplamientos de los ejes y de las máquinas directamente conectadas a ellos. El par nominal a transmitir está en función de la potencia a transmitir o potencia de la máquina impulsora y de la velocidad de rotación:

[ ] [ ][ ]rpm

hpPotenciaNmT transmitiraalNo η×

=7160

min

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[ ] [ ][ ]rpm

kWPotenciaNmT transmitiraalNo η×

=9735

min

Es importante tener en cuenta que la velocidad de rotación expresada en revoluciones por minuto [rpm], representa la velocidad de rotación de la máquina motriz y debe ser inferior a la velocidad máxima del acoplamiento. Por lo general, los acoplamientos pueden soportar velocidad de hasta 10000 rpm, valor que es muy superior a las velocidades nominales de la mayoría de motores eléctricos. La elección de un acoplamiento con el tamaño correcto es muy importante, para hacerlo es necesario conocer no sólo la potencia y velocidades requeridas, sino también la severidad del servicio que debe absorber, es decir, será necesario aplicar un factor de corrección o de servicio, el cual permite determinar el par de torsión o troque que deberá soportar el acoplamiento. Como condición general el par de torsión del acoplamiento deberá ser mayor que el par de torsión a trasmitir, de lo contrario este fallara.

transmitiraalNotoacoplamiendelalNo TT minmin >

En la determinación del par nominal del acoplamiento, hay que tener en cuenta:

Las irregularidades del par debidas a los diferentes tipos de máquinas motrices y receptoras (K1). Las frecuencias de arranque (K2). El número de horas de funcionamiento por día (K3).

El producto K de estos tres coeficientes K1, K2 y K3, se denomina coeficiente de seguridad o factor de carga, y se obtiene de las siguientes tablas:

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Tabla para coeficiente de irregularidades del par de torsión K1.

Máquina motriz Máquina receptora características de

operación Ejemplos de

máquinas receptoras Motor

eléctrico y turbina

Máquina de pistones 4 – 6

cilindros 1 – 3

cilindros Coeficiente K1

1 1,2 1,4

Marcha regular, Inercia muy pequeña

Generador de alumbrado, bomba centrifuga, ventilador centrífugo.

1,2 1,4 1,7

Marcha irregular, Inercia pequeña

Agitador de líquidos, cinta transportadora, máquinas herramientas, máquinas textiles ligeras, plegadoras, bombas de engranajes bombas de paletas, ventiladores.

1,4 1,7 2

Marcha irregular, Inercia media

Compresor rotativo, transportadora de rodillos, desmenuzadora, hornos rotativos, máquinas para maderas, mezcladoras, montacargas, punzonadora.

1,7 2 2,4

Marcha irregular, Inercia media,

De golpes medios

Hormigonera, molino de percusión, molino de bolas, compresor de pistón, trasportadora de cadenas, grúa, laminadores ligeros, máquinas de molinos arrieros, bombas de pistones, cepilladoras, tornos elevadores, ventiladores de minas.

2 2,4 2,8

Marcha irregular, Inercia importante,

De golpes importantes

Molino de martillos, calandra, compresores con volante de inercia pequeño, desfibradora, excavadora, prensa forjadora, prensa para fabricar papel, tamiz.

2,4 2,8 3,3

Marcha irregular,

Inercia importante, De golpes muy

importantes

Triturador, generador de soldadura, laminador pesado, prensa de mampostería, bomba de pistón sin volante de inercia.

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Tabla para coeficiente de frecuencias de arranque K2.

Según máquina receptora - características de operación.

Número de arranques por hora

1 10 30 60 120 Coeficiente K2

1 1,2 1,3 1,5 1,6 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1 1,05 1,1 1,2 1,2

Tabla para coeficiente de horas de operación por día K3.

Número de horas de operación por día 0 - 2 2 - 8 8 - 16 16 - 24

Coeficiente K3 0,9 1 1,1 1,2

Una vez determinado el producto de los factores K1, K2 y K3 o el factor de seguridad K, es importante analizar la consecuencia de este valor sobre el torque nominal del acoplamiento. Como recomendación general se debe evitar un coeficiente de seguridad excesivo, porque podría seleccionarse un acoplamiento sobredimensionado o demasiado rígido, y también se debe evitar seleccionar un acoplamiento muy ajustado, dado que su vida útil será limitada y se puede presentar un fallo repentino a la presencia de cualquier pico en el proceso de trasmisión. En este orden de ideas el par nominal del acoplamiento será igual al producto entre el par nominal a trasmitir y el coeficiente de seguridad.

seguridaddeeCoeficienttransmitiraalNotoacoplamiendelalNo KTT ×= minmin

Una vez determinado el par nominal del acoplamiento es importante hacer el ejercicio de seleccionar las opciones que cumplan con este requerimiento de par de torsión o torque, velocidad de rotación y dimensiones de los ejes. También importante tener en cuenta factores como la desalineación presente y requisitos de flexibilidad de acoplamiento para ajustar el rango de selección. Finalmente determine cuál es el tipo de acoplamiento más adecuado, considerando entre otros factores el costo del acoplamiento, el tipo de mantenimiento que este requiere, las características de montaje y el tamaño.

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Enlaces de interés Dónde podemos encontrar más información

Acoplamientos http://www.falk.com.mx/guias/guiadeproductos/modulos/m4/m4.htm http://www.transmisiondepotencia.com/acoplamientos/#

Acoples flexible

http://www.lmbindustrial.com/11.html

Acoplamientos y ruedas

http://www.brammer.at/es_brammer_acoplamientos_y_ruedas_libres.aspx