Elementos de máquinas



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ELEMENTOS DE MÁQUINAS
EJES Y ÁRBOLES


  • EJES

Son elementos destinados a que una o más ruedas puedan girar libremente, como es el caso de ejes de vagones de ferrocarril y los ejes delanteros de automóviles de tracción a las ruedas traseras.

Los ejes no transmiten potencia y por ello están sometidos solamente a esfuerzos de flexión, con efecto de fatiga los ejes de vagones y sin efecto de fatiga los ejes de automóviles.

Los ejes pueden ser redondos y giratorios tal como lo son los de vagones, o tener cualquier otra forma y ser estacionarios, como es el caso de los ejes de automóviles.


  • ÁRBOLES

Se conocen como árboles a los elementos giratorios encargados de transmitir potencia, estando por ello sometidos, a veces, a esfuerzos de torsión pura y casi siempre a esfuerzos combinados de torsión y flexión.

El esfuerzo de torsión se produce al transmitir torque y la flexión debido a las fuerzas radiales que aparecen según sea la forma como se transmite la potencia a otro árbol (mediante acoplamientos, cadenas de transmisión, correas planas y trapeciales, por medio de engranajes, etc.).



Los árboles, en general, quedan expuestos a esfuerzos de fatiga, especialmente en flexión. Los árboles generalmente son redondos y escalonados aunque también existen árboles acodados como los cigüeñales y árboles flexibles.


  • DIÁMETROS NORMALIZADOS

Para el dimensionamiento de ejes y árboles se dará preferencia, si no existe una buena razón en su contra, a los siguientes diámetros normalizados:
10; 12; 15; 17; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200; etc., aumentando de 20 en 20 mm. hasta 500 mm. cuando sobre ellos se deban montar rodamientos.
Para los extremos de árboles de motores eléctricos, reductores de velocidad, motorreductores, en aquellas partes donde se montan acoplamientos, poleas, ruedas de cadenas, ruedas de engranajes y otros elementos afines, los diámetros recomendados son los correspondientes a las cifras normativas DIN 323, series R5, RIO, R20 y eventualmente serie R40, que se anotan enseguida:
10; 11; 12; 12,5; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 53; 56; 60; 63; 67; 70; 75; 80; 85; 90; 95; 100; 110; 120; 125; 130; 140; 150 160; 170; 180; 190 200; 210; 220; 240; 250; 260; 280; 300; 320; 340; 360; 380; 400; 420; 450; 480; 500.
Siempre que sea posible, para dimensionar los diámetros de los ejes, se dará preferencia a los valores de la serie R5, que son aquellos anotados en tamaño mayor y en negrita. Si lo anterior no es posible, se preferirán los valores de la serie R10, anotados en tamaño mediano y en negrita. Si esto tampoco es posible se usará la serie R20, cuyos valores aparecen anotados en tamaño mediano. Por último se usarán los valores de la serie R40, anotados en tamaño pequeño.

  • MATERIALES PARA EJES Y ÁRBOLES

Para confección de ejes y árboles, en la mayoría de los casos, en nuestro país se prefieren aceros según norma SAE. De tal manera que preferentemente se usan los siguientes aceros:
SAE 1010 Y SAE 1020 para árboles poco cargados o de uso esporádico donde sea deseable un bajo costo de fabricación o cuando algunas partes de los elementos deban ser endurecidas mediante cementación.
SAE 1045 es el acero para árboles más corrientemente usado, pues el mayor contenido de carbono le otorga una mayor dureza, mayor resistencia mecánica y un costo moderado. No obstante lo anterior, cuando este acero se endurece por templado sufre deforrnaciones y baja su resistencia a la fatiga.
SAE 4140 es un acero al cromo molibdeno bonificado de alta resistencia que se emplea en ejes muy cargados y en donde se requiere alta resistencia mecánica.
SAE 4340 es un acero al cromo níquel molibdeno bonificado de máxima tenacidad, resistencia a la tracción y torsión que se aplica a los cálculos para el diseño de árboles.
DIN St 42 es un acero ordinario con 420 N/mm2 de resistencia mínima a la rotura en tracción, que se emplea en árboles y ejes poco cargados o pertenecientes a mecanismos de uso poco frecuente.
DIN St 50 o DIN St 60 son también aceros ordinarios con 500 N/mm2 y 600 N/mm2 respectivamente, que se emplean cuando los ejes o los árboles quedan sometidos a mayores solicitaciones.
DIN I5Cr3 acero de cementación de baja aleación que se usa especialmente para árboles de cajas de cambio de automotrices, con una resistencia a la ruptura en tracción entre 600 y 850 N/mm2.
DIN 15CrNi6, acero aleado de cementación con resistencia a la ruptura en tracción entre 900 y 1200 N/mm2, usado en la confección de árboles de cajas de cambio fuertemente solicitados.
DIN Ck45 o DIN Ck60 aceros al carbono bonificados con bajo contenido de fósforo y azufre, para la confección de ejes y árboles medianamente solicitados.
DIN 34CrMo4 o DIN 37MnSí5 aceros bonificados, con alta resistencia a la fatiga, aptos para la confección de ejes, árboles, cigüeñales.
DIN 30CrMoV9 o DIN 36CrNiMo4, aceros bonificados para la confección de árboles muy fuertemente solicitados.

CÁLCULO DE ÁRBOLES Y EJES
Existen varios métodos para el cálculo de árboles y ejes. Algunos precisos, pero sofisticados, que exigen complejos desarrollos matemáticos y alto nivel de ingeniería, como asimismo un preciso conocimiento del comportamiento tanto de los materiales empleados en la confección de los árboles y de los ejes, como de los mecanismos de los cuales éstos forman parte. Otros métodos son más simples en su desarrollo, pero no cuentan con gran exactitud, de tal modo que para compensar el grado de incertidumbre que se produce en su cálculo, se aplican elevados factores de seguridad y factores de servicio, resultando por ello bastante conservadores los valores obtenidos en sus dimensiones.
El método que presentamos a continuación forma parte de los últimos mencionados. Es un método simple, publicado hace ya algún tiempo, que ha sido muy usado en el cálculo de árboles y ejes, pero que en la actualidad ha sido desplazado por métodos más recientes y confiables. Se trata del Código ASME que fue presentado como "Código para proyectos de ejes de transmisión" y que a lo largo de varios años ha sido ampliamente utilizado para el cálculo de toda clase de árboles.
Este código utiliza los esfuerzos cortantes para el cálculo de árboles, determinando la resistencia admisible de dos maneras:
a) Multiplicando por 0,30 el valor del límite de fluencia en tracción del material (acero) del árbol, expresado en kp/cm2.
b) Multiplicando por 0,18 el valor de la resistencia a la ruptura en tracción del material (acero) del árbol expresado en kp/cm2.
0 sea,


o bien


Se calcula la resistencia admisible aplicando ambas fórmulas de cálculo (a y b), y se comparan los valores obtenidos, utilizando para el cálculo del diámetro del árbol el que resulte menor de entre ellos.

En caso de tratarse del cálculo de un eje, que sufre solamente esfuerzos de flexión y ninguna torsión, se deben aplicar las siguientes fórmulas de cálculo:


o bien


Como en el caso anterior, se comparan los valores y el que resulta menor se utiliza en los cálculos.
Cuando se usa el Código ASME, se deben aplicar también unos coeficientes de servicio llamados coeficientes de choque y fatiga, Ks, y Km, en que:
Ks = "Coeficiente numérico combinando de choque y fatiga a aplicar en cada caso para multiplicar al momento torsor calculado o a la potencia".
Km = "Coeficiente numérico combinado de choque y fatiga a aplicar en cada caso para multiplicar al momento flector calculado.
TABLA DE VALORES DE “Ks Y Km”



TIPO DE CARGA

Ks

Km

Ejes fijos (esfuerzo de flexión sin inversión)







- Carga aplicada gradualmente

1,0

1,0

- Carga aplicada repentinamente

1,5 a 2,0

1,5 a 2,0

Ejes giratorios (esfuerzos de flexión con inversión)







- Carga constante o aplicada gradualmente

1,5

1,0

- Carga aplicada repentinamente, con choque ligero

1,5 a 2,0

1,0 a 1,5

- Carga aplicada repentinamente, con choque fuerte

2,0 a 3,0

1,5 a 3,0


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