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MANUAL CÁLCULO, DISEÑO Y ENSAYO DE MÁQUINAS

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Cálculo, diseño y
ensayo de máquinas
V304
RAMÓN MARTÍNEZ ARTIGAS
Mª DEL CARMEN HERRÁEZ MARTÍN
CÁLCULO,
DISEÑO
Y
ENSAYO
DE MÁQUINAS
2012
Martínez Artigas, Ramón
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas [Archivo de Internet] / Ramón Martínez Artigas, Mª del Carmen
Herráez Martín. – Ávila: Universidad Católica de Ávila, 2012. – 1 archivo de Internet (PDF). – (Manuales)
ISBN 978‐84‐9040‐ 221‐4
1. Máquinas – Diseño
D.L. AV 321‐2012
2. Máquinas – Ensayo
I. Herráez Martín, María del Carmen
TJ233
62‐11
© Servicio de Publicaciones
Universidad Católica de Ávila
C/ Canteros s/n. 05005 Ávila
Tlf. 920 25 10 20
[email protected]
www.ucavila.es
© Primera edición (edición electrónica): septiembre 2012
“Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra
sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase
a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos) si necesita imprimir o descargar algún fragmento
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ISBN: 978‐84‐9040‐221‐4
Depósito Legal: AV 321‐2012
Índice general
UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN
1.1. Diseño en Ingeniería Mecánica
1.2. Fases del diseño
1.3. Factores de diseño
1.4. Factor de seguridad
1.5. Normas y códigos
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
1
UNIDAD 2. DISEÑO POR RESISTENCIA ESTÁTICA
2.1. Resistencia estática
2.2. Cargas estáticas y factor de seguridad
2.2.1.
2.2.2.
Ejemplo 1
Ejemplo 2
2.3. Teorías del fallo de un material
2.4. Teoría de la tensión normal máxima
2.5. Teoría de la tensión cortante máxima
2.6. Teoría de la energía de distorsión
2.7. Fallo de materiales dúctiles
2.8. Fallo de materiales frágiles
2.9. Concentración de la tensión
2.10. Determinación de los factores de concentración de tensión
2.11. Concentración de la tensión y cargas estáticas
2.12. Estudio mecánico de la fractura
2.13. Estado de tensión en una grieta
UNIDAD 3. DISEÑO POR RESISTENCIA A LA FATIGA
3.1. El diagrama S-N
3.2. Factores que modifican el límite de fatiga
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.2.4.
3.2.5.
Acabado superficial
Tamaño
Temperatura
Concentración de tensiones
Efectos diversos
3.3. Esfuerzos fluctuantes
3.4. Resistencia a la fatiga en el caso de esfuerzos fluctuantes
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2
UNIDAD 4. RESORTES MECÁNICOS
4.1. Resortes helicoidales
4.1.1.
4.1.2.
Esfuerzos en resortes helicoidales
Deformaciones de resortes helicoidales
4.2. Resortes de tensión
4.3. Diseño de resortes helicoidales
4.4. Cargas de fatiga
UNIDAD 5. COJINETES DE RODAMIENTO Y COJINETES DE FRICCIÓN
5.1. Cojinetes de rodamiento
5.1.1.
5.1.2.
5.1.3.
5.1.4.
Tipos de cojinetes de rodamiento
Vida y carga en cojinetes de rodamiento
Selección de rodamientos de bolas y de rodillos cilíndricos
Lubricación de rodamientos
5.2. Cojinetes de fricción
5.2.1.
5.2.2.
5.2.3.
5.2.4.
5.2.5.
5.2.6.
5.2.7.
Lubricación
Tipos de lubricación
Viscosidad
Ley de petroff
Teoría de la lubricación hidrodinámica
Factores de diseño
Relación entre las variables
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
3
UNIDAD 6. ENGRANAJES
6.1. Engranajes rectos
6.1.1.
6.1.2.
6.1.3.
6.1.4.
6.1.5.
6.1.6.
6.1.7.
6.1.8.
6.1.9.
6.1.10.
6.1.11.
6.1.12.
6.1.13.
6.1.14.
Nomenclatura
Teoría de engrane
Ley de engrane
Tamaño del diente: paso y módulo
Línea de engrane, línea de empuje y ángulo de presión
Dimensiones de un engranaje normal
Perfil del diente: cicloidal y evolvente
Engrane entre perfiles de evolvente
Cremallera de evolvente
Limitaciones en el engrane de perfiles de evolvente
Coeficiente de engrane
Interferencia y penetración
Fabricación de ruedas dentadas
Tallado por cremallera
6.2. Engranajes helicoidales
6.2.1.
6.2.2.
6.2.3.
6.2.4.
6.2.5.
Forma de los dientes
Engrane de dos ruedas helicoidales
Relación entre ángulos de las hélices base y primitiva
Cremallera helicoidal
Coeficiente de engrane
6.3. Engranajes cónicos
6.3.1.
6.3.2.
Número límite de dientes en la talla
Geometría de engranajes cónicos
6.4. Engranajes hiperbólicos
UNIDAD 7. EJES DE TRANSMISIÓN
7.1. Diseño para cargas estáticas
7.2. Flexión alternante y torsión continua
7.3. Método de Soderberg
7.4. Método de Sines
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
4
UNIDAD 8. EMBRAGUES, FRENOS, ACOPLAMIENTOS Y VOLANTES
8.1. Embragues y frenos de tambor con zapatas interiores
8.2. Embragues y frenos de tambor con zapatas exteriores
8.3. Embragues de fricción de disco y acción axial
8.3.1.
8.3.2.
Desgaste uniforme
Presión uniforme
8.4. Embragues y frenos cónicos
8.4.1.
8.4.2.
Desgaste uniforme
Presión uniforme
8.5. Energía y temperatura
8.5.1.
8.5.2.
Energía
Temperatura
8.6. Otros tipos de embragues y acoplamientos
8.7. Volantes
8.7.1.
Ecuación del movimiento
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
5
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
1
INTRODUCCIÓN
V304(01)
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
1.1. Diseño en Ingeniería Mecánica............................................................5
1.2. Fases del diseño...................................................................................6
1.3. Factores de diseño ...............................................................................9
1.4. Factor de seguridad ...........................................................................10
1.5. Normas y códigos...............................................................................12
♦ RESUMEN ................................................................................................13
Unidad 1. Introducción.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocimiento del concepto de diseño, así como de las fases que
configuran este concepto.
• Conocimiento de los factores que intervienen en el proceso de diseño.
• Conocimiento de los conceptos de Factor de Seguridad, Norma y Código.
Unidad 1. Introducción.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
Este manual es un estudio de los procesos de toma de decisiones empleados
por los ingenieros mecánicos al describir los planes para la realización
material de máquinas, dispositivos y sistemas. Tales procesos son aplicables
en todo el campo del diseño en Ingeniería, y no solo en el diseño en
ingeniería mecánica.
4
Unidad 1. Introducción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
1.1. DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA
Para comprender los procesos de toma de decisiones empleados por los
ingenieros, aplicarlos en situaciones concretas y hacerlos que generen
beneficios, se requieren determinadas circunstancias, una situación concreta,
o bien, un “vehículo” para llevarlos a cabo. Pues bien, este vehículo que se ha
elegido en este manual es el de la Ingeniería Mecánica.
Diseñar
Es establecer un plan para satisfacer una necesidad. En
principio, esta necesidad debe estar bien definida (por
ejemplo: obtener energía de forma limpia respetando la
Tierra), pero puede ocurrir que no lo esté tanto (por ejemplo,
muchas personas perecen en accidentes de avión). En este
último caso, ni la necesidad ni el problema a resolver están
bien definidos. Para estos casos se necesitará un esfuerzo
mental mayor para satisfacer la necesidad o necesidades que
se plantean.
Los problemas de diseño no tienen, además, una sola respuesta, no existe la
“respuesta correcta”, ya que lo que ahora es correcto, después puede no
serlo.
Diseño mecánico
Consiste en el diseño de objetos y sistemas de naturaleza
mecánica: piezas, estructuras, mecanismos, máquinas e
instrumentos diversos. El diseño mecánico hace uso de las
matemáticas, las ciencias de los materiales y las ciencias
mecánicas aplicadas a la ingeniería.
El diseño en ingeniería mecánica incluye el diseño mecánico, abarcando
todas las disciplinas de la ingeniería mecánica, incluso las ciencias térmicas y
de los fluidos.
Unidad 1. Introducción.
5
Formación Abierta
1.2. FASES DEL DISEÑO
Se puede describir el proceso total de diseño, desde que empieza hasta que
termina, como se muestra en la figura:
Identificación
de la necesidad
Definición del problema
Síntesis
Análisis y optimización
Evaluación
Iteración
Presentación
Comienza con la identificación de una necesidad y con la decisión de hacer
algo al respecto. Después de muchas iteraciones, el proceso finaliza con la
presentación de los planes para satisfacer tal necesidad.
El diseño, generalmente comienza cuando el ingeniero se da cuenta de una
necesidad y decide hacer algo al respecto. La necesidad puede manifestarse
simplemente como un descontento, como la intuición de una dificultad o como
la sensación de que algo no está bien. Las necesidades se identifican de
repente, a partir de una circunstancia adversa o de una serie de
circunstancias fortuitas que surgen simultáneamente.
La necesidad, generalmente, no es evidente, aunque se identifica fácilmente
después de que alguien la ha planteado. Por ejemplo, la necesidad de tener
agua y aire más limpios, o de tener mejor transporte público, ha llegado a ser
totalmente evidente.
6
Unidad 1. Introducción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Existe una gran diferencia entre la identificación de la necesidad y la
definición del problema que sigue a continuación. El problema es más
específico, para una sola necesidad pueden existir diversos problemas. Si la
necesidad es tener aire más limpio, los problemas pueden ser reducir la
emisión de los automóviles, o de las chimeneas industriales, o de viviendas,
etc.
La definición del problema debe abarcar todas las especificaciones para el
objeto que se ha de diseñar. Las especificaciones definen el costo, la
cantidad de piezas a fabricar, la duración esperada, la temperatura de trabajo
y la fiabilidad. También están las velocidades necesarias, las fuentes de
energía, las limitaciones de temperatura, el alcance máximo, las variaciones
esperadas en las variables y las restricciones en tamaño y peso.
Existen, además, muchas condiciones intrínsecas que dependen del
diseñador o de la propia naturaleza del problema. Los procesos de fabricación
de que se dispone y las instalaciones industriales son restricciones a la
libertad de acción del diseñador, por lo que forman parte de las condiciones
intrínsecas. Por ejemplo, en una fábrica pequeña no puede plantearse
fabricar algo que necesite grandes instalaciones, el diseñador deberá buscar
otro método de fabricación si quiere fabricarlo.
Todo lo que limite la libertad de selección del diseñador es una condición o
especificación. Por ejemplo, en los catálogos se oferta tipos y tamaños de un
mismo producto pero puede ocurrir que no pueden surtirlos todos o existe
escasez de algunos.
Una vez que se ha definido el problema y obtenido un conjunto de
especificaciones implícitas, el siguiente paso en el diseño es la síntesis de
una solución óptima, aunque esta síntesis deberá ser analizada
reiteradamente hasta que la solución satisfaga la necesidad. Puede ocurrir
que al realizar la síntesis y desarrollar el diseño, se llegue a una solución no
válida, por lo que habrá que replantear dicha síntesis.
El diseño es un proceso iterativo en el que se pasa por varias etapas en las
que se evalúan los resultados y después se vuelve a una etapa anterior del
proceso. De esta forma se analiza y se optimiza el propio diseño para,
después, volver a la fase de síntesis.
Para el análisis y la optimización se requiere que se ideen modelos teóricos
que admitan alguna forma de análisis matemático. Tales modelos reciben el
nombre de modelos matemáticos. Al crearlos, se espera encontrar alguno que
reproduzca lo mejor posible el sistema real.
Unidad 1. Introducción.
7
Formación Abierta
Evaluación
Es la fase en la que se produce la demostración definitiva de
que un diseño es acertado y, generalmente, incluye pruebas
con un prototipo en el laboratorio. En esta fase es cuando se
desea observar si el diseño satisface realmente la necesidad.
La comunicación del diseño a otras personas es el paso final en el proceso de
diseño. Muchos importantes diseños o inventos se han perdido porque los
diseñadores no fueron capaces de explicar sus creaciones a otras personas.
La presentación es un trabajo de venta. Cuando el ingeniero presenta o
expone una nueva solución a sus superiores está tratando de vender que su
solución es la mejor. Si esta fase no tiene éxito, el tiempo y el esfuerzo
empleados en las fases anteriores no habrán servido para nada.
1. Identificación de la necesidad
Mantener la atmósfera limpia.
2. Definición del problema
Minimizar las emisiones por el escape de los automóviles.
3. Síntesis
Filtrar los gases de combustión del motor antes de
expulsarlos a la atmósfera.
4. Análisis y optimización
Elegir un método químico capaz de resolver el problema
sobre el papel y en la realidad.
5. Presentación
Comunicación en prensa y revistas especializadas de la
fabricación e instalación de un aparato capaz de hacer que
el escape de un automóvil expulse gases con un grado de
contaminación mucho menor.
8
Unidad 1. Introducción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
1.3. FACTORES DE DISEÑO
La resistencia de un elemento o pieza es una propiedad muy importante para
determinar la forma geométrica y las dimensiones que tendrá. La resistencia,
en ese caso, es un factor importante de diseño.
Factor de diseño
Es una característica que influye en el diseño de un elemento.
Generalmente son varios los factores de diseño para un solo
elemento. En ocasiones, alguno de esos factores será crítico
y, si en el elemento queda superado ese factor, ya no será
necesario considerar los demás.
Son ejemplos de factores de diseño: resistencia, fiabilidad,
condiciones
térmicas,
corrosión,
desgaste,
fricción,
procesamiento, utilidad, coste, seguridad, peso, ruido,
estilización, forma, tamaño, flexibilidad, control, rigidez,
acabado superficial, lubricación, mantenimiento, volumen.
Alguno de estos factores se refiere directamente a las dimensiones, al
material, al procesamiento, al ensamble con otros elementos, etc.
Unidad 1. Introducción.
9
Formación Abierta
1.4. FACTOR DE SEGURIDAD
Con el fin de establecer un mínimo de seguridad al establecer la configuración
geométrica y las dimensiones que tendrá cualquier elemento de máquina, se
ha introducido un valor que proporciona una evaluación cuantitativa de esta
seguridad en el uso del elemento diseñado.
Resistencia
Es una propiedad de un material o de un elemento mecánico.
La resistencia de un elemento depende de la clase de
tratamiento y procesado del material. El esfuerzo es algo que
ocurre en una pieza o elemento debido a la aplicación de una
fuerza, mientras que la resistencia es una propiedad intrínseca
del elemento y depende del material y del proceso que se usó
para fabricar el elemento.
El factor de seguridad es el factor utilizado para evaluar la condición segura
de un elemento. Supongamos que un elemento mecánico se somete a una
acción F (una fuerza, un momento de flexión o torsión, etc.). Si F aumenta, al
final llegará a ser tan grande que cualquier pequeño incremento adicional
haría que el elemento perdiera la capacidad de realizar su función (por rotura,
por ejemplo). Pues bien, si llamamos Fu a este valor último de F, entonces el
factor de seguridad será:
n=
Fu
F
ƒ Si F<Fu ⇒ n>1 (ej. F=½Fu ⇒ n=2 ⇒ seguridad en el elemento).
ƒ Si F=Fu ⇒ n=1 (ej. F=Fu ⇒ n=1 ⇒ poca/ninguna seguridad en el
elemento).
ƒ Si F>Fu ⇒ n<1 (ej. F=2Fu ⇒ n=½<1 ⇒ ninguna seguridad en el
elemento).
Por lo tanto, para que un elemento sea seguro a la hora de aplicarle una
acción F, deberá tener un factor de seguridad >1.
10
Unidad 1. Introducción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Se define margen de seguridad como:
m=n‒ 1
Que intuitivamente refleja el intervalo que nos queda para llegar a la
inseguridad de un elemento al aplicarle una acción F.
Unidad 1. Introducción.
11
Formación Abierta
1.5. NORMAS Y CÓDIGOS
En épocas pasadas, por ejemplo, no había ninguna norma para la fabricación
de roscas de tornillo, tuercas o pernos. Una tuerca de 10 mm proveniente de
un perno de una máquina no podía ser montada en un perno de 10 mm de
otra máquina porque no coincidía el paso de las roscas de los dos pernos.
Norma
Es un conjunto de especificaciones para piezas, materiales o
procesos, establecidos con el fin de lograr uniformidad,
eficacia y calidad. El objetivo de una norma es fijar un límite en
el número de términos de las especificaciones (que no haya
cualquier medida, por ejemplo).
Código
Es un conjunto de especificaciones para efectuar el análisis,
diseño, fabricación o construcción de un objeto o sistema. El
objetivo de un código es alcanzar un grado concreto de
seguridad, eficacia y buen funcionamiento o buena calidad.
Están por ejemplo la Norma Española (UNE), las Normas Europeas (EN), o
las normas internacionales (ISO).
12
Unidad 1. Introducción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
En esta Unidad se ha estudiado el concepto de Diseño y, más concretamente,
el concepto de Diseño Mecánico. Después se han establecido las fases que
intervienen en un proceso de diseño (identificación de una necesidad,
definición del problema, síntesis, análisis y optimización, evaluación y
presentación y desarrollo. A continuación se han descrito los múltiples
factores que intervienen en cualquier fase de diseño. Se ha estudiado, en
concreto, uno de los factores más importantes en cualquier fase de diseño, el
Factor de Seguridad, que garantiza el correcto funcionamiento de lo diseñado.
Por último, se definen factores que obligan en el proceso de diseño: las
normas y los códigos o reglamentos.
Unidad 1. Introducción.
13
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
2
DISEÑO POR
RESISTENCIA
ESTÁTICA
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
2.1. Resistencia estática .............................................................................5
2.2. Cargas estáticas y factor de seguridad...............................................6
2.2.1. Ejemplo 1.........................................................................................7
2.2.2. Ejemplo 2.........................................................................................8
2.3. Teorías del fallo de un material .........................................................10
2.4. Teoría de la tensión normal máxima .................................................11
2.5. Teoría de la tensión cortante máxima ...............................................12
2.6. Teoría de la energía de distorsión .....................................................13
2.7. Fallo de materiales dúctiles ...............................................................14
2.8. Fallo de materiales frágiles ................................................................15
2.9. Concentración de la tensión ..............................................................16
2.10. Determinación de los factores de concentración de tensión ..........17
2.11. Concentración de la tensión y cargas estáticas...............................19
2.12. Estudio mecánico de la fractura........................................................20
2.13. Estado de tensión en una grieta........................................................21
♦ RESUMEN ................................................................................................23
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocimiento de los conceptos de Carga Estática, Resistencia Estática y
Factor de Seguridad. Éste último como garantía para el buen
funcionamiento de lo diseñado al existir factores desconocidos o
incontrolables en el proceso de diseño.
• Análisis de las distintas teorías existentes que explican cuándo ocurrirá el
fallo del elemento de máquina diseñado, aplicadas a materiales dúctiles y
materiales frágiles.
• Análisis de cómo afectan las discontinuidades de los elementos de
máquinas en la aparición de concentración de tensiones que pueden
acelerar el fallo del elemento. En concreto, se estudiará cómo se
determina el factor de concentración de tensiones para carga estática en
grietas, analizando la mecánica de la fractura.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
En el capítulo anterior se indicó que la resistencia es una propiedad de un
material o elemento mecánico. Esta propiedad puede ser inherente al material
o bien originarse por el tratamiento o procesado del mismo (por ejemplo,
templando acero se consigue mayor dureza). La resistencia de una pieza
mecánica es independiente de que sea sometida o no a la acción de una
carga. Es una característica del elemento aún antes de que sea ensamblado
en una máquina, estructura o sistema.
Una carga estática es una acción estacionaria en el tiempo de una fuerza o
un momento. Para que una fuerza o momento sean estacionarios o estáticos
deben poseer magnitud, dirección y punto de aplicación, y éstos han de ser
invariables. Una carga estática puede ser tracción o compresión axial, fuerza
cortante, momento de flexión o de torsión, o cualquier combinación de estas
acciones. La carga no debe experimentar alteración alguna para que sea
considerada como estática.
La finalidad de este capítulo es desarrollar las relaciones entre la resistencia y
las cargas, a fin de lograr dimensiones óptimas de los componentes, con el
requisito de que el elemento no falle al estar en servicio.
Es conveniente hacer notar que casi todos los datos numéricos que se utilizan
para el diseño poseen alguna incertidumbre. La información publicada en
tablas para la resistencia de los materiales, no es totalmente exacta. Las
resistencias tabuladas pueden ser los valores mínimos esperados, o valores
típicos; sin embargo, la resistencia de una muestra real de material casi
siempre resultará diferente de los valores publicados. Por ejemplo, si una
biela de un conjunto de 100 se prueba hasta que falle, la resistencia de cada
una de las 99 restantes tendrá algún grado de incertidumbre.
Además de estas dudas concernientes a las resistencias, existe una
indeterminación similar respecto de la magnitud de las cargas. Por ejemplo, a
un perno de una conexión atornillada se le aplica una carga de tensión axial y
de torsión cuando se le aprieta la tuerca. La intensidad de tal carga depende
del ajuste de la rosca, la fricción entre los hilos o filetes, rozamiento entre la
cara de la tuerca y la arandela, y del par aplicado a la tuerca. Por esto,
siempre existirá alguna incertidumbre sobre la tensión y la torsión reales que
quedan en el perno después de apretarle la tuerca.
Para tener en cuenta estas incertidumbres que existen en el diseño se
emplea en concepto de factor de seguridad, que relaciona las cargas en una
pieza con su resistencia con el fin de lograr un diseño seguro.
4
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.1. RESISTENCIA ESTÁTICA
Lo ideal sería que el ingeniero, al diseñar un elemento de máquina, dispusiera
de gran cantidad de datos obtenidos en diferentes ensayos de resistencia
realizados con el material elegido para la pieza, con el mismo tratamiento
térmico, acabado superficial y tamaño que el elemento. Las cargas del
ensayo, además, deberían ser las mismas que las cargas que van a actuar
sobre la pieza. Así el ingeniero sabría qué factor de seguridad utilizar y cuál
sería la fiabilidad o vida útil de la pieza.
Lo que ocurre es que estos ensayos tienen un coste y, por lo tanto, en
algunos casos estarán justificados pero en otros no (por ejemplo, cuando la
rotura de la pieza ponga en peligro vidas humanas, o cuando se fabrique en
cantidades muy grandes, estará justificada la realización de estos ensayos).
Por lo general, y es de lo que trata este texto, el ingeniero dispondrá
únicamente de datos publicados de resistencia última y deformación (ensayo
de tracción). El ingeniero entonces, con esta escasa información deberá
diseñar el elemento teniendo en cuenta cargas estáticas, dinámicas, estados
tensionales planos o tridimensionales, temperaturas altas o bajas y tamaños
grandes o pequeños de las piezas. Deberá diseñar a partir de los datos
obtenidos en un ensayo de tracción (carga estática aplicada gradualmente
dando tiempo a desarrollarse la deformación) aunque la pieza vaya a soportar
cargas dinámicas complejas o cíclicas.
En resumen, el problema fundamental del diseñador radica en utilizar los
datos del ensayo simple de tracción y relacionarlos con la resistencia de la
pieza, independientemente del estado tensional o de las condiciones de las
cargas.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
5
Formación Abierta
2.2. CARGAS ESTÁTICAS Y FACTOR DE
SEGURIDAD
Se definió el factor de seguridad como
n=
Fu S
=
F σ
Donde:
Fu
Representa la carga máxima que permitirá al elemento realizar su
función (valor límite de F).
S
Resistencia.
σ
Tensión. (S es el valor límite de σ, y deben ser coherentes,
cortante-cortante o axial-axial).
A veces conviene definir dos factores de seguridad. Uno, nS, que tiene en
cuenta las incertidumbres en la resistencia. El otro nL, que tiene en cuenta las
incertidumbres en las cargas. Por eso, el factor de seguridad total será,
n = nSnL
Aplicando cada factor de seguridad a sus respectivas variables,
σp =
S
nS
Fp =
Fu
nL
Donde:
σp
Tensión permisible.
Fp
Carga permisible.
A veces no es necesario utilizar estos dos factores de seguridad, ya que con
la primera ecuación se pueden encontrar las dimensiones de la pieza en el
caso de tracción pura, por ejemplo.
6
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.2.1. EJEMPLO 1
A una biela de sección transversal rectangular se le carga en tracción pura
una fuerza F=4,8 kN. La resistencia a tracción de fluencia del material es de
320 MPa. Empleando nS=1,2 y nL=2,0, determinar las dimensiones de la
sección transversal de la biela si se especifica que el ancho debe ser 6 veces
mayor que el espesor de la biela.
Solución
El área de la sección transversal de la biela es
A = a.b = 6b.b =6b2
La tensión generada en la biela es:
σ=
F 4,8 ⋅ 1000 800
=
= 2
A
6b 2
b
Ahora bien, n = nSnL = 1,2x2,0 = 2,4
De la ecuación σ=S/n
800 320 ⋅10 6
=
b2
2,4
Despejando b, obtenemos el espesor de la biela, así como su ancho.
b = 2,45 mm
a = 6b = 15 mm
Dimensiones sección biela: 2,5x15 mm.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
7
Formación Abierta
2.2.2. EJEMPLO 2
A un eje de sección circular se le somete a flexión estática por medio de tres
fuerzas según indica la figura. El eje se fabricará con una barra de acero que
tiene una resistencia a fluencia de 44 kg/cm2. El factor de seguridad con base
en la resistencia ha de ser nS=1,20. La naturaleza de las cargas F1, F2 y F3 es
tal que puede esperarse que ocurran diferentes sobrecargas relativas si el eje
no es utilizado apropiadamente. Debido a esto, se eligen nL=nS=1,25, y
n2=2,40.
F1=120 kg
4 cm
F2 =350 kg
8 cm
F3 =120 kg
8 cm
4 cm
R1
R2
a) Calcular un diámetro adecuado para el eje por medio de nL, n2, n3 y nS.
b) Determínese un diámetro adecuado mediante un solo factor de seguridad.
Solución
a) Utilizando Fp=npFi se obtiene
F1p=1,25(120)= 150 kg
F2p=2,40(350)= 840 kg
F3p=1,25(120)= 150 kg
El máximo momento flector se produce en el centro de la viga:
⎡ F + F + F3 ⎤
M = 12 ⎢ 1 2
⎥ − 8F1
2
⎣
⎦
8
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Y así, el momento permisible es:
⎡150 + 840 + 150 ⎤
Mp = 12 ⎢
⎥ − 8(150) = 5.640kg / cm
2
⎣
⎦
La tensión permisible vale σp =Mp/Ic = 32Mp/πd3
Utilizando la ecuación σp=S/nS
1
44
32 ⋅ 5640
3 = 11,6cm
d
1.566
=
⇒
=
(
)
1,20
πd3
b) Utilizando el mayor de los factores n1, n2 y n3, se encuentra que el factor
de seguridad total es
n = nSn2 = 2,1x2,40 = 2,88
Mediante las cargas de diseño especificadas se determina el momento
máximo:
⎡120 + 350 + 120 ⎤
M = 12 ⎢
⎥ − 8 (120 ) = 2.580kg / cm
2
⎣
⎦
Como σ=M/Ic
1
S M 32M
44
32 ⋅ 2580
3
= =
⇒
=
⇒
=
d
1.720
(
) = 12cm
πd3
πd3
n Ic
2,88
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
9
Formación Abierta
2.3. TEORÍAS DEL FALLO DE UN MATERIAL
Al diseñar elementos mecánicos se debe estar seguro de que las tensiones
internas no rebasen la resistencia del material. Si se emplea un material
dúctil, por ejemplo, lo que más interesa es la resistencia de fluencia, ya que
una deformación permanente se consideraría como fallo.
Para los materiales frágiles, como los hierros colados, no existe punto de
fluencia, así que debe utilizarse la tensión de rotura como criterio de fallo.
Estos materiales poseen mayor resistencia a la compresión que a la tracción.
El problema, en general, consiste en relacionar un estado de tensión con una
única resistencia, como la fluencia o la tracción, a fin de lograr seguridad.
10
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.4. TEORÍA DE LA TENSIÓN NORMAL MÁXIMA
Esta teoría establece que el fallo suele ocurrir cuando la tensión principal
máxima sea igual a la resistencia. Supongamos un estado tensional en el
que:
σ1 > σ2 > σ3
Esta teoría establece que el fallo se produce cuando:
σ1 = Sy
σ1 = Su
Donde:
Sv y Su
Resistencias a fluencia y a rotura, respectivamente.
En el caso de torsión pura, σ1=τ, por lo tanto, un elemento sometido a torsión
pura fallará cuando:
τ = Sy
Experimentalmente, se demuestra que esta teoría de la tensión normal
máxima, no es del todo correcta.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
11
Formación Abierta
2.5. TEORÍA DE LA TENSIÓN CORTANTE
MÁXIMA
Esta teoría es fácil de emplear y siempre proporciona predicciones seguras.
Se emplea únicamente para predecir la fluencia y, por lo tanto, solo se
emplea para materiales dúctiles.
Esta teoría afirma que se inicia la fluencia del material siempre que en un
elemento mecánico, la tensión cortante máxima sea igual a la mitad de la
resistencia a fluencia.
τmáx =
Sy
2
Es decir, que la resistencia de fluencia por cortante es:
Ssy = 0,5 Sy
12
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.6. TEORÍA DE LA ENERGÍA DE DISTORSIÓN
Esta teoría es algo más compleja que la de la tensión cortante máxima, pero
es la más adecuada para el caso de materiales dúctiles. Solo se emplea para
definir el inicio del proceso de fluencia (fallo).
La teoría establece que, partiendo de un estado tensional triaxial en el que σ1
> σ2 > σ3, se iniciará la fluencia cuando:
2Sy2 = (σ1 – σ2)2 + (σ2 – σ3)2 + (σ3 – σ1)2
En esta teoría, la resistencia de fluencia por cortante es:
Ssy = 0,577 Sy
mayor que la obtenida en la teoría anterior.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
13
Formación Abierta
2.7. FALLO DE MATERIALES DÚCTILES
Al realizar una comparación experimental de las tres teorías anteriores, se
obtiene que la teoría de la energía de distorsión predice la fluencia en
materiales dúctiles con mayor exactitud.
Representando las tres teorías de fallo en un eje de esfuerzos biaxiales, se
obtiene la gráfica:
σB
Teoría de la energía
de distorsión
Syt
Syc
Syt
σA
Teoría de la tensión
cortante máxima
Teoría de la tensió
normal máxima
Syc
Figura 2.1. Representación gráfica de las teorías de fallo de esfuerzos biaxiales
Obsérvese que la teoría de la tensión normal máxima equivale a la teoría de
la tensión cortante máxima en el primero y tercer cuadrantes; sin embargo, la
gráfica de la teoría de la tensión normal máxima queda fuera de la elipse de
energía de distorsión en el segundo y cuarto. Sería muy peligroso, entonces,
utilizar la teoría de la tensión normal máxima, ya que podría predecir
condiciones de seguridad que en realidad no existen.
14
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.8. FALLO DE MATERIALES FRÁGILES
Para los materiales frágiles se observa:
ƒ La gráfica tensión-deformación es una línea recta hasta el punto de
ruptura, es decir, no tienen fase de fluencia.
ƒ La resistencia a la compresión suele ser mayor que la resistencia a la
tracción.
ƒ La resistencia a la torsión es aproximadamente igual a la resistencia
a la tracción.
Para este tipo de materiales se aplica la teoría de la tensión normal máxima y
la teoría de Coulomb-Mohr.
La teoría de Coulomb-Mohr se basa en dos ensayos: el de tracción y el de
compresión. En el sistema de coordenadas σ, τ (Mohr), se trazan los dos
círculos, uno para la resistencia a la tracción y otro para la resistencia a la
compresión. La teoría de Coulomb-Mohr establece que la fractura se produce
en un estado de tensión tal que origina un círculo tangente a la envolvente de
los dos círculos anteriores. Si se colocan sobre el eje de abscisas las
tensiones principales σ1 > σ2 > σ3, entonces las tensiones críticas son σ1 y σ3.
Estas dos tensiones y las resistencias se relacionan:
σ1 σ3
− =1
S t Sc
σ1 ≥ 0
σ3 ≤ 0
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
15
Formación Abierta
2.9. CONCENTRACIÓN DE LA TENSIÓN
En todos los ensayos y análisis vistos hasta ahora, se supone que la sección
transversal del elemento ensayado permanece constante y que no existen
irregularidades en él. Pero esto es difícil en la práctica. Los ejes deben tener
hombros para la inserción de los cojinetes, ranuras para acoples de
engranajes; los pernos tienen cabeza en un extremo y rosca en el otro
(cambio de sección); etc.
Toda discontinuidad de un elemento de máquina altera la distribución de
tensiones en la proximidad de aquella, de manera que las teorías aplicadas
ya no son exactas en esas zonas. Estas zonas de discontinuidad se
denominan áreas de concentración de tensiones.
Existe un factor de concentración de tensión teórico, que relaciona la
tensión máxima real en la discontinuidad con el nominal.
Kt =
σmáx
σ0
K ts =
τmáx
τ0
Donde:
Kt
Se utiliza para las tensiones normales.
Kts
Se utiliza para las tensiones cortantes.
σ0 y τ0
Las tensiones σ0 y τ0 son más difíciles de definir pero, por lo
general, se calcula por medio de las ecuaciones elementales y el
área neta (descontando la discontinuidad) de la sección
transversal, aunque a veces se usa el área total.
Este factor se define como teórico porque depende de la configuración
geométrica de la pieza, no del material del que está fabricada.
16
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.10. DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE
CONCENTRACIÓN DE TENSIÓN
Usando los métodos de la teoría de la elasticidad se pueden determinar los
valores de los factores de concentración de tensión. Por ejemplo, en una
placa de extensión infinita sometida a tracción uniforme, en la que existe un
orificio elíptico en el centro, presentará una tensión máxima:
2b ⎞
⎛
σmáx = σ0 ⎜ 1 +
A ⎟⎠
⎝
(*)
s0
σmax
2a
2b
σ0
Si a y b son iguales, la elipse es un círculo y la tensión máxima es:
σmáx = 3σ0
De tal modo que Kt=3
La ecuación (*) puede utilizarse para determinar la tensión en el borde de una
grieta transversal, haciendo a muy pequeña en comparación con b. En este
caso, Kt sería un número muy grande. Al contrario, si se hace b muy pequeña
respecto a a (grieta longitudinal), Kt se aproxima a la unidad.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
17
Formación Abierta
Otros métodos para obtener los factores de concentración de tensión son:
ƒ Fotoelasticidad.
ƒ Técnicas de elementos finitos.
ƒ Método de la rejilla.
18
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.11. CONCENTRACIÓN DE LA TENSIÓN Y
CARGAS ESTÁTICAS
La concentración de la tensión es un efecto altamente localizado. Las
tensiones intensas solo existen en una región muy pequeña cerca de la
discontinuidad (ranura, por ejemplo). En el caso de materiales dúctiles, la
primera carga aplicada al elemento hace que el material experimente fluencia
en la discontinuidad, eliminándose así la concentración de tensiones. En
consecuencia, en el caso de materiales dúctiles sometidos a cargas estáticas,
no es necesario aplicar un factor de concentración de tensiones. La razón por
la que la fluencia plástica alivia o elimina la concentración de tensiones en
materiales dúctiles, se explica a continuación.
Supongamos un material muy dúctil (en el diagrama tensión-deformación
presenta una pendiente elástica muy pronunciada para pasar a una línea
horizontal hasta la rotura). Al aplicar una carga que provoque fluencia en la
zona de la discontinuidad y que, al dejar de aplicarla, ocurre que quedará una
tensión residual (con carga cero). Ahora, al volver a aplicar una carga que
provoque fluencia en la zona, la tensión provocada por esta última carga será
la que se originaría normalmente menos la residual, aliviándose la
concentración de tensiones.
Se puede concluir entonces, que la deformación plástica (fluencia) en la
proximidad de una discontinuidad, permite mejorar la resistencia de la pieza,
no necesitándose utilizar factores de concentración de tensiones cuando el
material es dúctil y las cargas son estáticas.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
19
Formación Abierta
2.12. ESTUDIO MECÁNICO DE LA FRACTURA
Del estudio de la concentración de las tensiones se obtiene el valor de la
carga que produciría fluencia o deformación plástica en una pieza. De
cualquier modo, los factores de concentración de tensiones están limitados a
estructuras para las que se conocen todas las dimensiones con precisión (por
ejemplo, el radio de curvatura de una discontinuidad). Cuando en una pieza
existe una grieta, poro, inclusión o defecto de radio pequeño desconocido, el
valor del factor de concentración de tensión tenderá a infinito a medida que el
radio tienda a cero, lo cual hace inútil al propio factor.
Si se conociera el valor del radio de curvatura en el extremo de una grieta, por
ejemplo, las tensiones concentradas en esa zona provocarían una
deformación plástica local, rodeada por una región de deformación elástica.
En este caso, los factores elásticos de concentración de tensiones ya no
serán válidos, por lo que el análisis desde el punto de vista de los factores de
concentración de tensiones no conduciría a criterios útiles para el diseño
cuando se presentan grietas muy agudas.
Al combinar los diferentes análisis de los cambios elásticos producidos en una
estructura o pieza, que se producen al desarrollarse una grieta aguda frágil,
podrá calcularse la tensión media que originará el desarrollo de una grieta en
la pieza. Tal cálculo es posible sólo en el caso de piezas agrietadas, para las
que se ha llevado a cabo el análisis elástico, y para materiales que se
agrietan de forma “relativamente frágil” (para los que se ha medido la energía
de fractura). El concepto relativamente frágil se define como: “fractura sin
fluencia que se produce a través de toda la sección transversal de la fractura”.
De modo que el vidrio, aceros duros, aleaciones fuertes de aluminio, …
(frágiles), pueden analizarse de esta manera. Los materiales dúctiles
moderan la agudeza de las grietas, de modo que la fractura ocurre a
tensiones medias del orden de la resistencia de fluencia.
20
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
2.13. ESTADO DE TENSIÓN EN UNA GRIETA
Supongamos la placa de la figura sometida a tracción con una grieta en
sentido transversal.
h
h
σ
σ
2a
2b
La longitud de la placa, 2h, es grande en comparación con la anchura, 2b, y
con la longitud de la grieta, 2a. Se aplica una tensión axial (tracción) de valor
σ a ambos lados de la placa.
El análisis elástico establece que las condiciones para el desarrollo de la
grieta son controladas por la magnitud K0, factor elástico de intensidad de la
tensión:
K0 = σ (πa)1/2 (MPa.m1/2)
Puede observarse que K0 es función del esfuerzo axial y de la configuración
geométrica de la pieza.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
21
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
• En primer lugar, hemos visto que los datos que podemos obtener de los
materiales en los diferentes ensayos realizados, se reducen a la
aplicación de cargas estáticas, y sería deseable tener muchos más datos
más para poder diseñar con mayor seguridad, aunque esto no es así. Por
ello, generalmente, los datos de que se dispone sobre la resistencia de los
materiales, son referentes a la resistencia estática, es decir, a la
resistencia del material respecto de la aplicación de cargas estáticas, y no
dinámicas, fluctuantes, …
• A partir de estas cargas estáticas se define el Factor de Seguridad como
la relación entre la carga aplicada y la carga máxima que soportará la
pieza o material. O la relación entre la resistencia del material y la tensión
aplicada.
• Las teorías que proporcionan información sobre si un material fallará,
dependen de éste, tomándose su resistencia correspondiente a la
característica del material: si es frágil, la tensión de rotura; si es dúctil, la
tensión de fluencia, por ejemplo.
• La teoría de la tensión normal máxima establece que un material fallará
cuando la tensión principal máxima generada en él sea igual a la tensión
admisible del material.
• La teoría de la tensión cortante máxima establece que el material fallará
cuando la tensión cortante máxima generada en él sea la mitad que su
resistencia a fluencia (se aplica en materiales dúctiles).
• La teoría de la energía de distorsión para materiales dúctiles es más
conservadora que la anterior: Se producirá rotura cuando la tensión
alcanzada sea 0,577 la resistencia a fluencia del material.
• De las tres teorías anteriores, la que mejor predice el fallo en materiales
dúctiles es la teoría de la energía de distorsión.
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
23
Formación Abierta
• Para materiales frágiles, existe la teoría de Coulomb-Mohr, que tienen en
cuenta, tanto la tracción como la compresión.
• Cuando en una pieza de una máquina sometida a cargas, existe una
discontinuidad, aparece en torno a ella una concentración de tensiones
que produce un fallo anticipado del material. En estas zonas, las teorías
vistas ya no son de aplicación. Por eso se utiliza el factor de
concentración de tensiones (relación entre la tensión máxima aparecida y
la tensión nominal, sin discontinuidad). Este factor depende de la
discontinuidad de la pieza y no del material de la misma.
24
Unidad 2. Diseño por resistencia estática.
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
3
DISEÑO POR
RESISTENCIA A LA
FATIGA
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
3.1. El diagrama S-N ....................................................................................5
3.2. Factores que modifican el límite de fatiga ..........................................7
3.2.1. Acabado superficial..........................................................................7
3.2.2. Tamaño ...........................................................................................7
3.2.3. Temperatura ....................................................................................8
3.2.4. Concentración de tensiones.............................................................8
3.2.5. Efectos diversos ..............................................................................9
3.3. Esfuerzos fluctuantes.........................................................................10
3.4. Resistencia a la fatiga en el caso de esfuerzos fluctuantes ............11
♦ RESUMEN ................................................................................................13
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocimiento y análisis del diagrama S-N (resistencia por fatiga-ciclos de
carga).
• Estudio de los factores que pueden modificar el límite de fatiga de un
elemento de máquina.
• Conocimiento del concepto de esfuerzo fluctuante y estudio de la
resistencia a la fatiga por este tipo de esfuerzos.
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
Para obtener las propiedades de los materiales mediante un diagrama de
tensión-deformación, las cargas se aplicaban de forma gradual, dando
suficiente tiempo para que se desarrollase la deformación. La probeta,
también, se ensaya hasta que rompe, de manera que los esfuerzos se aplican
solo una vez (condiciones estáticas).
Sin embargo, ocurre frecuentemente que los esfuerzos varían o fluctúan entre
determinados valores. Por ejemplo, una fibra longitudinal de un eje sometido
a cargas de flexión, pasa por tensiones de tracción y compresión en cada
revolución del eje. Si el eje gira a 1.800 rpm, la fibra estará sometida a
tracción-compresión 1.800 veces por minuto. Estas cargas reciben el nombre
de fluctuantes.
Suele ocurrir que, en la rotura de una pieza sometida a cargas fluctuantes, las
cargas máximas aplicadas fueron inferiores a la resistencia última del material
y, muchas veces, aún menores que la resistencia de fluencia. La
característica de estas roturas ha sido que las cargas se repitieron muchas
veces y, en consecuencia, la rotura de denomina fallo por fatiga.
Los fallos por fatiga comienzan con una pequeña grieta, tan pequeña que es
inapreciable a simple vista e incluso con técnicas de inspección mecánica
(rayos X). Se produce esta grieta en un punto de discontinuidad del material
(cambio de sección, chavetero, orificio,…), o en grietas internas del material o
irregularidades originadas por el mecanizado.
Una vez que se forma la grieta, se produce el efecto de concentración de
tensiones, creciendo y extendiéndose rápidamente. Como la superficie
sometida a tensión va disminuyendo, la tensión va creciendo hasta que,
finalmente, se produce la rotura por la grieta.
Es decir, que la rotura por fatiga origina dos superficies características, una
debida a la progresión de la grieta y otra originada por la rotura repentina.
En el fallo por carga estática, la pieza sufre primero una deformación grande
(tensión superior a la tensión de fluencia). La pieza entonces debe sustituirse
antes de romper, pero esta anomalía es apreciable a simple vista. Pero en un
fallo por fatiga no se observa ninguna señal de la posible anomalía, la rotura
es repentina y total y, por lo tanto, peligrosa.
El diseño contra fallos estáticos es relativamente sencillo, pues los estudios
actuales son muy completos. Pero la rotura por fatiga es un fenómeno más
complicado, solo explicado parcialmente que puede dar lugar a la aplicación
de factores de seguridad altos, encareciendo el producto y haciéndole poco
competitivo.
4
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
3.1. EL DIAGRAMA S-N
Para determinar la resistencia de materiales frente a la fatiga, las probetas se
someten a fuerzas repetidas o variables de magnitud controlada y específica,
contándose los ciclos que soporta el material dichas fuerzas hasta su rotura.
El dispositivo para ensayos de fatiga más usado es la máquina de viga
rotatoria. Ésta somete a la probeta a flexión pura (no a cortante) por medio de
pesos. La probeta del ensayo se pule cuidadosamente, recibiendo un pulido
final en dirección axial para evitar rayaduras circunferenciales.
Para determinar la resistencia a la fatiga de un material es necesario un gran
número de pruebas debido a la naturaleza estadística de la fatiga. En el caso
del ensayo con la viga rotatoria (tracción-compresión alterna de las fibras), se
aplica una carga constante de flexión y se registra el número de revoluciones
de la viga hasta su rotura. La primera prueba se realiza con un esfuerzo algo
menor que la resistencia última del material; la segunda se lleva a cabo con
un esfuerzo menor que el utilizado en la primera. Este proceso continúa y los
resultados del ensayo se plasman en una gráfica, obteniéndose el diagrama
S-N (diagrama logarítmico) como el de la figura.
Ciclos bajos
Ciclos altos
Duración finita
Duración infinita
140
Resistencia a la fatiga,S
120
100
90
80
70
60
50
40
30
10 0
10 1
10 2
10 3
10 4
105
10 6
10 7
10 8
Número de ciclos de esfuerzo, N
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
5
Formación Abierta
La resistencia última a la fatiga (límite de fatiga) será la línea horizontal de la
derecha de la gráfica, en la que el material ya no rompe cualquiera que sea el
número de ciclos.
Se observa que en un ciclo de esfuerzos (N=1) consta de una aplicación (por
ejemplo, la tracción en la parte cóncava de la viga) y una supresión de la
carga, seguida de otra aplicación (la compresión en la parte convexa de la
viga) y otra supresión, pero en sentido contrario. Por lo tanto, N=1/2 significa
que solo hay aplicación de, por ejemplo, tracción y después se suprime
(ensayo simple a tracción), obteniéndose un límite de fatiga máximo (límite de
tracción).
Desde N=1/2 hasta N=103, se considera la zona de ciclos bajos, obteniéndose
límites de fatiga altos (fatiga de ciclos bajos). A partir de N=103, se obtiene la
fatiga de ciclos altos.
La ciencia todavía no ha podido explicar completamente el mecanismo real de
la fatiga (las últimas tendencias dicen que la rotura por fatiga se inicia en una
imperfección que crea una microgrieta, la cual, origina una concentración de
tensiones, las cuales van haciendo crecer la misma, hasta la rotura), pero el
ingeniero debe crear cosas que no fallen, utilizando la ciencia si ésta es
factible de utilizarse (bajo coste y resultados óptimos).
6
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
3.2. FACTORES QUE MODIFICAN EL LÍMITE DE
FATIGA
Se ha comentado que la probeta para ensayos de fatiga en máquina de viga
rotatoria para obtener el límite de fatiga, se elabora con mucho cuidado y es
ensayada en condiciones controladas en forma precisa. Es de esperar que el
límite de fatiga de un elemento mecánico estructural no resulte igual que el
obtenido en laboratorio.
Los factores que modifican el límite de fatiga son:
ƒ Acabado superficial.
ƒ Tamaño.
ƒ Temperatura.
ƒ Concentración de tensiones.
3.2.1. ACABADO SUPERFICIAL
La superficie de la probeta de un ensayo de fatiga está perfectamente pulida,
recibiendo un pulido final en dirección axial para eliminar rayaduras
circunferenciales. La mayor parte de los elementos de máquinas no tienen
esta calidad superficial.
Cabe decir, que cuanto mayor es el valor de Ra (medida de la rugosidad
superficial), menor es el límite de fatiga, ya que la rugosidad se puede
considerar como iniciadora de grietas. Por eso, cuando se diseña un
elemento de máquina para el cual existe probabilidad de fallo por fatiga, hay
que tener en cuenta el acabado superficial que se le dará.
3.2.2. TAMAÑO
El ensayo de fatiga con viga rotatoria se realiza con probetas de diámetros
7,5; 10 o 12,5 mm, por lo que, los elementos de máquinas con mayor
diámetro o diferente sección no tienen los valores obtenidos en los ensayos.
El ensayo de probetas grandes es costoso y, por eso, los datos son escasos
para tamaños mayores.
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
7
Formación Abierta
Existe una teoría que dice que todo fallo está relacionado con la probabilidad
de interacción de un esfuerzo intenso con un desperfecto crítico en un cierto
volumen. Cuando el volumen de la pieza es grande, existe mayor probabilidad
de encontrar un desperfecto, para un esfuerzo constante, por lo que la
probabilidad de fallo se incrementa.
Por lo tanto, cuanto mayor es el tamaño de las piezas, menor es la resistencia
a fatiga de las mismas.
3.2.3. TEMPERATURA
La temperatura cambia todas las propiedades mecánicas de un material. Las
altas temperaturas producen movilidad de las dislocaciones y reducen la
resistencia a fatiga en la mayoría de los materiales. Esta movilidad de las
dislocaciones origina que un proceso de fallo independiente del tiempo, se
transforme en un proceso de fallo dependiente del mismo (fallo por fatiga).
Además también intervienen factores relacionados con la plasticidad del
material al aumentar la temperatura.
3.2.4. CONCENTRACIÓN DE TENSIONES
Existen un gran número de elementos de máquinas que poseen agujeros,
ranuras, muescas o discontinuidades que alteran la distribución de las
tensiones (concentración de tensiones).
Se define el factor de concentración de esfuerzo en el caso de fatiga (Kf)
como:
Kf =
Límite de fatiga de probetas sin discontinuidades
Límite defatiga de probetas con discontinuidades
Ocurre, que en materiales frágiles, la sensibilidad a las discontinuidades
desde el punto de vista de la fatiga es muy baja (Kf ≈ 1).
8
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
3.2.5. EFECTOS DIVERSOS
Los efectos residuales pueden servir para mejorar el límite de resistencia a la
fatiga o para afectarlo negativamente.
Cuando el esfuerzo residual es de compresión, se mejora el límite de fatiga,
ya que el fallo por fatiga siempre ocurre por esfuerzos de tracción, por lo que,
todo lo que sea reducir el esfuerzo de tracción, disminuirá la posibilidad de
fallo por fatiga. En operaciones como el graneado con perdigones, martillado
o laminado en frío, que originan esfuerzos de compresión en la superficie de
la pieza y ayudan a mejorar el límite de fatiga, siempre y cuando el material
no se trabaje en exceso.
El límite de fatiga de piezas formadas a partir de barras o láminas (estirado o
laminación), o forjadas, se pueden ver afectadas por la direccionalidad de la
operación de formado. Por ejemplo, en elementos laminados o estirados se
tiene un límite de fatiga en dirección transversal de entre un 10 y un 20%
menor que el límite respectivo en dirección longitudinal.
Es de esperar que, en piezas que funcionan en ambientes corrosivos, se
produzca una disminución del límite de fatiga, esto se debe al ataque de la
superficie por el material corrosivo que da lugar al origen de grietas.
Los recubrimientos metálicos, como el cromado o niquelado, reducen el límite
de fatiga hasta en un 50%. El galvanizado (revestimiento con zinc) no influye
en el límite de fatiga.
En cuanto a la frecuencia del esfuerzo cíclico, en condiciones normales, no
influye en el límite de fatiga, pero cuando existe corrosión o temperaturas
elevadas si influye: cuanto menor sea la frecuencia del esfuerzo y mayor sea
la temperatura, tanto mayor será la propagación de las grietas y menor el
límite de fatiga.
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
9
Formación Abierta
3.3. ESFUERZOS FLUCTUANTES
Hasta ahora se han tratado los esfuerzos cíclicos (valor positivo y negativo,
pasando por el valor cero, por ejemplo, tracción-compresión) en las piezas y
su relación con el límite de fatiga. Los esfuerzos fluctuantes son aquellos
que varían cíclicamente en su valor pero manteniendo siempre el mismo
signo, sin pasar por el valor cero (por ejemplo, tracción máxima-tracción
mínima).
Con este planteamiento, existirán unas componentes del esfuerzo:
σmín = esfuerzo mínimo.
σmáx = esfuerzo máximo.
σa = amplitud de esfuerzo.
σm = esfuerzo medio.
σs = esfuerzo estático.
El esfuerzo estático no es el mismo que el esfuerzo medio. Puede tener
cualquier valor entre σmín y σmáx. El esfuerzo estático existe debido a una
carga o precarga fija, constante en el tiempo, aplicada a la pieza y suele ser
independiente de la parte variable de la carga. Por ejemplo, un resorte
helicoidal de compresión siempre trabaja colocado en un espacio de longitud
menor que la del resorte libre. El esfuerzo originado es el estático.
10
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
3.4. RESISTENCIA A LA FATIGA EN EL CASO DE
ESFUERZOS FLUCTUANTES
Una vez definidas las componentes del esfuerzo actuantes en el trabajo de un
elemento de máquina sometido a esfuerzo fluctuante, vamos a definir el
Diagrama de Goodman, que refleja de forma gráfica el ensayo de fatiga con
esfuerzo fluctuante.
A
Su
B
er
zo
m
ín
im
o
i
áx
m
rzo
fue
s
io
E
ed
m
zo
r
e
fu
Es
Es
fu
Tracción
Se
mo
0
Compresión
Esfuerzo
Sy
Sy
Su
Esfuerzo medio
σm
Límite de rotura
Límite elástico
Se Límite de fatiga
Figura 3.1. Diagrama de goodman
En este primer diagrama, el esfuerzo medio es abscisa y las demás
componentes son ordenadas, considerando la tracción en dirección positiva
del eje vertical. La resistencia a tracción (Su), el límite elástico (Sy) o el límite
de fatiga (Se) se llevan como ordenadas por encima o por debajo del origen.
La línea de esfuerzo medio es una recta a 45º, que va del origen al punto A,
que representa la resistencia a la tracción de la pieza. El diagrama de
Goodman modificado consiste en las rectas trazadas desde el punto A hasta
Se, arriba y abajo del origen.
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
11
Formación Abierta
Su
Paralelas
σmín
0
zo
er
u
f
Es
io
Es
fu
er
zo
Se
ed
m
o
zo
er
fu
s
E
o
im
áx
m
ín
im
σmáx
m
Sy
σm
Sy
Su
Límite de rotura
Límite elástico
Se
Límite de fatiga
Figura 3.2. Diagrama de goodman modificado
El segundo diagrama de Goodman modificado es más real que el primero.
Cuando el esfuerzo medio es de compresión, el fallo se define por las dos
líneas gruesas paralelas que parten de +Se y -Se, y se han trazado hacia
abajo y a la izquierda. Cuando el esfuerzo medio es de tracción, el fallo se
define por la línea de esfuerzo máximo o por el límite elástico, según lo indica
el contorno de línea gruesa a la derecha del eje de las ordenadas.
El diagrama de Goodman modificado es útil para el análisis, cuando todas las
dimensiones de la pieza se conocen y se pueden calcular fácilmente las
componentes del esfuerzo; pero es bastante difícil emplearlo en el diseño, es
decir, cuando no se conocen las dimensiones.
12
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
• El fallo por fatiga de un material se produce cuando, estando las cargas
aplicadas por debajo de la resistencia última del material, éstas se aplican
de forma cíclica durante un largo periodo de tiempo. El fallo se produce
como consecuencia de la aparición de una pequeña grieta en cualquier
imperfección del material, la cual va creciendo hasta romperse la pieza.
• La relación entre la resistencia a la fatiga (valor de la carga cíclica
aplicada) y el número de ciclos aplicados, se representa en un Diagrama
S-N. En él, se obtiene el Límite de Fatiga de una pieza o material, que el
valor de la carga cíclica aplicada que hace romper la pieza después de un
número de ciclos infinito.
• Este límite de fatiga puede verse alterado por el acabado superficial y el
tamaño de la pieza, la temperatura a la que está sometida y la geometría
de la misma (concentración de tensiones), así como por otros factores.
• Otra forma de actuar las cargas y que influye en el límite de fatiga es,
cíclicamente, pero con valores del mismo signo, es decir, sin pasar por el
valor cero (cargas fluctuantes).
Unidad 3. Diseño por resistencia a la fatiga.
13
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
4
RESORTES MECÁNICOS
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
4.1. Resortes helicoidales ...........................................................................5
4.1.1. Esfuerzos en resortes helicoidales...................................................5
4.1.2. Deformaciones de resortes helicoidales...........................................8
4.2. Resortes de tensión ...........................................................................10
4.3. Diseño de resortes helicoidales ........................................................12
4.4. Cargas de fatiga..................................................................................13
♦ RESUMEN ................................................................................................15
Unidad 4. Resortes mecánicos.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocimiento de los distintos tipos de resortes mecánicos.
• Estudio de los resortes helicoidales: esfuerzos y deformación.
• Estudio de resortes de tracción.
• Conocer los diferentes aspectos del diseño de los resortes helicoidales.
Unidad 4. Resortes mecánicos.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
Los resortes mecánicos se utilizan en las máquinas con objeto de ejercer
fuerzas, proporcionar flexibilidad y almacenar o absorber energía. En general
se clasifican en: de alambre, planos, o con formas especiales. Los de alambre
incluyen los resortes helicoidales de sección circular (se fabrican con el fin
de resistir cargas de tracción, compresión o torsión), los resortes
helicoidales de extensión y los resortes de torsión. Dentro de los planos
se incluyen los tipo de cantiléver y elípticos, los muelles arrollados de tipo
reloj y muelles planos en forma de arandela.
Resorte Helicoidal
Resorte Helicoidal
de extensión
Figura 4.1.
4
Tipos de resortes
Unidad 4. Resortes mecánicos.
Resorte de torsión
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
4.1. RESORTES HELICOIDALES
Los resortes helicoidales son elementos mecánicos que se montan entre dos
partes mecánicas de una máquina con el fin de amortiguar impactos o de
almacenar energía y devolverla cuando sea requerida. Consisten en un
arrollamiento de espiras de alambre, generalmente de sección circular, pero
también de sección cuadrada y rectangular.
4.1.1. ESFUERZOS EN RESORTES HELICOIDALES
La figura (izquierda) a continuación representa un resorte helicoidal de
compresión de alambre redondo cargado con una fuerza F. El diámetro medio
del resorte es D y el diámetro del alambre es d. Si se secciona el resorte en
un punto (figura derecha), se separa una parte y se sustituye por el efecto de
las fuerzas internas, la parte seccionada ejercería una fuerza cortante directa
F y un momento de torsión T en el resto del resorte.
Para visualizar la torsión, se puede pensar en una manguera de jardín
enrollada en espiral e imaginar que se tira del extremo libre de ella en
dirección perpendicular al plano del rollo. A medida que cada vuelta de la
manguera se saca de la espiral, se tuerce o gira sobre su propio eje. En el
resorte ocurre lo mismo al comprimirlo.
F
F
d
F
F
T
D
Figura 4.2.
Resorte helicoidal de compresión
Unidad 4. Resortes mecánicos.
5
Formación Abierta
Realizando una superposición, se obtiene una tensión máxima en el alambre
del resorte de valor:
τ=
8FD 4F
+
πd3 πd2
Se define ahora el índice del resorte, como una medida de la curvatura de
las vueltas:
C=
D
d
Por lo tanto,
τ=
8FD ⎡
d ⎤ 8FD ⎡
1 ⎤ 8FD ⎡ 0,5 ⎤
1+
=
1+
=
1+
3 ⎢
3 ⎢
⎥
C ⎥⎦
πd ⎣ 2D ⎦ πd ⎣ 2C ⎥⎦ πd3 ⎢⎣
τ = KS
8FD
πd3
(1)
Donde Ks es el factor de multiplicación del esfuerzo cortante. En la mayor
parte de los resortes C varía desde aproximadamente 6 hasta 12. Esta
ecuación proporciona la tensión cortante máxima en el alambre, que se
produce en la fibra del lado interior del resorte.
Esta ecuación se puede expresar de la siguiente forma,
τ=K
8FD
πd3
( 2)
Donde K es el factor de corrección de Wahl, que incluye el cortante directo
(F+T) y cualquier otro efecto debido a la curvatura del resorte. La curvatura
del alambre aumenta el esfuerzo por la parte interior del resorte pero lo
disminuye ligeramente en la exterior (ver figura).
K=
6
4C − 1 0,615
+
4C − 4
C
Unidad 4. Resortes mecánicos.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
d
d
(a) Tensión cortante torsional pura (T)
Figura 4.3.
(b) Tensión cortante directa (F)
Tensiones en un resorte helicoidal
Eje del
resorte
Eje del
resorte
d
d
D/2
D/2
Tensión resultante (a)+(b)
Figura 4.4.
Tensión resultante (a)+(b)+curvatura (K)
Tensiones en un resorte helicoidal
Las investigaciones revelan que la tensión cortante por curvatura está
concentrada en la parte interior del resorte. Los resortes sometidos sólo a
cargas estáticas, sufrirán fluencia en la fibra interior y aliviarán esta tensión.
Por lo tanto, en estos resortes sometidos a cargas estáticas, se puede
despreciar la tensión por curvatura y utilizar la ecuación (1).
Unidad 4. Resortes mecánicos.
7
Formación Abierta
4.1.2. DEFORMACIONES DE RESORTES HELICOIDALES
Para obtener la ecuación de la deformación de un resorte helicoidal se
considerará un elemento de alambre determinado por dos secciones
transversales próximas. La figura muestra tal elemento, de longitud dx,
separado de un alambre de diámetro d.
dx
d
b
a
γ
gdx
dα
c
Figura 4.5. Elemento diferencial de alambre de resorte
Se considerará el segmento ab de la superficie del alambre y paralelo al eje
del mismo. Debido a la carga, girará un ángulo γ hasta ocupar la nueva
posición ac. De la deformación transversal (Hooke), y tomando la ecuación (2)
con K=1,
γ=
τ
8FD
= 3
G πd G
(3)
La distancia bc es γdx, y el ángulo dα que gira una sección transversal con
respecto a otra, es:
dα =
γdx 2 γdx
=
d/ 2
d
( 4)
Si el número de vueltas o espiras activas del resorte es N, la longitud total del
alambre será πDN. Sustituyendo γ de la ecuación (3) en la ecuación (4) e
integrando en toda la longitud del alambre,
∫
πDN 28
0
d
dx =
∫
πDN 16 FD
0
π d4G
dx =
16 F D2 N
d4 G
La carga F tiene un brazo de palanca de D/2, por lo que la deformación total
del resorte será:
8
Unidad 4. Resortes mecánicos.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
y=α
D 8FD3N
= 4
2
dG
Para hallar la constante del resorte hay que usar la ecuación k=F/y, y sustituir
el valor de y obtenido:
k=
d4G
8D3N
(5)
Unidad 4. Resortes mecánicos.
9
Formación Abierta
4.2. RESORTES DE TENSIÓN
Los resortes de tensión (o extensión), que se muestran en la figura, disponen
de medios para transmitir la carga desde el soporte hasta el cuerpo del
resorte (tapón roscado o gancho giratorio, más caros), como son los extremos
de gancho de la figura, por lo que hay que tener en cuenta al diseñarlos el
efecto de concentración de tensiones.
Gancho alzado
Media espira
Figura 4.6. Resortes de tensión
Cuando los resortes de tensión se fabrican con sus espiras en contacto, se
dice que son del tipo cerrado. Los fabricantes imparten una cierta tensión
inicial a estos resortes con objeto de mantener la longitud libre de manera
más precisa. La tensión inicial se origina en el proceso de enrollado o
bobinado, torciendo el alambre a medida que se enrolla en el mandril
formador. Cuando el resorte se termina y se retira del formador, la tensión
inicial queda incorporada debido a que éste no puede hacerse más corto.
La dirección de los esfuerzos puede visualizarse observando la figura: en (a),
el bloque A simula el efecto de las espiras apiladas y la longitud libre del
resorte es L cuando no se le aplica ninguna fuerza externa. En (b), se
considera aplicada una fuerza externa F que origina que el resorte se alargue
o extienda la distancia y. En (c), se muestra la relación entre la fuerza externa
y el alargamiento del resorte; se observa que F debe exceder la tensión inicial
(Fi) del resorte antes que se experimente una deformación total y.
10
Unidad 4. Resortes mecánicos.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
F
F
y
L
k
Fi
A
y
F
Figura 4.7. Resorte de tensión
Unidad 4. Resortes mecánicos.
11
Formación Abierta
4.3. DISEÑO DE RESORTES HELICOIDALES
El diseño de un resorte nuevo comprende las siguientes consideraciones:
ƒ El espacio en que debe adaptarse y operar.
ƒ Valor de las fuerzas y las deformaciones que se producirán.
ƒ Precisión y fiabilidad necesarias.
ƒ Tolerancias y variaciones permisibles de las especificaciones.
ƒ Condiciones ambientales, como temperatura y ambiente corrosivo.
El diseñador utiliza estos factores citados con el fin de seleccionar y
especificar los valores adecuados para el tamaño del alambre, el número de
espiras, el diámetro y la longitud libre, el tipo de extremos, el material y el
módulo de resorte necesarios para satisfacer los requisitos de fuerza y
alargamiento-contracción de trabajo.
Debido al gran número de variables dependientes, el problema es complejo y,
por eso, existen simplificaciones del problema del diseño de resortes
mediante gráficas. Estas gráficas están destinadas a utilizarse con las dos
ecuaciones fundamentales vistas [(2) y (5)], y en ellas se utilizan líneas
verticales y horizontales para los distintos parámetros de diseño.
12
Unidad 4. Resortes mecánicos.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
4.4. CARGAS DE FATIGA
Los resortes casi siempre están sometidos a cargas cíclicas, por lo que casi
siempre se fabrican para trabajo en condiciones de fatiga. En muchos casos,
el número de ciclos de vida requeridos puede ser pequeño, por ejemplo,
varios miles para un resorte de candado o para un interruptor eléctrico de
palanquilla; pero el de una válvula de motor de combustión interna alternativo
de automóvil debe soportar millones de ciclos de operación sin fallo alguno,
de manera que deben diseñarse para una duración infinita.
Comúnmente, cuando se trata de ejes y de otros elementos de máquinas, la
carga de fatiga se considera de esfuerzos invertidos (±, tracción-compresión,
por ejemplo) de forma alternada. Por otra parte, los resortes helicoidales
nunca se usan al mismo tiempo como resortes de tensión y de compresión.
De hecho, por lo general se montan con una precarga que hace que su
longitud inicial disminuya para, una vez colocados se vean sometidos a
esfuerzos fluctuantes de compresión (un solo signo) donde la carga mínima
es mayor que cero siempre.
σ
σ máx
σa
σr
σa
σmín
σm
O
t
Figura 4.8. Esfuerzo fluctuante de compresión
En el análisis de resortes para determinar la causa de un fallo por fatiga o en
el diseño de aquéllos destinados a resistirla, es conveniente aplicar el factor
de multiplicación del esfuerzo cortante, Ks, tanto a la tensión media τm, como
a la amplitud del esfuerzo τa.
Unidad 4. Resortes mecánicos.
13
Formación Abierta
Definimos entonces:
Fa =
Fmáx − Fmín
2
Fm =
Fmáx + Fmín
2
Donde los subíndices tienen el mismo significado que los de la figura cuando
se plica una fuerza axial F al resorte. Así, las tensiones originadas en el
alambre serán, aplicando la ecuación (1),
τa = K S
8FD
πd3
τm = K S
8FD
πd3
El fallo en torsión ocurrirá siempre que,
ƒ τa = límite de resistencia a la fatiga por torsión
o bien si
ƒ τmáx = τm + τa = límite de resistencia de fluencia por cortadura
(torsión)
Los mejores datos acerca de los límites de fatiga a la torsión de aceros para
resortes son los que elaboró Zimmerli, que descubrió que el tamaño, el
material y la resistencia a la tracción no influyen en el límite de resistencia a la
fatiga (sólo en vida infinita) de aceros para resortes en tamaños inferiores a
D=10 mm.
14
Unidad 4. Resortes mecánicos.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
• Al aplicar una carga paralela al eje en un resorte helicoidal, se produce
una tensión cortante en el alambre, debida a la propia fuerza y al
momento de torsión que se origina. Esta tensión cortante depende de la
fuerza aplicada, del diámetro del resorte, del diámetro del alambre y de la
curvatura del resorte (relación entre los diámetros, del resorte y del
alambre).
• También se produce en el resorte una deformación que depende de la
fuerza aplicada, del diámetro y del número de espiras del resorte, del
diámetro del alambre y del módulo de elasticidad transversal del material.
• Cuando un resorte es sometido a cargas fluctuantes (lo normal en un
resorte), se tendrá en cuenta, tanto la tensión cortante máxima, como la
tensión cortante media.
Unidad 4. Resortes mecánicos.
15
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
5
COJINETES DE
RODAMIENTO Y
COJINETES DE
FRICCIÓN
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
5.1. Cojinetes de rodamiento ......................................................................5
5.1.1. Tipos de cojinetes de rodamiento ....................................................5
5.1.1.1. Cinemática de rodamientos radiales ............................................9
5.1.1.2. Cinemática de rodamientos de apoyo angular............................10
5.1.2. Vida y carga en cojinetes de rodamiento .......................................11
5.1.3. Selección de rodamientos de bolas y de rodillos cilíndricos ...........14
5.1.4. Lubricación de rodamientos ...........................................................19
5.2. Cojinetes de fricción ..........................................................................21
5.2.1. Lubricación ....................................................................................21
5.2.2. Tipos de lubricación.......................................................................21
5.2.3. Viscosidad .....................................................................................23
5.2.4. Ley de petroff.................................................................................24
5.2.5. Teoría de la lubricación hidrodinámica...........................................25
5.2.6. Factores de diseño ........................................................................31
5.2.7. Relación entre las variables ...........................................................32
♦ RESUMEN ................................................................................................33
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocer los diferentes tipos de rodamientos que existen, sus
características principales, sus funciones, su cinemática, la relación entre
la carga que soportan y su vida útil, así como los criterios a seguir para la
elección entre rodamiento de bolas o de rodillos cilíndricos, y la lubricación
correcta de los mismos.
• Conocer los diferentes tipos de lubricación, el concepto de viscosidad de
un lubricante y la teoría sobre la lubricación hidrodinámica.
• Estudiar los factores de diseño de un cojinete de fricción y la relación
existente entre ellos.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
Un cojinete es la pieza o conjunto de ellas sobre las que se apoya y gira el eje
o árbol transmisor de movimiento giratorio de una máquina. Dependiendo del
tipo de contacto entre el eje y el cojinete, éste puede ser cojinete de
rodamiento (rodamiento) y cojinete de fricción.
4
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
5.1. COJINETES DE RODAMIENTO
La expresión cojinete de rodamiento se emplea para describir aquellos
rodamientos en los que la carga principal se transmite a través de elementos
que están en contacto de rodadura y no de deslizamiento (a través de bolas,
rodillos,…).
En un cojinete de rodamiento, la fricción inicial (arranque) es
aproximadamente el doble de la que hay a la velocidad de funcionamiento y,
por lo tanto, es despreciable en comparación con la de un cojinete de
deslizamiento.
El diseño de este tipo de rodamientos plantea el problema de diseñar un
elemento que se acomode en un espacio de dimensiones especificadas, que
reciba una carga de determinadas características y, finalmente, que tenga
propiedades que le permitan tener una vida satisfactoria trabajando en
determinadas condiciones de servicio. Por lo tanto, hay que tener en cuenta
factores como cargas de fatiga, rozamiento, calentamiento, resistencia a la
corrosión, problemas cinemáticos, propiedades de los materiales, lubricación,
tolerancias dimensionales, ensamble, utilización y coste.
5.1.1. TIPOS DE COJINETES DE RODAMIENTO
Los cojinetes de rodamiento se fabrican para soportar cargas radiales
(perpendiculares al eje), axiales (paralelas al eje) o una combinación de
ambas.
En la figura se ha representado un cojinete de bolas y puede observarse la
nomenclatura de todas sus partes.
Se compone de cuatro partes esenciales: anillo exterior, anillo interior, bolas y
separador. A veces, en los cojinetes de menor calidad, se suprime el
separador, cuya función es la de separar los elementos rodantes (bolas) para
que no exista contacto entre ellos.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
5
Formación Abierta
Ancho
Radio de borde
Hombros
Diámetro interior
Diámetro exterior
Radio de borde
Pista del anillo exterior
Pista del anillo interior
Separador
Figura 5.1. Características de un rodamiento de bolas
Los rodamientos se pueden clasificar:
• Según la dirección de la carga:
ƒ Radiales: carga perpendicular al eje.
ƒ Axiales: carga paralela al eje.
ƒ Mixtos: la carga es oblicua y permiten desplazamientos de un anillo
respecto al otro.
• Según el elemento de soporte:
ƒ Anillos: radiales.
ƒ Discos: axiales.
• Según el elemento rodante:
ƒ Bolas.
ƒ Rodillos: cilíndricos (agujas L/D>2,5), para carga axial o carga radial
únicas. Cónicos, para cargas axial y radial combinadas.
6
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
En la figura siguiente pueden observarse algunos tipos de rodamientos.
A
B
F
C
D
G
E
H
I
Figura 5.2. Tipos de rodamientos
A) Los cojinetes de ranura profunda y una sola hilera de bolas soportan
carga radial y cierta carga axial. Para introducir las bolas en las ranuras,
se desplaza el anillo interior a una posición excéntrica, luego se separan
(después de ponerlas todas) y se coloca el separador.
B) Cuando se emplea una ranura de llenado en los anillos interior y exterior,
se logra introducir un mayor número de bolas y aumentar la capacidad de
carga del cojinete; sin embargo, cuando existen cargas axiales,
disminuye su capacidad a las mismas por el choque de las bolas contra
los bordes de la ranura.
C) El cojinete de contacto angular tiene mayor capacidad frente a cargas
axiales.
Todos estos rodamientos pueden disponer cubiertas o sellos de
protección en uno o en ambos lados. Estas cubiertas no proporcionan un
cierre perfecto, pero sí ofrecen una buena protección contra el polvo y la
suciedad. En este caso de disponer de sello o cubierta, se lubrican en
fábrica. Supuestamente, un cojinete sellado está lubricado de por vida, a
veces se cuenta con un medio de relubricación.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
7
Formación Abierta
D) Los cojinetes con una sola hilera de bolas resisten cierto grado de
desalineamiento o desviación del eje, pero si tal efecto es muy intenso,
deben usarse cojinetes autoalineantes.
E) Los cojinetes de doble hilera de bolas pueden obtenerse en diversos
tipos y tamaños para soportar mayores cargas radiales y axiales. A
veces, con este mismo fin, se usan dos cojinetes juntos de una sola fila
de bolas aunque, en general, los de doble hilera requieren menos partes
y ocupan menos espacio.
F) Los rodamientos de bolas diseñados para soportar empuje en una sola
dirección, se fabrican también de muchos tipos y tamaños.
G) Los de rodillos cilíndricos soportan más carga que los de bolas del mismo
tamaño por su mayor superficie de contacto. Sin embargo, tienen la
desventaja de que requieren una configuración geométrica casi perfecta
en las pistas y rodillos. Un ligero desalineamiento hace que éstos pierdan
su posición correcta. Por supuesto, éstos no soportan carga axial.
H) Los cojinetes de agujas son muy útiles cuando se cuenta con espacio
radial limitado. Tienen gran capacidad de carga cuando llevan
separadores.
I)
8
En los cojinetes de rodillos cónicos se combinan las ventajas de los
cojinetes de bolas y de los de rodillos cilíndricos, ya que pueden soportar
carga radial, axial o una combinación de ambas. Además, tienen la gran
capacidad de carga de los cojinetes de rodillos cilíndricos. Estos cojinetes
de rodillos cónicos se diseñan de manera que todas las generatrices de
la superficie cónica de los rodillos y de las pistas, se cortan en un punto
común del eje del cojinete.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
5.1.1.1. CINEMÁTICA DE RODAMIENTOS RADIALES
En la figura siguiente se puede observar un rodamiento de bolas acoplado en
un eje y en el soporte correspondiente.
1
ω21
2
ω21
Vc
−ω21
d
ω32
3
3
ri
ωc
rc
re
ω31
Figura 5.3. Cinemática de un rodamiento de bolas radial
Anillo exterior (1) fijo.
Bola (2)
Anillo interior (3) solidario con el eje.
ω31=velocidad del eje (3)
ω32=velocidad relativa de (2) con (3)
ω21=velocidad de la bola (3)
Vc=velocidad de traslación de las bolas
Se cumple que:
ω31 = ω32 + ω21
Tomando momentos respecto al punto de contacto 2-3:
ϖ21 d = ϖ31 ri → ϖ21 =
ri
ϖ31 (velocidad de rotación de la bola alrededor de su
d
propio eje)
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
9
Formación Abierta
La velocidad de traslación de las bolas (o del separador) será:
Vc = ϖc rc = ϖ21
d ri
d r
r
= ϖ31 = i ϖ31 ⇒ Vc = i ϖ31
2 d
2 2
2
ϖc =
rj
2rc
ϖ 31
Generalmente,
ϖc =
2
ϖ31
3
5.1.1.2. CINEMÁTICA DE RODAMIENTOS DE APOYO ANGULAR
En la figura siguiente se puede observar un rodamiento de apoyo angular de
bolas acoplado en un eje y en el soporte correspondiente. Este tipo de
rodamientos se usan cuando se prevé que existan cargas angulares y, en
ellos, es posible el desplazamiento de los anillos uno respecto a otro.
1
ω''21
ω'21
2
3
ω 21
ω32
ω31
ω 21
Figura 5.4.
10
Cinemática de un rodamiento de bolas angular
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Anillo exterior (1) fijo.
Bola (2)
Anillo interior (3) solidario con el eje.
ω31=velocidad del eje (3)
ω´21=rotación de la bola alrededor de su propio eje
ω”21=velocidad de pivotamiento de la bola (3)
Se cumple también que:
ω31 = ω32 + ω21
Y además,
ω21 = ω´21 + ω”21
En un rodamiento mal diseñado, en el apoyo de menor rozamiento de la bola
desaparece el pivotamiento y se produce en su totalidad en el otro apoyo. Por
lo tanto, las curvas-superficies de rodadura se diseñan de tal manera que las
tangentes en los apoyos se cortan en el eje del árbol de transmisión (como en
la figura).
5.1.2. VIDA Y CARGA EN COJINETES DE RODAMIENTO
Al rodar la bola o el rodillo de un cojinete de rodamiento en la zona de carga
se producen esfuerzos en el anillo interior, en el elemento rodante y en el
anillo exterior. Si un cojinete de rodamiento se limpia y lubrica correctamente,
se instala y sella contra la entrada de polvo y suciedad, se conserva en esta
condición y se hace trabajar a temperaturas razonables, entonces la fatiga del
material será la única causa posible de fallo. Como esta fatiga implica muchos
millones de aplicaciones de esfuerzo en el tiempo de trabajo durante el
funcionamiento, se utiliza generalmente la expresión vida del cojinete.
La vida media (L10) o vida nominal de un cojinete de rodamiento se define
como el número total de revoluciones u horas de trabajo, a una velocidad
constante dada, que superarán el 90% de un grupo de rodamientos iguales
antes que aparezcan síntomas de fatiga. El fallo por fatiga en un cojinete de
rodamiento se manifiesta como agrietamiento o descascarado de las
superficies de rodadura (bolas y anillos).
L10 (rev) = K
1
Pª
( *)
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
11
Formación Abierta
Donde:
K
Coeficiente de proporcionalidad.
P
Carga que soporta el rodamiento.
a
Constante (bolas, a=3; rodillos, a=10/3).
Se define capacidad dinámica de carga (C) como la carga que, soportada
por un grupo de rodamientos iguales, produce una duración nominal de 106
revoluciones. La vida nominal de un millón de revoluciones es un valor base
elegido por facilidad de cálculo. La carga nominal correspondiente para
alcanzar esa vida, es tan alta, que se produciría deformación plástica en las
superficies de contacto de los elementos rodantes. En consecuencia, la
capacidad dinámica de carga es simplemente un valor de referencia, y no se
llegará a aplicar una tan grande.
106 = K
1
Cª
( * ) L10 ( rev ) = 106
Cª
1
Cª
= 106
Pª
Pª
O también,
C = P L1/a (L en millones de revoluciones)
Por ejemplo, si se desea una vida de 27 millones de revoluciones para un
cojinete de bolas, la capacidad dinámica de carga deberá ser
C = P (27)1/3 = 3P
Es decir, 3 veces la carga aplicada.
Para obtener la vida en horas:
L10 (h ) =
L10 ( h) =
12
L10 (rev )
N (rev / min ) 60 (min/ h )
donde N es la velocidad de giro
106 Cª
60N Pª
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Se define carga dinámica equivalente de un cojinete de rodamiento a la
carga radial o axial, según el rodamiento, que aplicado a éste, le provocaría
una vida nominal igual a la que le producirían las cargas realmente aplicadas.
Este es un dato que aparece en las características propias de cada
rodamiento (tablas).
Experimentalmente se ha demostrado que dos rodamientos idénticos,
probados con cargas diferentes P1 y P2, tienen vidas L1 y L2, respectivamente,
estando relacionadas de la siguiente forma.
L1 ⎛ P2 ⎞
=⎜ ⎟
L 2 ⎝ P1 ⎠
a
Donde:
a=3
Para cojinetes de bolas.
a=10/3
Para cojinetes de rodillos.
Ejemplo 1
Se trata de seleccionar un cojinete de rodillos que soporte una carga radial de
4 kN y que tenga una vida nominal L10 de 1.200 horas a una velocidad de 600
rpm.
• Solución:
P=4 kN, L10=1200 h, a=10/3, N=600 rpm
L10 ( h ) =
106 Cª
60N Pª
(L10
C=
60 N)10 P
3
3
6 10
(10 )
3
(1200 ⋅ 60 ⋅ 600 )10 4 = 12,38kN
=
3
6 10
(10 )
Con este dato, se iría a las tablas de los rodamientos y se buscaría, para
las características requeridas, el que tuviera un valor de la capacidad
dinámica de carga obtenido (12,38 daN), o menor.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
13
Formación Abierta
5.1.3. SELECCIÓN DE RODAMIENTOS DE BOLAS Y DE RODILLOS
CILÍNDRICOS
A excepción de los rodamientos para carga axial pura, los rodamientos de
bolas y rodillos cilíndricos trabajan generalmente con una combinación de
cargas axial y radial. La capacidad de los rodamientos en los catálogos están
basadas solo en carga radial, por eso conviene definir una carga radial
equivalente, Fe, que tenga el mismo efecto en la vida del rodamiento que las
aplicadas realmente. Se recomienda que la carga radial equivalente sea el
mayor valor obtenido en:
Fe = V Fr
Fe = XV Fr + Y Fa
Donde:
Fe
Carga radial equivalente.
Fr
Carga radial aplicada.
Fa
Carga axial aplicada.
V
Factor de rotación.
X
Factor radial.
Y
Factor axial.
El factor de rotación V sirve para corregir por las diversas condiciones del
anillo giratorio. Para un anillo interior rotatorio, V=1, y para un anillo exterior
móvil, V=1,2 (la vida de fatiga se reduce en estas condiciones).
Los factores X e Y dependen de la configuración geométrica del rodamiento,
del número de bolas y del diámetro de éstas. Cuando de obtienen
teóricamente los valores X e Y, las curvas resultantes se pueden aproximar
mediante dos rectas, por eso se dan dos valores para estas constantes,
cogiéndose el grupo de valores que dé la mayor carga equivalente.
Factores de carga radial equivalente
Tipos de cojinetes de bolas
X1
Y1
X2
Y2
De contacto radial
1
0
0,5
1,4
De contacto angular con ángulo suave
1
1,25
0,45
1,2
De contacto angular con ángulo fuerte
1
0,75
0,4
0,75
De doble fila
1
0,75
0,63
1,25
14
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Las normas y los diferentes fabricantes de rodamientos establecen
dimensiones límites estándar para los rodamientos, las cuales definen el
diámetro interior, el exterior, el ancho y los radios de borde. Para, por
ejemplo, un diámetro interior dado, existen diversos anchos y diámetros
exteriores.
Los rodamientos se designan por un número de dos dígitos (clave). El primer
número del símbolo procede de la serie de anchos: 0, 1, 2, 3, 4, 5 y 6. El
segundo número corresponde a la serie de diámetros exteriores: 0, 1, 2, 3 y 4.
Cómo el símbolo de series no indica directamente las dimensiones, es
necesario recurrir a tablas.
0
1
2
3
4
r
3
Serie de
diámetros
Diám. ext. DE
33
31
32
30
23
22
21
13
12
10
03
04
02
Diám. int. DI
Serie de
dimensiones
00
2
1
0
Figura 5.5.
Nomenclatura de los rodamientos
Ejemplos de tablas de rodamientos son:
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
15
Formación Abierta
Dimensiones y capacidad dinámica de carga de rodamientos de bolas serie 02
DIÁMETROS
HOMBRO mm
mm
RADIO
BORDE
mm
dS (int.)
AL CAP.
DINÁM.
CARGA kN
dH (ext.)
30
9
0,6
12,5
27
3,58
12
32
10
0,6
14,5
28
5,21
15
35
11
0,6
17,5
31
5,87
17
40
12
0,6
19,5
34
7,34
20
47
14
1,0
25
41
9,43
25
52
15
1,0
30
47
10,8
30
62
16
1,0
35
55
14,9
35
72
17
1,0
41
65
19,8
40
80
18
1,0
46
72
22,5
45
85
19
1,0
52
77
25,1
50
90
20
1,0
56
82
26,9
55
100
21
1,5
63
90
33,2
60
110
22
1,5
70
99
40,3
65
120
23
1,5
74
109
44,1
70
125
24
1,5
79
114
47,6
75
130
25
1,5
86
119
50,7
80
140
26
2,0
93
127
55,6
85
150
28
2,0
99
136
64,1
90
160
30
2,0
104
146
73,9
95
170
32
2,0
110
156
83,7
DI
DE
ANCHO
mm
mm
10
16
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Dimensiones y capacidad dinámica de carga de rodamientos de bolas serie 03
DIÁMETROS
HOMBRO mm
mm
RADIO
BORDE
mm
dS (int.)
AL CAP.
DINÁM.
CARGA kN
dH (ext.)
35
11
0,6
12,5
31
6,23
12
37
12
1,0
16
32
7,48
15
42
13
1,0
19
37
8,72
17
47
14
1,0
21
41
10,37
20
52
15
1,0
25
45
12,24
25
62
17
1,0
31
55
16,2
30
72
19
1,0
37
65
21,6
35
80
21
1,5
43
70
25,6
40
90
23
1,5
49
80
31,4
45
100
25
1,5
54
89
40,5
50
110
27
2,0
62
97
47,6
55
120
29
2,0
70
106
55,2
60
130
31
2,0
75
116
62,7
65
140
33
2,0
81
125
71,2
70
150
35
2,0
87
134
80,1
75
160
37
2,0
93
144
87,2
80
170
39
2,0
99
153
94,8
85
180
41
2,5
106
161
101,9
90
190
43
2,5
111
170
110,8
95
200
45
2,5
117
179
117,9
DI
DE
ANCHO
mm
mm
10
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
17
Formación Abierta
Dimensiones y capacidad dinámica de carga de rodamientos de rodillos cilíndricos
SERIE 02
SERIE 03
DI
DE
ANCHO
CAPAC.
DE
ANCHO
CAPAC.
mm
mm
mm
kN
mm
mm
kN
25
52
15
10,9
62
17
23,1
30
62
16
18,0
72
19
30,3
35
72
17
26,0
80
21
39,2
40
80
18
34,0
90
23
46,3
45
85
19
35,6
100
25
63,6
50
90
20
36,9
110
27
75,7
55
100
21
45,4
120
29
92,6
60
110
22
55,6
130
31
103,0
65
120
23
65,0
140
33
116,0
70
125
24
65,8
150
35
136,0
75
130
25
80,1
160
37
162,0
80
140
26
87,2
170
39
163,0
85
150
28
99,7
180
41
196,0
90
160
30
126,0
190
43
211,0
95
170
32
140,0
200
45
240,0
100
180
34
154,0
215
47
274,0
110
200
38
205,0
240
50
352,0
120
215
40
220,0
260
55
416,0
130
230
40
239,0
280
58
489,0
140
250
42
280,0
300
62
538,0
Los diámetros al hombro son los diámetros que deben tener los ejes (dS) y los
soportes (dH) para que el contacto con el rodamiento sea estable, teniendo en
cuenta los radios de borde de éste. Es decir, que el diámetro del eje debe
coincidir con el diámetro interior del rodamiento, pero el diámetro al hombro
es el diámetro que tiene el eje (superior) inmediato al interior para que el
rodamiento haga tope.
18
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
dS
Figura 5.6.
dH
Diámetros al hombro
5.1.4. LUBRICACIÓN DE RODAMIENTOS
Las superficies de contacto de los cojinetes de rodamiento tienen un
movimiento relativo que es de rodadura y de deslizamiento y, por ello, es
difícil describir con exactitud lo que ocurre. Si la velocidad relativa de las
superficies deslizantes es suficientemente grande, la acción del lubricante es
hidrodinámica. La lubricación elastohidrodinámica es el fenómeno que ocurre
cuando se introduce un lubricante entre superficies que están en contacto
rodante puro. En los rodamientos, en las superficies de los mecanismos de
leva y seguidor, y en el contacto entre dientes en engranajes, ocurre este
contacto y, por lo tanto, esta lubricación.
Cuando un lubricante queda atrapado entre dos superficies en contacto
rodante se origina un incremento muy grande en la presión interna de la
película de lubricante. Además, como la viscosidad está relacionada en forma
exponencial con la presión, también se produce un incremento muy grande en
la viscosidad del lubricante atrapado entre las superficies.
Los objetivos a alcanzar con un lubricante para cojinetes de rodamiento, son:
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
19
Formación Abierta
ƒ Formar una película entre las superficies en contacto deslizante y
rodante.
ƒ Ayudar a distribuir y disipar el calor.
ƒ Impedir la corrosión de las superficies de contacto.
ƒ Proteger las piezas de la entrada de materias extrañas.
Tanto el aceite como la grasa pueden emplearse como lubricantes. Las reglas
para el uso de uno u otro lubricante, son:
Empléese grasa cuando
Empléese aceite cuando
La temperatura no es mayor de 90 ºC.
La temperatura es elevada.
La velocidad es baja.
La velocidad es alta.
Se requiere protección especial contra la
Se usan fácilmente sellos a prueba de aceite.
entrada de materias extrañas.
Se desean alojamientos sencillos para los El tipo de cojinete no es adecuado para
cojinetes.
lubricación con grasa.
El cojinete se lubrica desde un sistema central
Se necesita operar en periodos largos sin
que sirve también para otras piezas de
proporcionar atención.
máquinas.
20
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
5.2. COJINETES DE FRICCIÓN
Un cojinete de deslizamiento es un cojinete en el que el giro del eje que se
apoya en él se realiza en contacto directo con el casquillo del cojinete que
permanece estático, interponiendo únicamente entre los dos elementos una
película de lubricante para reducir el rozamiento y el calor generado.
5.2.1. LUBRICACIÓN
El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el desgaste y el
calentamiento de los elementos de máquinas que se mueven unos con
respecto a otros. Se llaman lubricantes las sustancias que realizan estas
funciones al introducirlas entre las superficies en movimiento.
El ámbito de aplicación de los cojinetes de fricción es muy amplio. Los
cojinetes de cigüeñal y las bielas de un motor de combustión interna, tienen
que trabajar durante miles de kilómetros, a temperaturas elevadas y en
condiciones de carga variables. Los cojinetes de fricción que se emplean en
las turbinas de vapor de las plantas generadoras de energía deben tener
fiabilidades próximas al 100%. En el otro extremo, existen miles de
aplicaciones en las que las cargas son ligeras. Se requiere un cojinete simple,
fácil de instalar y que utilice poco o nada de lubricante. En estos casos, el
cojinete de rodamiento sería una elección inadecuada, por el alto coste, la
necesidad de tolerancias estrechas, las altas velocidades o los efectos de
inercia. Se podría establecer una solución a base de un cojinete de nylon que
no requiera lubricación, o un cojinete de bronce con anillo de aceite,
lubricación por mecha, con película de lubricante sólido o con lubricación por
grasa.
5.2.2. TIPOS DE LUBRICACIÓN
Existen cinco formas básicas de lubricación:
ƒ Hidrodinámica.
ƒ Hidrostática.
ƒ Elastohidrodinámica.
ƒ De película mínima o al límite.
ƒ Con material sólido.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
21
Formación Abierta
La lubricación hidrodinámica es aquella en que las superficies del cojinete que
soportan la carga están separadas por una capa de lubricante relativamente
gruesa, impidiendo el contacto entre metal y metal, y en la que la estabilidad
así obtenida puede explicarse por las leyes de la mecánica de fluidos. La
lubricación hidrodinámica no depende de la introducción del lubricante a
presión, aunque sí puede hacerse; sin embargo, sí se requiere que haya un
abastecimiento adecuado de lubricante en todo momento. La presión en el
lubricante la origina la superficie en movimiento, que lo arrastra hacia una
zona en forma de cuña a una velocidad suficientemente grande que origina la
presión necesaria para separar las superficies, actuando contra la carga que
soporta el cojinete. Esta lubricación también se llama lubricación de película y
ocurre en los cojinetes de fricción.
La lubricación hidrostática se obtiene introduciendo el lubricante, que a veces
es aire o agua, en el área de soporte de la carga a una presión
suficientemente elevada para separar las superficies con una capa
relativamente gruesa. No se requiere así, como en la lubricación
hidrodinámica, el movimiento de una superficie con respecto a otra
(velocidades pequeñas o nulas). Se da en apoyos verticales de ejes, con o sin
movimiento.
La lubricación elastohidrodinámica es el fenómeno que ocurre cuando se
introduce un lubricante entre las superficies que están en contacto rodante,
como en los dientes de engranajes o en los rodamientos. Su explicación
matemática requiere la teoría de Hertz del esfuerzo de contacto y de la
mecánica de fluidos.
Cuando el área de contacto es insuficiente, se aminora la velocidad de la
superficie móvil, se reduce la cantidad de lubricante suministrado, se produce
un aumento de la carga, o bien aumenta la temperatura del lubricante
disminuyendo su viscosidad, puede ocurrir que no se forme una película de
lubricante lo suficientemente gruesa para que exista lubricación fluida
(hidrodinámica), estableciéndose películas de pocas unidades moleculares de
espesor. A esta lubricación se le denomina lubricación de película mínima o
al límite. Este cambio de hidrostática a película mínima no ocurre
bruscamente y a menudo coexisten los dos tipos de lubricación.
Cuando los cojinetes tienen que trabajar a temperaturas extremas, debe
usarse un lubricante de película sólida, como el grafito o el disulfuro de
molibdeno (MoS2), ya que el aceite no soportaría dichas temperaturas.
22
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
5.2.3. VISCOSIDAD
U
F
A
u
h
y
Figura 5.7. Esquema de movimiento sobre lubricante
Supongamos que en la figura, la placa A se mueve a una velocidad U sobre
una película de lubricante de espesor h. Puede considerarse que la película
está formada por una serie de capas horizontales, en las que la fuerza F
ocasiona su deformación o el deslizamiento de unas sobre otras. También se
supondrá que las capas que están en contacto con la placa móvil tienen la
velocidad U y que las que están en contacto con la superficie fija tienen
velocidad cero. La velocidad de las capas intermedias u, depende de su
distancia a la superficie estacionaria y. La ley de Newton para el movimiento
de un fluido viscoso establece que el esfuerzo cortante que se genera en el
fluido es proporcional a la variación de la velocidad con respecto a y,
τ=
F
du
=μ
A
dy
Donde μ es una constante de proporcionalidad que define la llamada
viscosidad (viscosidad absoluta o viscosidad dinámica). La derivada du/dy es
la intensidad de cambio de la velocidad con respecto a la distancia (o
gradiente de la velocidad). La viscosidad entonces, es una medida de la
resistencia al rozamiento interno del fluido. Si el gradiente de velocidad es
constante, dU/dy=U/h, por lo tanto,
τ=
F
U
=μ
A
h
Las unidades de la viscosidad son kg.s/m2=Pa.s, o lo que es lo mismo,
tensión por tiempo. Esta unidad se conoce como reyn (Osborne Reynolds).
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
23
Formación Abierta
5.2.4. LEY DE PETROFF
El rozamiento en los cojinetes fue explicado por primera vez por Petroff,
considerando la hipótesis de que el eje o árbol es concéntrico o coaxial con el
cojinete, aunque esto no es realmente así.
c
r
L
N rps
Figura 5.8.
Eje vertical en cojinete
Consideremos un eje vertical como el de la figura, que soporta una carga muy
pequeña y en el que el espacio libre c está completamente lleno de aceite. El
radio del eje es r y la longitud del cojinete L. Si el eje gira a N rps, su
velocidad periférica será:
U = 2πrN (mm/s)
De la ecuación de la viscosidad, que expresaba el esfuerzo cortante originado
en el lubricante,
τ=μ
U 2πrμN
=
h
c
El momento de la fuerza que genera el esfuerzo cortante (τA), donde A es el
área del eje en el cojinete, será:
24
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
T = τA r =
2πrμN
4π2r 3LμN
2πrL r =
c
c
(*)
Si W es la fuerza pequeña que actúa sobre el cojinete, perpendicular al eje
del árbol, entonces la presión P del eje sobre el cojinete (fuerza por unidad de
área proyectada) será P=W/2rL.
El rozamiento es fW, siendo f el coeficiente de fricción y, por lo tanto, el
momento producido por el rozamiento es:
T = fWr = f 2rLP r = 2r2fLP
Si se sustituye en esta ecuación el valor de T de la ecuación (*) y se despeja
el coeficiente de fricción,
f = 2π2
μN r
LEY DE PETROFF (1883) (f es adimensional)
P c
5.2.5. TEORÍA DE LA LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
La teoría de la lubricación hidrodinámica tiene su origen en 1880, en
Inglaterra, de la mano de Beauchamp Tower, cuando estaba encargado de
estudiar la fricción en las chumaceras de los ejes de los carros de ferrocarril y
determinar la mejor forma de lubricarlos.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
25
Formación Abierta
Cojinete parcial
de bronce
Orificio de
lubricación
W
N
Nivel del
lubricante
Muñón
Figura 5.9.
Muñón de chumacera de ferrocarril
La figura muestra el soporte de muñón que investigo Tower. Tiene un cojinete
parcial de 4” de diámetro y 6” de longitud, con un arco de contacto de β=157º
y lubricación del tipo de baño. Los coeficientes de fricción obtenidos por
Tower en su investigación con este cojinete fueron bastante bajos.
Después de ensayar este cojinete, Tower abrió un orificio de ½” de diámetro
en la parte superior; pero al poner en movimiento el mecanismo, el aceite
brotó por dicho orificio. Tratando de impedirlo, puso un tapón de corcho, pero
éste también saltó y entonces lo tapó con un taco de madera. Cuando
también fue expulsado el tapón de madera, Tower se dio cuenta y puso un
manómetro en el agujero, midiendo una presión mayor que el doble de la
carga por unidad de superficie. Investigó las presiones de la película de
lubricante en el cojinete, a todo lo ancho y largo del mismo, obteniendo una
distribución de presiones como ilustra la siguiente figura.
26
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
P máx
P=0
L=6"
D=4"
Figura 5.10.
Distribución de presiones en la chumacera
Los resultados obtenidos por Tower tenían tal regularidad que Osborne
Reynolds llegó a la conclusión de que debía haber una ley definida que
relacionara la fricción, la presión y la velocidad. La teoría matemática actual
de la lubricación está basada en el trabajo de Reynolds que siguió a los
experimentos efectuados por Tower. La ecuación diferencial original,
formulada por Reynolds, la uso para explicar los resultados de Tower.
Reynolds imaginó que el lubricante quedaba adherido a ambas superficies y
era impulsado por la superficie en movimiento hacia un espacio con forma de
cuña, de estrechamiento progresivo, lo cual daba origen a una presión en la
película de fluido, de intensidad suficiente para soportar la carga del cojinete.
Una de las más importantes hipótesis simplificativas del problema se originó
en la apreciación de Reynolds de que las películas de fluido eran tan
delgadas, en comparación con el radio del cojinete, que su curvatura podía
despreciarse. Esto le permitió sustituir el cojinete parcial curvo por uno plano.
Otras suposiciones son:
ƒ El lubricante obedece la ley de Newton del movimiento de un fluido
viscoso.
ƒ Las fuerzas debidas a la inercia del lubricante son despreciables.
ƒ El lubricante es incompresible.
ƒ La viscosidad es constante en toda la película.
ƒ La presión no varía en la dirección axial.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
27
Formación Abierta
La siguiente figura (a) muestra un muñón soportado por una película de
lubricante que gira en el sentido del reloj, de espesor variable h sobre un
cojinete parcial que está fijo. El muñón tiene una velocidad superficial
constante U. Utilizando la suposición de Reynolds de que puede despreciarse
la curvatura y, estableciendo un sistema de referencia xyz, se hacen las
siguientes consideraciones adicionales:
ƒ El cojinete y el muñón se prolongan o extienden indefinidamente en
la dirección z. Esto significa que no puede haber flujo de lubricante
en esta dirección.
ƒ La presión de la película es constante en la dirección y. En
consecuencia, la presión dependerá sólo de la coordenada x.
ƒ La velocidad de una partícula cualquiera del lubricante en el seno de
la película, depende sólo de las coordenadas x e y.
La otra figura (b), representa un elemento de lubricante en el interior de una
película, de dimensiones dx, dy y dz, y sobre el que actúan en cada cara las
fuerzas representadas: fuerzas normales debidas a la presión actuando en las
caras derecha e izquierda, y fuerzas cortantes debidas a la viscosidad y a la
velocidad del fluido que actúan sobre las caras superior e inferior.
Cojinete
Muñon
U
r
dx dy
h
β
(a)
Figura 5.11. Muñón soportado por una película de lubricante
28
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Muñón
rotatorio
u= - U
y
&τ
&y
Flujo del
lubricante
(τ + ------ dy)dx dz
dx
dp
dy
(p + ------ dx)dy dz
dx
p dy dz
h
τ dx dz
z
Cojinete estacionario
(b)
Figura 5.12.
Elemento de lubricante de la película
Realizando un equilibrio de fuerzas en el elemento:
⎛
∂τ ⎞
dp ⎞
⎛
∑F = ⎜p +
dx ⎟ dy dz + τ dx dz − ⎜ τ +
dy ⎟ dx dz − p dy dz = 0
dx ⎠
∂y ⎠
⎝
⎝
Esta expresión se reduce a:
dp ∂τ
=
dx ∂ y
(* *)
⎛ ∂u ⎞
Recordando la ley de Newton τ = μ ⎜ ⎟ , en la que se emplea la derivada
⎝ ∂y ⎠
parcial porque la velocidad u depende de x y de y. Sustituyendo esta ley en la
ecuación (**),
dp
∂2 υ
=μ 2
∂y
dx
Manteniendo x constante, e integrando dos veces la expresión anterior,
u=
1 dp 2
y + C1y + C2
2μ dx
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
29
Formación Abierta
Las condiciones de contorno son:
y =0→u=0
y = h → u = −U
Despejando C1 y C2 en las dos condiciones establecidas, se obtiene la
expresión:
u=
(
)
1 dp 2
U
y − hy − y
2μ dx
h
Esta ecuación proporciona la velocidad del lubricante en el seno de la
película, en función de la variable y, y del gradiente de presión dp/dx. La
ecuación indica que la distribución de velocidad se obtiene superponiendo
una distribución parabólica (primer término), y una distribución lineal (segundo
término). El término parabólico puede ser positivo o negativo, dependiendo
del signo del gradiente de la presión. Cuando esta presión es máxima,
dp/dx=0 y la velocidad es:
u=−
U
y
H
Se define Q como el volumen de lubricante que fluye en la dirección x por
unidad de tiempo, es decir, el caudal de lubricante. Usando un ancho igual a
la unidad en la dirección z, el caudal será:
h
Q = ∫udy
o
Sustituyendo u e integrando,
Q=−
Uh h3 dp
−
−
2 12μ dx
Considerando ahora que el lubricante es incompresible, entonces el caudal
será el mismo para cualquier sección transversal (dQ/dx=0),
dQ
U dh d ⎡ h3 dp ⎤
=−
−
⎢
⎥ =0
dx
2 dx dx ⎣ 12μ dx ⎦
30
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Es decir,
d ⎡ h3 dp ⎤
dh
⎢
⎥ = −6U
dx ⎣ μ dx ⎦
dx
Igualdad que es la ecuación clásica de Reynolds para flujo unidimensional
(despreciando fugas laterales, es decir, flujo en la dirección z). No existe
solución general a esta ecuación diferencial, pero sí soluciones parciales
aproximativas, como por ejemplo la de Sommerfeld para la ecuación
diferencial considerando fugas laterales:
∂ ⎡ h3 ∂p ⎤ ∂ ⎡ h3 ∂p ⎤
∂h
⎢
⎥− ⎢
⎥ = −6U
∂x ⎣ μ ∂x ⎦ ∂z ⎣ μ ∂z ⎦
∂x
⎡⎛ r ⎞ 2 ⎛ πN ⎞ ⎤
r
Solución: f = ∅ ⎢⎜ ⎟ ⎜
⎟⎥
c
⎣⎢⎝ c ⎠ ⎝ P ⎠ ⎦⎥
5.2.6. FACTORES DE DISEÑO
En el diseño de cojinetes de fricción pueden distinguirse dos grupos de
variables. En el primer grupo se encuentran aquellas cuyos valores son dados
o están bajo control del diseñador:
ƒ La viscosidad μ .
ƒ La carga por unidad de área proyectada de cojinete P.
ƒ La velocidad de rotación N.
ƒ Las dimensiones del cojinete y del muñón r, c, β y L.
Por lo general, de estas cuatro variables, el diseñador no tiene control sobre
la velocidad porque ésta depende del diseño general de la máquina. A veces
se especifica la viscosidad de antemano, como por ejemplo, cuando se
almacena el aceite en un depósito y se emplea desde allí para lubricar y
enfriar diversos cojinetes. Las variables restantes y, a veces la viscosidad,
puede controlarlas el diseñador y, por lo tanto, son decisiones personales. En
otras palabras, cuando se han definido estas cuatro variables el diseño estará
completo.
En el segundo grupo se hallan las variables dependientes. El diseñador no
puede controlarlas excepto en forma indirecta, cambiando una o más del
primer grupo. Estas variables son:
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
31
Formación Abierta
ƒ El coeficiente de fricción f.
ƒ La elevación de temperatura ΔT.
ƒ El caudal de lubricante Q.
ƒ El espesor mínimo de película h0.
Puede considerarse que estas cantidades son los factores de diseño porque
es necesario establecer limitaciones sobre sus valores. Tales limitaciones se
definen por las características de los materiales de cojinete y del lubricante.
Por lo tanto, el problema fundamental del diseño de cojinetes de fricción es
definir límites satisfactorios para el segundo grupo de variables y, después,
decidir los valores de las variables del primer grupo de manera que no se
rebasen dichas limitaciones.
5.2.7. RELACIÓN ENTRE LAS VARIABLES
Existe una relación entre las variables vistas en los párrafos anteriores,
generalmente establecidas por medio de diagramas (temperatura-viscosidad;
número característico del cojinete-caudal lubricante; número característico del
cojinete-variable de fricción; número característico del cojinete-espesor
mínimo de película; número característico del cojinete-presión máxima en la
película; etc.).
Se define el número característico del cojinete o número de Sommerfeld
como,
S = (r / c)2 (μN / P)
Donde:
S
Número característico del cojinete.
r
Radio del muñón, mm.
c
Holgura radial, mm.
µ
Viscosidad, reyn.
N
Velocidad relativa muñón-cojinete, rps.
P
Carga por unidad de área proyectada, kg.
El número de Sommerfeld contiene todas las variables usualmente
especificadas por el diseñador y es adimensional; por lo tanto, se ha usado
como abscisa en los diagramas citados.
32
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
• Un cojinete de rodamiento (rodamiento) es un cojinete en el que el
contacto entre el eje que gira y la máquina se produce a través de
elementos de rodadura (sin fricción). Los rodamientos se clasifican según
la carga que se aplica sobre ellos: radiales (carga perpendicular al eje),
axiales (carga paralela al eje), y mixtos (ambas cargas a la vez); según el
elemento rodante: de bolas, de rodillos cilíndricos y de rodillos cónicos.
• En todo rodamiento, la velocidad relativa entre eje y soporte es la suma de
la velocidad relativa entre eje y bola más la velocidad relativa entre bola y
soporte.
• En un rodamiento, existe relación entre la carga que soporta y la vida útil
del mismo.
• La lubricación tiene como finalidad reducir el rozamiento entre dos
superficies en contacto. Existen cuatro tipos de lubricación: hidrodinámica,
hidrostática, elastohidrodinámica y de película mínima.
• La viscosidad de un lubricante es la relación que existe entre la tensión
cortante generada en él y el gradiente de velocidad del mismo.
• Con la Ley de Petroff se puede obtener el coeficiente de fricción existente
entre un eje vertical que gira y el cojinete de fricción que lo soporta.
• La teoría de la lubricación hidrodinámica proporciona el coeficiente de
fricción existente en un cojinete de este tipo.
• Los factores que influyen en la elección de un cojinete de fricción son: la
viscosidad del lubricante, la carga que soporta, la velocidad de giro del eje
y las dimensiones de cojinete y eje. Otros factores son el coeficiente de
fricción, la temperatura, el caudal del lubricante y el espesor de la película
de lubricante.
Unidad 5. Cojinetes de rodamiento y cojinetes de fricción.
33
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
6
ENGRANAJES
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
6.1. Engranajes rectos.................................................................................7
6.1.1. Nomenclatura ..................................................................................7
6.1.2. Teoría de engrane ...........................................................................8
6.1.3. Ley de engrane................................................................................9
6.1.4. Tamaño del diente: paso y módulo ................................................10
6.1.5. Línea de engrane, línea de empuje y ángulo de presión................11
6.1.6. Dimensiones de un engranaje normal............................................12
6.1.7. Perfil del diente: cicloidal y evolvente.............................................13
6.1.8. Engrane entre perfiles de evolvente...............................................15
6.1.9. Cremallera de evolvente ................................................................18
6.1.10. Limitaciones en el engrane de perfiles de evolvente ......................19
6.1.11. Coeficiente de engrane..................................................................19
6.1.12. Interferencia y penetración.............................................................21
6.1.13. Fabricación de ruedas dentadas....................................................24
6.1.14. Tallado por cremallera ...................................................................26
6.1.14.1. Cremallera herramienta............................................................26
6.1.14.2. Parámetros de generación .......................................................26
6.1.14.3. Cálculo de datos intrínsecos ....................................................28
6.1.14.4. Número límite de dientes en la talla .........................................31
6.1.14.5. Formas de evitar la penetración en la talla ...............................33
6.2. Engranajes helicoidales .....................................................................44
6.2.1. Forma de los dientes .....................................................................44
6.2.2. Engrane de dos ruedas helicoidales ..............................................45
6.2.3. Relación entre ángulos de las hélices base y primitiva ..................46
6.2.4. Cremallera helicoidal .....................................................................47
6.2.5. Coeficiente de engrane..................................................................49
6.3. Engranajes cónicos............................................................................54
6.3.1. Número límite de dientes en la talla ...............................................59
6.3.2. Geometría de engranajes cónicos .................................................60
6.4. Engranajes hiperbólicos ....................................................................63
♦ RESUMEN ................................................................................................67
Unidad 6. Engranajes.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocer los diferentes tipos de engranajes existentes, dependiendo de los
ejes que se transmiten el movimiento y dependiendo del tipo de los
dientes de las ruedas dentadas que constituyen el engranaje.
• Conocimiento de la geometría de las ruedas dentadas, así como de la
geometría del engranaje.
• Estudio matemático del funcionamiento de un engranaje y sus
características fundamentales.
• Conocer las diferentes formas de fabricación de ruedas dentadas.
Unidad 6. Engranajes.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
En casi todas las máquinas es necesario transmitir movimiento de rotación de
un eje a otro. Los engranajes constituyen uno de los mejores medios
disponibles para hacerlo. Los engranajes están constituidos, básicamente, por
ruedas dentadas, que son elementos circulares acoplados al eje (solidarios)
en los cuales se han tallado una serie de dientes en su contorno y que son los
encargados de transmitir el movimiento del eje a los dientes de la otra rueda
dentada del engranaje, solidaria al eje al que se quiere transmitir el
movimiento. Para esta transmisión de movimiento de un eje a otro, se dispone
de diversos tipos de engranajes.
Los engranajes se clasifican según la disposición de los ejes cuyo movimiento
se quiere transmitir (o según la forma geométrica de los axoides relativos a
las ruedas dentadas) y según el tipo de dientes:
• Engranajes cilíndricos (los axoides son cilindros): transmiten movimiento
de rotación entre ejes paralelos. Según la orientación de los dientes,
pueden ser:
ƒ Rectos: dientes paralelos al eje de rotación.
ƒ Helicoidales: dientes no paralelos al eje de rotación (forman una
hélice sobre el cilindro axoide).
• Engranajes cónicos (los axoides son conos): transmiten movimiento de
rotación entre ejes que se cortan en un punto. Según el ángulo que
forman los ejes, pueden ser:
ƒ < 90º.
ƒ = 90º.
ƒ > 90º.
También pueden ser, según el tipo de diente, rectos o helicoidales.
• Engranajes hiperbólicos (los axoides son hiperboloides de revolución):
transmiten movimiento de rotación entre ejes que se cruzan en el espacio.
Existen varios tipos:
ƒ Con ruedas cilíndrico helicoidales.
ƒ Tornillo sinfín/corona.
ƒ Hipoides.
ƒ Con doble transmisión cónica.
ƒ Ruedas hiperbólicas (para ejes que se cruzan oblicuamente).
4
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Recto
Helicoidal
(1a)
(1b)
Figura 6.1.
Engranajes cilíndricos
< 90º
= 90º
(2a)
(2b)
> 90º
(2c)
Figura 6.2.
Engranajes cónicos
Unidad 6. Engranajes.
5
Formación Abierta
Ruedas Cilindrico
Helicoidales
Tornillo sin fín/Corona
(3a)
(3b)
Doble transmisión cónica
Tornillo sin fín/Corona
(3c)
(3d)
Figura 6.3.
6
Engranajes hiperbólicos
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
6.1. ENGRANAJES RECTOS
Los engranajes rectos se emplean para transmitir movimientos de rotación
entre ejes paralelos. Su contorno es de forma cilíndrica circular y sus dientes
son paralelos al eje de rotación.
6.1.1. NOMENCLATURA
Se muestran a continuación distintos parámetros característicos de una rueda
dentada:
b
α
e
h
rb
ac
p
α
ap
rp
r
rc
Figura 6.4.
Parámetros característicos de una rueda dentada
z = número de dientes
p=360º/z=2πr/z (paso)
m= p/π(módulo)
p=e+h (e=h)
r=radio circunferencia primitiva o axoide
rp=radio circunferencia de pie de diente
rc=radio circunferencia de cabeza de diente
a=ac+ap (altura de diente=altura de cabeza+altura de pie)
ac=m
ap=m+j (j=juego, holgura entre la cabeza del diente y la base del diente de la otra rueda,
generalmente j=m/6)
e=espesor del diente (medido sobre la circunferencia primitiva)
h=hueco (medido sobre la circunferencia primitiva)
b=ancho de diente
rb=rcosα (circunferencia base: tangente a la línea que forma un ángulo α con la
horizontal)
Unidad 6. Engranajes.
7
Formación Abierta
6.1.2. TEORÍA DE ENGRANE
Para estudiar la teoría de engrane, lo más sencillo es realizarla sobre los
engranajes rectos, ya que al tener los dientes paralelos a las generatrices de
los cilindros axoides, se pueden estudiar en el plano.
La transmisión de movimiento en un engranaje recto se realiza por medio del
contacto directo con deslizamiento entre los dientes de las dos ruedas que
forman el engranaje. Esta transmisión, si las ruedas están bien diseñadas, es
equivalente a una rodadura sin deslizamiento entre dos poleas de fricción
cuyos cilindros de rodadura coincidan con los cilindros axoides.
2
ω2
O2
ω2
r2
a
I
ω21
ω1
r1
1
O1
-ω1
ω1
Figura 6.5. Transmisión de movimiento en un engranaje
Como la velocidad del centro instantáneo de rotación I debe ser la misma
para las dos ruedas, se cumplirá la ecuación:
ω1r1 = ω2r2
(6.1)
De aquí se obtiene que la relación de transmisión del engranaje será:
μ=
ω2 r1
=
ω1 r2
(6.2)
Si se conoce la distancia entre centros de las ruedas a y la relación de
transmisión μ, como la distancia entre centros debe ser igual a la suma de los
radios de los axoides o radios primitivos, se cumplirá:
8
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
a = r1 + r2
(6.3)
r1 =
μ
μ +1
(6.4)
r1 =
1
μ +1
(6.5)
6.1.3. LEY DE ENGRANE
La ley de engrane de un engranaje dice que la relación de transmisión de un
engranaje debe ser constante.
Suponiendo que la velocidad angular de una rueda dentada de un engranaje
sea constante, para conseguir que la velocidad angular de la otra rueda sea
constante y no aparezcan aceleraciones angulares que produzcan
vibraciones, se debe conseguir en todo momento que la relación de
transmisión sea constante, es decir, que se cumpla la ley de engrane.
En la ecuación (6.2) se observa que para que la relación de transmisión sea
constante, se deben mantener constantes los radios primitivos de las ruedas
dentadas. Los axoides deben ser circunferencias.
Para que los radios primitivos se mantengan constantes, el centro instantáneo
de rotación relativo a las dos ruedas, punto I, se debe mantener fijo. Además,
el centro instantáneo I debe estar en la recta de unión de los centros de las
ruedas. Por otro lado, este centro instantáneo relativo se encuentra en la
perpendicular a la tangente común a las dos superficies en el punto de
contacto.
Unidad 6. Engranajes.
9
Formación Abierta
O2
P
I
Axoides
O1
Figura 6.6.
Perfiles conjugados
En consecuencia, cuando la perpendicular trazada en todo momento a la
tangente de los perfiles de los dientes en el punto de contacto, corta a la recta
de unión de centros en un punto fijo, se cumple la ley de engrane. A los
perfiles que cumplen la ley de engrane se les llama perfiles conjugados.
6.1.4. TAMAÑO DEL DIENTE: PASO Y MÓDULO
El paso se define como la distancia entre flancos homólogos de dientes
consecutivos medida sobre la circunferencia primitiva, por lo tanto su valor
será:
p=
2πr πd
=
z
z
(6.6)
Siendo r y d, el radio y el diámetro de la circunferencia primitiva,
respectivamente, y z el número de dientes de la rueda dentada.
Con el fin de no manejar continuamente el número π, se define el módulo
como:
m=
10
p 2r d
=
=
π z z
(6.7)
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Para que dos ruedas dentadas puedan engranar correctamente, además de
cumplir la ley de engrane, deben tener el mismo paso, o lo que es lo mismo,
el mismo módulo. Por lo tanto se cumplirá:
m=
2r1 2r2 d1 d2
=
=
=
z1
z 2 z1 z2
Y la relación de transmisión será:
μ=
ω2 r1 z1 d1
= =
=
ω1 r2 z2 d2
Con el fin de reducir el número de herramientas de tallado de ruedas
dentadas, se han normalizado los módulos según la tabla siguiente, aunque
se pueden encontrar ruedas dentadas con módulos no normalizados.
Módulos normales (mm)
(0,875)
1
(1,125)
1,25
(1,375)
1,5
(1,75)
2
(2,25)
2,5
(2,75)
3
(3,5)
4
(4,5)
5
(5,5)
6
(7)
8
(9)
10
(11)
12
Evitar los números entre paréntesis
Los números mayores o menores se obtienen multiplicando
o dividiendo los de la tabla por 2, 4, 8, 16, etc.
6.1.5. LÍNEA DE ENGRANE, LÍNEA DE EMPUJE Y ÁNGULO DE
PRESIÓN
La línea de engrane está formada por los diferentes puntos que va ocupando
el punto de contacto entre los dientes de dos ruedas dentadas en un
engranaje.
Como cada diente tiene dos flancos de posible contacto, un engranaje tendrá
dos posibles líneas de engrane, en función del sentido de giro relativo del
engranaje.
Para perfiles cualesquiera, la línea de engrane tendrá una trayectoria
cualquiera, pero si los perfiles de los dientes son de evolvente de círculo, la
línea de engrane es una línea recta que forma un ángulo constante con la
horizontal.
Unidad 6. Engranajes.
11
Formación Abierta
La línea de empuje es la dirección de las fuerzas que se transmiten entre las
dos ruedas dentadas que forman el engranaje. Estas fuerzas son
perpendiculares a la tangente a los dos perfiles de los dientes en el punto de
contacto P (figura) y, si éstos cumplen la ley de engrane, esta línea pasará
por el centro instantáneo de rotación I. Por lo tanto, la dirección de la línea de
empuje variará al variar el punto de contacto entre dientes.
Para dientes con perfil de evolvente, la línea de engrane y la línea de empuje,
coinciden, siendo una línea recta.
El ángulo de presión, α, es el formado, en cada punto de contacto dientediente, por la línea de empuje y la tangente común a los axoides en el punto I
(horizontal).
Para dientes con perfil de evolvente, el ángulo de presión es constante.
Generalmente, α=20º o 25º.
Empuje
P
α
I
Línea de
engrane
Figura 6.7.
Ángulo de presión
6.1.6. DIMENSIONES DE UN ENGRANAJE NORMAL
Un engranaje se puede considerar normal cuando está formado por dos
ruedas en las que:
12
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ƒ El módulo m tiene un valor normalizado, se expresa en mm.
ƒ El ángulo de presión α es de 20º.
ƒ La altura de cabeza ac=m.
ƒ La altura de pie ap=1,25m.
ƒ El espesor del diente e y el hueco h son iguales, medidos sobre la
circunferencia primitiva.
6.1.7. PERFIL DEL DIENTE: CICLOIDAL Y EVOLVENTE
Para que las dos ruedas dentadas que forman un engranaje transmitan
correctamente el movimiento, deben cumplir la ley de engrane, es decir, los
perfiles de sus dientes deben ser conjugados. De entre múltiples perfiles
conjugados, los dos más utilizados son:
ƒ Perfil cicloidal.
ƒ Perfil de evolvente.
Los dientes de perfil cicloidal están formados: en la cabeza por un perfil
epicicloide y en el pie por un perfil hipocicloide.
1
Hipocicloide
Epicicloide
2
Figura 6.8. Perfil cicloidal de un diente
Unidad 6. Engranajes.
13
Formación Abierta
Este perfil se genera al girar (figura) las circunferencias 1 y 2 (iguales) por
fuera y por dentro de la circunferencia primitiva. El giro en los sentidos
indicados para generar un flanco del diente, y en sentidos contrarios para
generar el otro flanco. El perfil lo genera el punto H al rodar las
circunferencias indicadas sobre la circunferencia primitiva. Si la circunferencia
2 fuera mayor que la 1, se generaría un diente con un pie estrecho,
debilitándolo.
Este perfil está prácticamente desechado debido a las ventajas que presenta
el perfil de evolvente, utilizándose en casos donde no se exige gran precisión
o para acabados superficiales no muy buenos.
El perfil de evolvente es el más usado y se emplea para engranajes de
precisión. También son más caros de fabricar. La evolvente generada a partir
de una circunferencia es aquella curva en la que la perpendicular a la
tangente en cualquier punto de la misma, es tangente a la circunferencia
directora.
Evolvente de
circ. base
6
5
4
3
A6=A0
B5=B0
C4=C0
D3=D0
E2=E0
F1=F0
2
1
0
F
E
D
Circ.
cabeza
C
Circ.
base
B
Circ.
pie
Figura 6.9.
14
A
Perfil de evolvente de un diente
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
La circunferencia base es la circunferencia a partir de la cual se genera el
perfil de evolvente. El perfil de evolvente tiene una serie de ventajas, como
son:
ƒ El perfil de evolvente es conjugado de sí mismo.
ƒ Sigue siendo conjugado aunque varíe la distancia entre centros de
las ruedas.
ƒ La línea de engrane es recta y coincide con la línea de empuje.
ƒ El ángulo de presión es constante.
ƒ La cremallera de generación de los dientes tiene los flancos rectos.
6.1.8. ENGRANE ENTRE PERFILES DE EVOLVENTE
La figura siguiente muestra el engrane entre los perfiles de evolvente de dos
ruedas dentadas en los que el contacto se produce en el punto P.
O
2
ω2
α
rb2
r2
α
I
T2
Axoides
P
T1
r1
ω1
rb1
α
O
1
Figura 6.10. Engrane entre perfiles de evolvente
Unidad 6. Engranajes.
15
Formación Abierta
Al ser evolvente el perfil de la rueda 1, la perpendicular trazada a la tangente
del perfil de la rueda 1 en el punto P será tangente a la circunferencia base de
la rueda 1. Al ser también evolvente el perfil de la rueda 2, la perpendicular
trazada a la tangente del perfil de la rueda 2 en el punto P será tangente a la
circunferencia base de la rueda 2.
Como la tangente a los dos perfiles en el punto P es única, su perpendicular
también lo será y, por lo tanto, la perpendicular trazada por el punto P a la
tangente de los perfiles en el punto de contacto es tangente a las dos
circunferencias base. De esto se desprende que:
ƒ La perpendicular trazada a la tangente común de los perfiles de los
dientes en el punto de contacto corta siempre a la recta de unión de
centros en un punto fijo, que será el centro instantáneo de rotación
relativo a las dos ruedas, I, por lo que se cumple la ley de engrane.
Resultando que el perfil de evolvente es conjugado de sí mismo.
ƒ El contacto se produce siempre sobre la tangente común a las dos
circunferencias base, por lo que la línea de engrane es recta.
ƒ Al ser la línea de engrane recta, el ángulo de presión será constante
durante toda la línea de engrane.
Así quedan demostradas tres de las ventajas del perfil de evolvente
enumeradas en el apartado anterior.
De la figura se desprende que los radios de las circunferencias primitivas
serán:
r1 =
rb1
cos α
r2 =
rb2
cos α
De esta forma,
r1 rb1
=
r2 rb2
Por lo que la relación e transmisión del engranaje será,
μ=
16
ϖ2 r1 z1 d1 rb1
= =
=
=
ϖ1 r2 z 2 d2 rb2
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
De esta última ecuación se puede escribir,
ϖ1 rb1 = ϖ 2 rb2
Esta ecuación indica que las velocidades lineales de los puntos de las
circunferencias base de las dos ruedas, son iguales. De aquí se deduce que
el movimiento de dos ruedas con perfil de evolvente es equivalente al
movimiento de dos carretes en los que en uno se desenrolla una cuerda y en
el otro se enrolla, y cuyos radios son los radios de base de las ruedas.
De la figura se deduce que el deslizamiento que ocurre en el punto de
contacto P será:
Deslizamiento = PI(ϖ 2 + ϖ1 )
Ocurre, que la distancia entre centros de dos ruedas dentadas de un
engranaje con dientes con perfil de evolvente, puede variar, y el perfil de
evolvente de los dientes seguirá siendo conjugado. Al variar la distancia entre
centros, a, variará el ángulo de presión, α.
cos α =
rb1 rb2 rb1 + rb2 rb1 + rb2
=
=
=
r1
r2
r1 + r2
a
cos α´=
rb1 + rb2
a´
Como consecuencia de esto, los engranajes se pueden montar de dos formas
diferentes:
1. Engranajes montados a cero: las circunferencias primitivas son
tangentes. se debe cumplir que z1+z2 ≥ 28. Estos engranajes se pueden
montar con ruedas:
ƒ Ruedas talladas a cero: en la talla, las circunferencias primitivas
(rueda y cremallera) son tangentes.
ƒ Ruedas talladas con desplazamiento (talla en V): en la talla, las
circunferencias primitivas (rueda y cremallera) no son tangentes.
2. Engranajes montados con desplazamiento: las circunferencias
primitivas no son tangentes. se debe cumplir que z1+z2< 28. Estos
engranajes se pueden montar con ruedas:
ƒ Ruedas talladas con desplazamiento (talla en V): en la talla, las
circunferencias primitivas (rueda y cremallera) no son tangentes.
Unidad 6. Engranajes.
17
Formación Abierta
6.1.9. CREMALLERA DE EVOLVENTE
La cremallera de evolvente se puede considerar como el límite a que tiende
una rueda dentada cuando su radio tiende a infinito, conservando el paso y el
ángulo de presión.
En la figura siguiente se puede apreciar que el radio de curvatura del perfil de
evolvente en el punto P es la distancia TP. En la cremallera, como el punto T
se va al infinito, resulta que el radio de curvatura del perfil se hace infinito, por
lo que el perfil del diente de la cremallera de evolvente es recto.
P
O
T
α
∞
∞
T
P
O
Figura 6.11.
Cremallera de evolvente
Los datos intrínsecos de una cremallera de evolvente son:
α
ac
p
e
h
Línea de
referencia
p
b
Figura 6.12.
Parámetros característicos de una cremallera de evolvente
ƒ Ángulo de presión, α.
ƒ Paso, p.
ƒ Espesor del diente en la línea de referencia, e.
ƒ Hueco, h.
ƒ Altura de cabeza, ac.
ƒ Paso base, pb.
pb = p cosα
18
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Para que puedan engranar una rueda dentada y una cremallera, deben tener
las dos el mismo paso base.
pb (cremallera) = pb (rueda) = p(cremallera) cosα
Y el radio primitivo de la rueda será:
r=
rb
cos α (cremallera )
6.1.10. LIMITACIONES EN EL ENGRANE DE PERFILES DE
EVOLVENTE
Para que dos ruedas dentadas engranen bien, se debe cumplir que:
ƒ Antes de dejar de engranar dos dientes, entren en contacto los
dientes siguientes.
ƒ No haya interferencia entre los dientes de las dos ruedas.
ƒ El radio de cabeza sea como máximo igual al radio de apuntamiento
del diente (distancia desde centro de la rueda a la intersección de
las evolventes de un mismo diente).
6.1.11.
COEFICIENTE DE ENGRANE
El coeficiente de engrane indica el número de dientes de una rueda dentada
que, por término medio, están engranando a la vez con dientes de la otra
rueda. Este coeficiente debe ser mayor que 1, así se garantiza que antes de
dejar de engranar un diente, empiece a engranar el siguiente y de este modo
la transmisión del movimiento es suave y continua.
En la figura siguiente se observa que el engrane de un diente comienza en el
punto A2 y finaliza en el punto A1:
Unidad 6. Engranajes.
19
Formación Abierta
rb2
2
B2
T2
B2́
C
A1
I
Zona de
engrane
A2
gb
B1
B1́
T1
rb1
1
Figura 6.13. Representación del coeficiente de engrane
El arco de conducción, medido sobre la circunferencia base, durante el que se
produce el engrane de un diente será gb y, por tanto, el coeficiente de
engrane será:
ε=
gb
pb
Por la forma en que se traza la evolvente, resulta que:
gb = A 2 A 1 = IA 1 + IA 2
Pero,
IA1 = T1A1 − T1I
T1A1 = rc12 − rb12
TI1 = rb1 tg α
Por lo tanto,
20
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
gb = rc12 − rb12 − rb1 tg α + rc 22 − rb22 − rb2 tg α
Y,
pb = p cos α
Entonces,
ε=
6.1.12.
2
rc12 − rb12 − rb1 tgα + rc22 − rb2
− rb2 tgα
p cos α
INTERFERENCIA Y PENETRACIÓN
Cuando el diente de una rueda dentada intenta penetrar en el diente de la
rueda con la que engrana se produce la interferencia, y cuando la
interferencia se produce con la herramienta que talla la rueda, la herramienta
elimina todo el material de la rueda que produce la interferencia,
produciéndose en este caso la penetración del diente. Estos dos fenómenos
son inadmisibles, por lo que deben ser eliminados.
Como el contacto entre dientes de ruedas dentadas con perfil de evolvente se
produce siempre sobre la línea de engrane que es una recta, la zona activa
del diente de la rueda será el tramo de perfil comprendido entre los puntos A2
y C.
La distancia entre la circunferencia primitiva y la circunferencia base es:
r − rb = r (1 − cos α )
Cuando una rueda tiene pocos dientes, la distancia entre la circunferencia
primitiva y la de base se hace muy pequeña, pudiendo penetrar la cabeza de
la otra rueda por debajo de la circunferencia base de la rueda pequeña.
Aunque la circunferencia de cabeza de una rueda penetre por debajo de la
circunferencia base de la otra rueda, no habrá problemas de interferencia o
penetración siempre que se cumpla que el radio mínimo de la zona de
engrane sea mayor que el radio base (para la misma rueda), pues en este
caso, el contacto se producirá siempre entre perfiles de evolvente (figura
siguiente).
Unidad 6. Engranajes.
21
Formación Abierta
rc
A
P
rb
rP
rp
Figura 6.14.
Engrane sin interferencia o penetración
El problema de interferencia o penetración aparecerá cuando el contacto se
intente producir por debajo de la circunferencia base. En este caso (figura
siguiente), la trayectoria del punto de contacto C, al ser el punto I el centro
instantáneo de rotación relativo, intenta penetrar en el diente de la otra rueda,
produciéndose la interferencia, y si el punto C fuese de la herramienta,
produciría penetración. Cuando se produce penetración en la talla, queda
debilitado el pie del diente, con lo que queda reducida su resistencia.
rb2
C
rb2
T2
I
2
T1
1
rb1
Figura 6.15. Engrane con interferencia o penetración
22
Unidad 6. Engranajes.
2
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Según se observa en la figura anterior, para que no le produzca interferencia
o penetración la rueda 1 a la 2, la circunferencia de cabeza de la rueda 1 no
debe pasar más allá del punto T2.
En la figura siguiente se representa el radio máximo de cabeza de la rueda 1
para que no le produzca interferencia o penetración a la rueda 2.
O2
T1T2
α
rb2
T2
I
rc1(máx)
T1
rb1
α
O1
Figura 6.16.
Radio máximo de cabeza para no producir interferencia o penetración
rc1(máx ) = rb12 + T1T2
2
Teniendo en cuenta que:
μ=
r1 rb1 z1
=
=
r2 rb2 z2
T1T2 = (rb1 + rb2 ) tg α
Unidad 6. Engranajes.
23
Formación Abierta
⎛ z + z2 ⎞
⎛
1⎞
T1T2 = rb1 ⎜ 1 + ⎟ tg α = rb1 ⎜ 1
⎟ tg α
μ⎠
⎝
⎝ z1 ⎠
Resulta:
2
rc1(máx ) = rb1
⎛ z + z2 ⎞
1+ ⎜ 1
⎟ tg α
⎝ z1 ⎠
Para evitar la interferencia o penetración se debe alejar el punto T2 o disminuir
la altura de cabeza. Para ello se suele utilizar los siguientes métodos:
ƒ Aumentar el número de dientes de la rueda pequeña.
ƒ Aumentar el ángulo de presión.
ƒ Utilizar dientes cortos.
ƒ Aumentar el espesor del diente desplazando la herramienta de
generación.
Este último método es el más utilizado, ya que no precisa herramientas
especiales. Este desplazamiento tiene un límite, ya que puede ocurrir que la
cabeza del diente se reduzca a un punto. Este límite del radio de cabeza será:
rc =
6.1.13.
rb
cos α
FABRICACIÓN DE RUEDAS DENTADAS
Las formas más comunes de fabricar ruedas dentadas son las siguientes:
1. Fundición: se fabrican en moldes, pero este proceso no garantiza que los
perfiles sean cicloidales o evolventes.
2. Tallado:
ƒ Tallado con fresa de forma: se hace mediante una fresa cuya sección
coincide con la forma del hueco entre dientes. El hueco entre dientes
varía con el número de dientes de la rueda, por lo tanto, serían
necesarias infinitas fresas para cada módulo. En la práctica se
utilizan 8 fresas para cada módulo, sirviendo cada fresa para una
gama de números de dientes. Se desprende de aquí que este tallado
no es de mucha precisión.
24
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ƒ Tallado por estampación: para ruedas muy pequeñas (relojes). Se
cortan por presión, de una vez.
ƒ Tallado por generación: genera perfil de evolvente. Se elimina en él
el movimiento de corte de la herramienta y los movimientos de la
rueda a tallar y el de la herramienta son los mismos que si estuvieran
engranando entre ellas. La máquina de tallado, además de
proporcionar el movimiento de corte a la herramienta, sincroniza los
movimientos de engrane entre la pieza y la herramienta. Existen
varios tipos de tallado por generación:
ƒ Sistema MAAG: la herramienta es una cremallera.
ƒ Sistema FELLOWS: la herramienta es un piñón (como el
anterior pero con piñón).
ƒ Sistema BROWN-SHARPE: la herramienta es un tornillo sinfínfresa.
Figura 6.17.
Tallado con fresa de forma
Figura 6.18. Tallado por generación mediante cremallera
Unidad 6. Engranajes.
25
Formación Abierta
6.1.14.
TALLADO POR CREMALLERA
Es el que proporciona mayor calidad y precisión a las ruedas dentadas de un
engranaje. Se efectúa mediante una herramienta llamada cremallera.
6.1.14.1. CREMALLERA HERRAMIENTA
En los tallados por generación por medio de cremallera-herramienta, la
sección de corte de la herramienta es una cremallera, tal como se observa en
la siguiente figura.
p /2
e0
p0 /2
h0
Borde
cortante
Figura 6.19.
p0
ap0
ac0
Línea
Media (L.M.)
j0
α0
Parámetros característicos de una cremallera herramienta
Los datos intrínsecos de la cremallera herramienta son los siguientes:
ƒ Ángulo de empuje, α0.
ƒ Paso, p0.
ƒ Altura de cabeza, ac0.
ƒ Altura de pie, ap0.
ƒ Juego, j0.
6.1.14.2. PARÁMETROS DE GENERACIÓN
Al tallar una rueda dentada se puede hacer que la línea media de la
cremallera coincida o no con el axoide de la rueda. Este posible
desplazamiento de la cremallera respecto de la rueda, se suele expresar en
módulos (V=xm0).
Los datos de generación de una rueda dentada serán: los datos intrínsecos
de la cremallera (α0, p0, ac0, ac0 y j0), el radio de generación de la rueda, r0 y el
desplazamiento de la herramienta, V.
26
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
L.M.
V = x.m0
I
Axoide
ω
Axoide
v
r0= ω
V = Desplazamiento
v = Velocidad
z·m0
z·p
r0= ω 0 =
2
Figura 6.20. Generación de una rueda dentada mediante cremallera
Según sea el desplazamiento de la herramienta, negativo (V=-0,5m0), nulo
(V=0) o positivo (V=+0,5m0), se obtienen perfiles de los dientes tal como se
observa en la figura siguiente.
V=0
V=-0,5m 0
V=+0,5m
0
rc
-V
rb
r0
+V
rp
Figura 6.21.
Tipos de desplazamientos y dientes generados
Unidad 6. Engranajes.
27
Formación Abierta
6.1.14.3. CÁLCULO DE DATOS INTRÍNSECOS
A partir de los datos de generación se obtendrán en la rueda dentada unos
datos de funcionamiento que se pueden deducir de la siguiente figura.
V.tg α 0
p /2
p /2
0
0
e0
α0
I
V = x.m0
A
L.M.
Recta axoide
de generación
Circ. axoide de generación
r0
rb
Circ. base
α0
O
Figura 6.22. Datos de funcionamiento a partir de la generación de la rueda
Para determinar los datos intrínsecos de la rueda generada, en la figura se
observa que:
rb = r0 cos α0
Y por tanto,
pb = p0 cos α0
mb = m0 cos α0
También se observa que:
e0 =
28
p0
2V tg α 0
2
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Siendo e0 el espesor del hueco de la cremallera medida sobre la recta axoide
y que, como la generación es similar a un engrane sin holgura, coincide con el
espesor del diente de la rueda e0 medida sobre la circunferencia primitiva de
generación.
La expresión que relaciona los espesores del diente medidos sobre la
circunferencia base y primitiva, es:
e0 =
eb − 2rb ( tg α 0 − α 0 )
cos α0
=
eb
− 2r0 ( tg α0 − α0 )
cos α 0
Despejando eb y sustituyendo e0 de la ecuación anterior, se obtiene:
⎛p
⎞
eb = ⎜ 0 + 2V tg α0 + 2r0 ( tg α 0 − α0 ) ⎟ cos α0
⎝ 2
⎠
El radio de pie rp de la rueda, es el radio del punto más bajo del diente que
contacta con el diente de la cremallera herramienta, sin tener en cuenta el
suplemento de cabeza j.
Según se aprecia en la figura, el radio de pie será la distancia OA, y su valor
es:
rp =
( OT )
2
+ ( AT )
2
OT = r0 cos α 0
AT = TI − AI
TI = r0 sin α0
AI =
ac 0 − V
sin α0
Resulta entonces,
rp =
( r0 cos α0 )
2
⎛
a −V⎞
+ ⎜ r0 sin α0 − c 0
⎟
sin α0 ⎠
⎝
Unidad 6. Engranajes.
2
29
Formación Abierta
El radio de fondo de la rueda rf será,
rf = r0 + V − ac 0 − j
Y el radio de cabeza de la rueda rc será,
rc ≤ r0 + V + ap0
Recopilando, los datos intrínsecos de la rueda serán:
Radio base
rb = r0 cos α0
Paso base
pb = p0 cos α0
Módulo base
mb = m0 cos α0
Espesor base
⎛p
⎞
eb = ⎜ 0 + 2V tg α0 + 2r0 ( tg α 0 − α0 ) ⎟ cos α0
2
⎝
⎠
Radio de cabeza rc ≤ r0 + V + ap0
30
( r0 cos α0 )
2
⎛
a −V⎞
+ ⎜ r0 sin α0 − c 0
⎟
sin α0 ⎠
⎝
Radio de pie
rp =
Radio de fondo
rf = r0 + V − ac 0 − j
Unidad 6. Engranajes.
2
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
6.1.14.4. NÚMERO LÍMITE DE DIENTES EN LA TALLA
Este número es zL. Si hacemos z<zL, se producirá en la talla, penetración.
α
L.M.
m
α
m
T
r
Circ. primitiva
rb
Circ. base
α
O
Figura 6.23.
Límites en la generación para no producir penetración
La profundidad máxima que debe alcanzar la cremallera es cuando la L.M. es
tangente al círculo primitivo (axoide), y la cabeza de la cremallera alcance
como máximo el punto T.
El número límite de dientes para que no exista penetración es:
rb cos α = r − m
Como,
mz = 2r
Entonces:
r cos2 α = r −
2r
zL
2
= 1 − cos2 α = sen2 α
zL
Unidad 6. Engranajes.
31
Formación Abierta
ZL =
2
sen2 α
Si α = 20º ,
ZL =
2
≅17
0,3422
ZL = 14
(teórico)
(práctico)
Ejemplo 1:
Calcular el número de dientes en una rueda para que
coincidan la circunferencia base y la de pie.
Solución:
Al coincidir las circunferencias base y de pie: rb=rp
r cos α = rp = r − ap = r − ( m + j ) = r − m −
Como m =
1
7
m=r − m
6
6
2r
,
z
r cos α = r −
7 2r
7r
7 ⎞
⎛
=r −
= r ⎜1 −
⎟
6 z
3z
⎝ 3z ⎠
7
7
7
= 1 − cos α ⇒ z =
=
= 38,7
3z
3 (1 − cos α ) 3 (1 − cos 20 )
la circunferencia de pie estará por encima de la
Si z<38,7
circunferencia base.
32
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
6.1.14.5. FORMAS DE EVITAR LA PENETRACIÓN EN LA TALLA
Con el fin de evitar la penetración en la talla de una rueda dentada que, por
otra parte, hace inservible la misma, se proponen a continuación posibles
soluciones.
Aumentando el ángulo de presión α
La talla es a cero (axoide y L.M. tangentes) y la herramienta no está
normalizada, es decir, hay que fabricar la cremallera con el ángulo calculado.
ZL =
2
sen2 α
Si ↑ α ⇒ ↓ ZL α > 20º
Dentado rebajado (ac=my=ap; y<1)
Se usan cremalleras que en lugar de tener altura m, tienen un poco menos,
my. Por supuesto, la cremallera no está normalizada.
α
L.M.
my
α
my
T
r
rb
Circ. primitiva
Circ. base
α
O
Figura 6.24. Obtención de dentado rebajado
rb cos α = r − my
r cos2 α = r −
2r
y
zL
Unidad 6. Engranajes.
33
Formación Abierta
2y
= 1 − cos2 α = sen2 α
ZL
zL =
2y
≅14y
sen2α
Talla con desplazamiento (ruedas V)
Consiste esta talla en que, la línea media (L.M.) de la cremallera no llega a la
circunferencia primitiva, no es tangente, se desplaza un valor V=xm.
m
+m.x1
L.M.
α
α
m
T
r
Circ. primitiva
1
r b1
Circ. base
α
O
1
Figura 6.25.
Talla con desplazamiento de la rueda 1
Las dos ruedas 1 y 2, que van a engranar, tienen que ser talladas con la
misma cremallera y, además, van a ser montadas a cero (circunferencias
primitivas tangentes) y por lo tanto, el desplazamiento de la cremallera en la
rueda 2 es hacia dentro (x2m = − x1m).
rb1 cos α = r1 + mx1 − m
r1 cos2 α = r1 +
2r1
( x1 − 1)
z1
2
(1 − x1 ) = 1 − cos2 α = sen2 α
z1
1 − x1 =
34
z1sen2 α
=
2
z1
z
= 1
2
zL
sen2α
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
x1 =
zL − z1 14 − z1
=
, tomando zL con los valores teórico (17) y práctico (14).
zL
17
Para la rueda 2:
m.x =-m.x
2
α
1
m
α
L.M.
m
T
r
Circ. primitiva
2
rb2
Circ. base
α
O
2
Figura 6.26.
Talla con desplazamiento de la rueda 2
Ejemplo 2
Tallar una rueda con 10 dientes y calcular en los tres casos los valores α, y,
x1, para que sea posible.
Solución:
z=
2
2
2
2
1
⇒ sen2α = ⇒ sin α =
=
=
⇒ α = 26,57º
2
sen α
z
z
10
5
z = 14y ⇒ y =
x1 =
z 10
=
⇒ y = 0,71
14 14
14 − z 14 − 10 4
=
=
⇒ x1 = 0,24
17
17
17
Unidad 6. Engranajes.
35
Formación Abierta
Ejemplo 3
Calcular todas las magnitudes características de dos ruedas dentadas que
constituyen un engranaje cilíndrico-recto, sabiendo que el número de dientes
de ambas ruedas es z1=18 y z2=24, y que han sido construidas con módulo 4.
Solución:
Paso angular:
p1 =
360º 360º
=
= 20º
z1
18
p2 =
360º 360º
=
= 15º
z1
24
Paso:
p = π m = 4π
p=
2πr
z
Radios primitivos:
r1 =
p z1 4π 18
=
= 36mm
2π
2π
r2 =
p z2 4π 24
=
= 48mm
2π
2π
p = e + h, como e = h ⇒ p = 2e ⇒ e = h =
p 4π
=
= 2π
2 2
ac = m = 4mm
ap = m + j = m +
1
7
7
14
= 4,66mm
m= m= 4=
6
6
6
3
a = ac + ap = 4 +
14 26
=
= 8,66mm
3
3
36
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
rc1 = r1 + ac = 36 + 4 = 40mm
rc 2 = r2 + ac = 48 + 4 = 52mm
rp1 = r1 − ap = 36 −
14 94
=
= 31,3mm
3
3
rp2 = r2 − ap = 48 −
14 130
=
= 43,3mm
3
3
rb1 = r1 cos α = 36 cos 20º = 33,83mm
rb2 = r2 cos α = 48 cos 20º = 45,11mm
μ=
ω2 r1 36
= =
= 0,75
ω1 r2 48
d = r1 + r2 = 36 + 48 = 84mm (Dis tancia entre centros de ruedas)
Ejemplo 4
En un engranaje cilíndrico-recto de z1=19 y z2=59, construido con módulo 4,
calcular el coeficiente de engrane.
Solución:
El coeficiente de engrane viene dado por:
ε=
2
rc12 − rb12 − rb1 tgα + rc22 − rb2
− rb2 tgα
p cos α
m=
2r
z
r1 =
m z1 4x19
=
= 38mm
2
2
r2 =
m z2 4x59
=
= 118mm
2
2
rc = r + ac = r + m
rc1 = r1 + m = 42mm
rc 2 = r2 + m = 122mm
Unidad 6. Engranajes.
37
Formación Abierta
rb = r cos α
rb1 = r1 cos α = 38cos 20º = 35,7mm
rb2 = r2 cos α = 118 cos 20º = 110,9mm
p = πm = 4 π
Pb = p cos α = 4π cos 20º = 11,81mm
2
rc12 − rb12 − rb1 tgα + rc22 − rb2
− rb2 tgα
ε=
p cos α
=
422 − 37,5 2 − 37,5 tg20º + 1222 − 110,92 − 110,9 tg20º
=
= 1,33
4 π cos 20º
Ejemplo 5
En un engranaje cilíndrico-recto de z1=16 y z2=30, m=4, se pide calcular el
deslizamiento en el primer punto de contacto P, cuando la velocidad de
rotación de la rueda 1 es 3.000 rpm. α=20º.
Solución:
Deslizamiento = PI ( ω2 + ω1 ) = V2 sen γ − V1 senβ
ω1 = 3000rpm = 3000
2 π rad
rad
= 100 π
60 s
s
μ=
z
ω2 z1
16
2π rad
rad
3000 = 1600rpm
=
⇒ ω2 = 1 ω1 =
= 53,33 π
z2
30
60s
s
ω1 z2
r1 =
m z1 4x16
=
= 32mm
2
2
r2 =
m z2 4x30
=
= 60mm
2
2
rc 2 = r2 + ac = r2 + m = 60 + 4 = 64mm
PI = TI1 − T1P
T1I = rb1 tgα = r1 cos α tgα = r1 senα = 32 sen 20º = 10,94mm
T1P = O1P sen β
2
O1P = rc 22 + ( r1 + r2 ) − 2rc 2 (r1 + r2 ) cos ( γ − α )
38
2
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
cos γ =
rb2
rc 2
γ = arc cos
rb2
r cos α
60 cos 20º
= arc cos 2
= arc cos
= 28,24º
rc 2
rc 2
64
2
O1P = 64 2 + ( 32 + 60 ) − 2x64 ( 32 + 60 ) cos ( 28,24 − 20 ) = 905,61mm2
2
O1P = 30,09mm
cos β =
rb1
O1P
=
r1 cos α
O1P
=
32cos 20º
,09 = 0,999 ⇒ β = 2,25º
30
T1P = O1P sen β = 30,09 sen 2,25º = 1,18mm
PI = TI1 − T1P = 10,94 − 1,18 = 9,76
Deslizamiento = PI ( ω2 + ω1 ) = 9,76 ( 53,3 π + 100 π ) = 4.700,56
Deslizamiento = 4,7
mm
s
m
s
Unidad 6. Engranajes.
39
Formación Abierta
O2
α
γ
rb2
r2
rc2
T2
β
I
γ
P
T1
V1
V2
rb1
r1
β
α
O1
Figura 6.27. Engranaje del problema 5
40
Unidad 6. Engranajes.
α
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Engranajes V
Se utilizan estos engranajes cuando z1+z2<28. En estos engranajes, ac m.
La figura siguiente corresponde a dos ruedas con menos de 14 dientes cada
una:
x1 =
14 − z1
17
x2 =
14 − z2
17
O2
r
r2
α
m·x1
m
m
C1́
r1́
r b1
b2
α
r2́ C´
2
m·x2
r1
O1
Figura 6.28.
Talla de engranajes V
O1O2 = d0 = r1 + r2 (montadas a cero )
dc = r1' + r2' ( montadas con desplazamiento )
Al tallar la rueda así, con desplazamiento, el diente ha aumentado de altura,
entonces si se montan las ruedas a cero, existiría interferencia en el
funcionamiento porque el juego j que se les da no es suficiente. Por lo tanto,
no se pueden montar a cero y habrá que alejar los centros de las ruedas.
Usamos C1´ y C2´ como círculos primitivos (círculos polares). La distancia
entre centros de ruedas en el engranaje, dc, será:
dc = r1 + mx1 + mx 2 + r2 = r1 + r2 + m ( x1 + x 2 ) = r1 + r2 + m ( x1 + x 2 )
2 ( z1 + z2 )
2 ( z1 + z2 )
=
⎛ mz1 mz 2 ⎞ 2 ( x1 + x 2 )
= r1 + r2 + ⎜
+
= r1 + r2 + ( r1 + r2 ) B = d0 (1 + B )
⎟
2 ⎠ z1 + z2
⎝ 2
ƒ Donde: B=2(x1+x2)/(z1+z2)
Unidad 6. Engranajes.
41
Formación Abierta
Pero se comprueba que usando C1´ y C2´ como círculos primitivos y poniendo
los centros a la distancia dc, existía demasiado juego lateral, es decir, el
espesor (de diente) en una rueda, más el hueco de la otra, no es igual al paso
y se produce “golpeteo” en el funcionamiento del engranaje.
Por lo tanto, hay que reducir dc a dv:
dv = r1´´+r2 ´´< dc
rb1 = r1 cos α = r1´´ cos α v ( α ha var iado al acercar los centros )
rb2 = r2 cos α = r 2´´ cos α v
dv = r1
⎛
⎞
cos α
cos α
cos α
cos α
+ r2
= ( r1 + r2 )
= d0 ⎜ 1 +
− 1⎟ = d0 (1 + B v )
cos α v
cos α v
cos α v
cos α v
⎝
⎠
Donde: Bv=(cosα/cosαv) − 1
El ángulo αv se obtiene de la expresión:
tg α v − α v = B tg α + ( tgα − α )
Por lo tanto,
d0 < dv < dc
Ejemplo 6
Un engranaje está formado por dos ruedas cilíndrico-rectas de z1=9 y z2=13
dientes, construidas con módulo 3. Calcular el ángulo de presión αv, así como
la distancia entre centros de ejes y los radios polares en un montaje correcto.
Solución:
42
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
z1 + z2 = 9 + 13 = 22 < 28 ⇒ talla en V
x1 =
14 − z1 14 − 9 5
=
=
17
17
17
x2 =
14 − z2 14 − 13 1
=
=
17
17
17
B=
2 ( x1 + x 2 )
m=
z1 + z2
1 ⎞
⎛ 5
+
2⎜
⎟
17
17
⎠= 6
= ⎝
9 + 13
187
2r
mz1 3x9 27
mz 2 3x13 39
; r2 =
⇒ r1 =
=
=
=
=
z
2
2
2
2
2
2
d0 = r1 + r2 =
27 39
+
= 33mm
2
2
6 ⎞
⎛
dc = d0 (1 + B ) = 33 ⎜ 1 +
⎟ = 34,06mm
⎝ 187 ⎠
tg α v − α v = B tg α + ( tgα − α ) =
6
tg20º + ( tg20º −20º ) = 0,0266
187
α v = 24,07º
Bv =
cos α
cos 20º
−1=
− 1 = 0,0292
cos α v
cos 24,07º
dv = d0 (1 + B v ) = 33 (1 + 0,0292 ) = 33,96mm
Unidad 6. Engranajes.
43
Formación Abierta
6.2. ENGRANAJES HELICOIDALES
En un engranaje formado por ruedas dentadas rectas, el inicio del engrane de
un diente se produce al mismo tiempo en toda su longitud, es decir, se
produce un "choque" (debido a errores en el mecanizado) en toda la arista del
diente.
En los engranajes formados por ruedas helicoidales, el engrane de un diente
se produce de forma progresiva, comienza en un punto y este contacto es
progresivo a lo largo del diente. Por eso, estos engranajes son más suaves,
más silenciosos y tienen menos vibraciones.
En los engranajes helicoidales aparecen, eso sí, fuerzas axiales que no
aparecen en los rectos, aunque estas fuerzas no son mayor inconveniente si
se colocan unos rodamientos adecuados en los ejes.
Otras ventajas que tienen respecto a los rectos es que, a igualdad de
módulos, los helicoidales pueden transmitir más par; también se pueden tallar
ruedas con menos de 14 dientes sin que exista penetración; y el coeficiente
de engrane puede ser mayor que 2, e incluso mayor que 3 (2-3 dientes en
contacto al mismo tiempo).
6.2.1. FORMA DE LOS DIENTES
Una rueda dentada helicoidal se puede considerar como el límite de una serie
de ruedas dentadas rectas escalonadas, o como una rueda dentada recta
torsionada.
βb
(medido en
circ. base)
Figura 6.29. Rueda helicoidal como límite de una serie de ruedas escalonadas
44
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
La sección de una rueda helicoidal por un plano perpendicular al eje, tiene la
misma forma que la sección de una rueda recta. Éste es el perfil frontal o
aparente de la rueda helicoidal.
La hélice sobre el cilindro de base forma un ángulo con la generatriz βb.
D
B
βb
A
C
Cilindro Base
Figura 6.30.
Diente helicoidal
La forma de los flancos de los dientes es una superficie llamada helicoide
reglado. Esta superficie se obtiene por medio de una recta oblicua en el plano
ABCD que se desenrolla o rueda sin deslizamiento sobre el cilindro de base.
El ángulo entre la recta oblicua y las generatrices del cilindro base es el
ángulo de la hélice en la base βb. Cada punto de la recta oblicua describe una
evolvente del cilindro base, así, las secciones de los dientes por planos
perpendiculares al eje de la rueda tienen sus flancos con perfil de evolvente.
6.2.2. ENGRANE DE DOS RUEDAS HELICOIDALES
Las dos ruedas que forman un engranaje helicoidal que transmite el
movimiento entre ejes paralelos, deben tener la misma inclinación de la hélice
sobre el cilindro base pero sentidos contrarios, es decir, una hélice a
derechas y otra a izquierdas (βb1= −βb2).
Cada rebanada de las ruedas helicoidales, perpendicular a los ejes de las
ruedas y de espesor diferencial, engranan como dos ruedas rectas cuyos
perfiles sean los perfiles frontales de las helicoidales. El ángulo de presión
(ángulo de presión frontal o aparente), αa, con que engranan estas rebanadas
será:
Unidad 6. Engranajes.
45
Formación Abierta
cos α t =
rb1 + rb2
r1 + r2
Y los radios primitivos serán:
r1 =
rb1
cos αa
r2 =
rb2
cos α a
Los flancos de los dientes sobre los cilindros primitivos también forman unas
hélices cuyo ángulo de inclinación respecto de las generatrices es β.
6.2.3. RELACIÓN ENTRE ÁNGULOS DE LAS HÉLICES BASE Y
PRIMITIVA
En la figura se representan los desarrollos de los cilindros base y primitivo de
una rueda helicoidal en los que se aprecia la diferencia entre los ángulos de
las hélices sobre los cilindros de base y primitivo. Se llama paso helicoidalp
de una hélice al avance axial correspondiente a una vuelta completa de la
hélice. Todos los puntos del diente tienen el mismo paso helicoidal.
2πrb
β
r
Hélice
rb
b
p
primit
iva
Hélice de
base
2πr
β
p
Figura 6.31.
46
Relación entre ángulos de hélice base y primitiva
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Se observa que:
tg βb =
tg β =
2πrb
p
2πr
p
tg βb rb
= = cos α a
tg β
r
6.2.4. CREMALLERA HELICOIDAL
Una cremallera es una rueda dentada de radio infinito, por lo tanto, el cilindro
primitivo es un plano. Una cremallera helicoidal será una cremallera de
dientes inclinados respecto a sus laterales. El ángulo de inclinación de
cualquier arista de la cremallera respecto de una dirección transversal será β .
Los flancos de los dientes son planos, al igual que en la cremallera recta.
En una cremallera helicoidal se pueden distinguir dos perfiles, tal como
muestra la figura: el perfil frontal o aparente, que es el perfil de la cremallera
visto en sus laterales, y el perfil normal, que es el perfil de la cremallera visto
en un plano perpendicular a los dientes. El ángulo entre estos dos perfiles es
β.
Unidad 6. Engranajes.
47
Formación Abierta
αn
N
S
al
norm
n
ó
i
ecc
N´
pn
a
β
β
pa
αa
A
A´
a
Sección frontal o aparente
Figura 6.32. Secciones frontal y normal de una rueda dentada helicoidal
Donde:
48
pn
Paso normal.
pa
Paso aparente.
mn
Módulo normal.
ma
Módulo aparente.
β
Ángulo de inclinación aparente (medido en círculo primitivo).
βb
Ángulo de inclinación real (medido en círculo base).
αa
Ángulo de presión aparente.
αn
Ángulo de presión real (20º).
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
pn = pa cos β
mn = ma cos β
NN´
tg αn
NN´
= a =
= cos β
tg α a AA´ AA´
a
tg βb rb r cos αa
= =
= cos αa
tg β
r
r
Número límite de dientes en la talla
Este número, al igual que en las ruedas rectas, es zL:
zL = 14cos3 β < 14
Es decir, por ejemplo, si se quiere tallar una rueda de 9 dientes, no podríamos
tallarla recta, se produciría penetración en la talla. Se podría tallar una
helicoidal de 9 dientes con un ángulo de inclinación β,
9 = 14 cos3 β ⇒ β = 30,34º
6.2.5. COEFICIENTE DE ENGRANE
Se llama salto de base gβ de un diente helicoidal, al arco que avanza un
extremo del diente respecto del otro extremo, medido sobre el cilindro base.
b
β
g
b
β
Cilindro base
Figura 6.33.
Salto de base de un diente helicoidal
Unidad 6. Engranajes.
49
Formación Abierta
De la figura:
gβ = b tg βb
El salto de base mejora el coeficiente de engrane en los engranajes
helicoidales respecto de los rectos, ya que el contacto de un diente tendrá
una parte correspondiente al perfil del diente y otra debida al salto de base.
El coeficiente de engrane total será la suma del coeficiente correspondiente al
perfil del diente, más el coeficiente correspondiente al salto de base.
ε y = ε α + εβ
Donde:
εγ
Coeficiente de engrane total.
εα
Coeficiente de engrane debido al perfil aparente.
εβ
Coeficiente de engrane debido al salto de base.
El coeficiente de engrane total será:
2
rc12 − rb12 + rc22 − rb2
− (r1 + r2 ) sen αn + b tg βb
εγ =
πmn
cos αa
cos βb
Cabe decir que los engranajes cilíndrico-helicoidales no se usan en V. La
razón es que ya de por sí, fabricar ruedas cilíndrico-helicoidales es más caro
(respecto de las rectas) y, además, el montaje en V es también más caro.
Además se pueden poner menos de 14 dientes sin penetración y no hace
falta tallarlas en V.
Ejemplo 7
Un engranaje construido con dos ruedas cilíndrico-helicoidales de z1=10 y
z2=32 dientes, talladas con una herramienta normalizada de módulo 6.
Calcular el coeficiente de engrane sabiendo que no existe penetración en la
talla del piñón pero que está en el límite (es decir, es el piñón del menor
número de dientes que se puede tallar sin penetración). Ancho de la rueda:
b=20 mm.
50
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Solución:
Límite : zL = 14cos3 β
1
⎛ 10 ⎞ 3
10 = 14cos β ⇒ cos β = ⎜ ⎟ ⇒ β = 26,63º
⎝ 14 ⎠
3
αn = 20º ( normalizado ) mn = 6
tg αn
tg αn
tg20º
= cos β ⇒ tg α a =
=
= 0,4072 ⇒ αa = 22,15º
tg α a
cos β cos 26,63º
tg βb
= cos αa ⇒ tg βb = tg β cos αa = tg26,63º cos 22,15º = 0, 4644 ⇒ βb = 24,91º
tg β
mn
6
z
10
ma z1 cos β 1 cos 26,63º
=
=
= 33,56mm
r1 =
2
2
2
mn
6
z2
32
ma z 2 cos β
cos 26,63º
r2 =
=
=
= 107,39mm
2
2
2
rb1 = r1 cos αn = 33,56 cos 20º = 31,54mm
rb2 = r2 cos αn = 107,39 cos 20º = 100,91mm
rc1 = r1 + ma = r1 +
mn
6
= 33,56 +
= 40,27mm
cos β
cos 26,63º
rc 2 = r2 + ma = r2 +
εγ =
=
mn
6
= 107,39 +
= 114,10mm
cos β
cos 26,63º
2
rc12 − rb12 + rc22 − rb2
− ( r1 + r2 ) sen αn + b tg βb cos βb
=
πmn
cos αa
40,27 2 − 31,542 + 114,102 − 100,912 − ( 33,56 + 107,39 ) sen 20º +20tg24,91º
cos 24,91º
cos 22,15º
π ·6
ε γ = 2,04
Unidad 6. Engranajes.
51
Formación Abierta
Ejemplo 8
Construir con módulo aproximadamente 6 (mn) un engranaje cilíndricohelicoidal montado entre dos ejes que distan entre sí 110 mm, con una
relación de transmisión de 2/3 y ancho de ruedas b=5 mm. Determinar en
este engranaje:
ƒ Número de dientes de las dos ruedas.
ƒ Ángulo de inclinación aparente y normal.
ƒ Radios de cabeza.
ƒ Coeficiente de engrane.
Solución:
r1 + r2 = d
μ=
r1 2
3r
= ⇒ r2 = 1
r2 3
2
r1 +
3r2
=d
2
⇒
5r1
=d
2
⇒ r1 =
2d 2x110
=
= 44mm
5
5
r2 = d − r1 = 110 − 44 = 66mm
a) ma =
2r1 2r2
=
z1
z2
Como mn≅ 6, ma tendrá que ser un poco mayor.
Tanteamos con z1 y z2
2x44
= 6,2857 = mα ( si z1 = 14 )
z1
2x66
= 6,2857 = mα ( si z2 = 21)
z2
b) mn = ma cos β
⇒ cos β =
mn 6
= ·2857 = 0,9545 ⇒ β = 17,34º
ma 6
tg αn
tg αn
tg20º
= cos β ⇒ tg αa =
=
34 = 0,3813 ⇒ αa = 20,87º
tg α a
cos β cos17 '
52
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
tg βb
= cos α a
tg β
⇒ tg βb = cos α α tg β = cos 20,87º tg17,34º = 0,2918
βb = 16,27º
c) rc1 = r1 + mn = 44 + 6 = 50mm
rc 2 = r2 + mn = 66 + 6 = 72mm
d) rb1 = r1 cos αn = 44 cos 20º = 41,35mm
rb2 = r2 cos αn = 66 cos 20º = 62,02mm
2
rc12 − rb12 + rc22 − rb2
− ( r1 + r2 ) sen αn + b tg βb cos βb
εγ =
=
πmn
cos αa
502 − 41,352 + 722 − 62,022 − ( 44 + 66 ) sen 20º +5tg16,27º cos16,27º
=
π ·6
cos 20,87º
ε γ = 1,55
Unidad 6. Engranajes.
53
Formación Abierta
6.3. ENGRANAJES CÓNICOS
Los engranajes cónicos son aquellos que permiten transmitir el movimiento
entre ejes que se cortan.
En los engranajes cónicos, los axoides de las ruedas son conos con los
vértices coincidentes en el punto de corte de los ejes. El eje instantáneo de
rotación relativo entre las dos ruedas es la línea en la que se produce el
contacto de las generatrices de los conos primitivos o axoides.
2
ω2
ω1
δ2
r2
Eje instantáneo
relativo
ω21
δ1
r1
1
ω1
ω2
Σ
δ2
δ1
ω21
−ω1
Figura 6.34. Engranaje cónico
54
Unidad 6. Engranajes.
Σ
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
La relación de transmisión de estos engranajes es:
μ=
ω2 r1 z1
= =
ω1 r2 z2
La relación de radios también será la relación de los senos de los ángulos de
los semiconos, por lo tanto,
μ=
sen δ1
sen δ 2
Y la suma de los ángulos de los semiconos será el ángulo entre ejes:
Σ = δ1 + δ2
Para determinar el ángulo de semicono que le corresponde a cada rueda,
dado el ángulo entre ejes y la relación de transmisión, teniendo en cuenta las
ecuaciones anteriores:
sen δ1 = μ sen δ 2 = μ sen ( Σ − δ1 )
sen δ1 = μ sen Σ cos δ1 − μ cos Σ senδ1
Dividiendo por cos δ1:
tg δ1 = μsenΣ − μ cos Σ tg δ1
Despejando,
tg δ1 =
μ sen Σ
1 + μ cos Σ
Operando de forma similar para δ2:
tg δ2 =
sen Σ
cos Σ + μ
Unidad 6. Engranajes.
55
Formación Abierta
ω1
2
ω2
1
ω21
Figura 6.35.
Engranaje cónico para ejes perpendiculares
Si el ángulo entre ejes es de 90º, los ángulos correspondientes a cada
semicono serán:
tg δ1 = μ
tg δ2 =
1
μ
Si el ángulo entre los ejes concurrentes es mayor de 90º, puede ocurrir que
uno de los conos primitivos se convierta en una rueda plana (δ2=90º) (figura),
e incluso en un cono interior (δ2>90º).
56
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ω1
2
ω2
1
ω21
Figura 6.36.
Σ
Engranaje cónico para ejes con ángulo mayor de 90º
La relación geométrica que existe entre los engranajes cónicos y los
cilíndricos es la misma que existe entre la geometría esférica y la geometría
plana. Del mismo modo que en los engranajes cilíndricos podía estudiarse el
movimiento en solo dos dimensiones sobre un plano de referencia
perpendicular a los dos ejes, en los engranajes cónicos puede también
estudiarse el movimiento en solo dos dimensiones, pero sobre una esfera de
referencia con el centro en el punto de corte de los ejes.
Los dos conos axoides o primitivos cortan sobre la esfera de referencia dos
circunferencias que ruedan una sobre otra sin salirse de la superficie de la
esfera. Se demuestra que, dado un perfil de los dientes de una rueda, se
puede conseguir un perfil conjugado en la otra rueda.
Unidad 6. Engranajes.
57
Formación Abierta
Axoides o
conos primitivos
Figura 6.37.
Axoides y cremalleras de un engranaje cónico
En los engranajes cónicos, el equivalente de la cremallera es la rueda plana,
cuyo cono axoide o primitivo es un plano diametral de la esfera. El perfil de
los dientes de esta rueda suele tomarse como perfil de referencia para definir
la familia de ruedas capaces de engranar con ella.
Plano
axoide
Figura 6.38.
Cremallera de un engranaje cónico
Del mismo modo que la evolvente plana se obtenía haciendo rodar un plano
sobre el cilindro base, la evolvente esférica se obtiene haciendo rodar un
plano sobre el cono de base.
La rueda plana de evolvente esférica no tiene los flancos rectos, lo que hace
que, aunque las ruedas con este perfil sean conjugadas, no se utilice.
58
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
El perfil realmente empleado en las ruedas cónicas es el de dientes
piramidales. La rueda plana correspondiente tiene los flancos planos, de
modo que los dientes tienen forma de pirámide truncada con vértice en el
centro de la esfera. El resto de las ruedas tienen perfil conjugado de la rueda
plana piramidal y, aunque sus dientes no sean planos, se les llama
piramidales.
Las ruedas piramidales no funcionan tan bien como las de perfil de evolvente
esférico, por lo que no se pueden utilizar para altas velocidades.
La mayoría de problemas de los engranajes (ruedas) cónicos, como son la
penetración o el coeficiente de engrane, se pueden estudiar sobre engranajes
(ruedas) rectos equivalentes:
zv =
rv =
z
cos δ
r
cos δ
Donde:
zv
Nº dientes rueda recta equivalente.
rv
Radio primitivo rueda recta equivalente.
6.3.1. NÚMERO LÍMITE DE DIENTES EN LA TALLA
Utilizando las ruedas rectas equivalentes:
rv =
r
cos δ
2r
2rv cos δ 2r 1
z
⇒ zv =
=
=
=
m
m
m cos δ cos δ
zL = z vL cos δ = 14cos δ < 14
Se pueden tallar, por tanto menos dientes que en los rectos.
Unidad 6. Engranajes.
59
Formación Abierta
6.3.2. GEOMETRÍA DE ENGRANAJES CÓNICOS
b
L
δc1 δ1
θc1
θp1
rv
rp1
δp1
rm1
Σ
m+j
m
Figura 6.39.
Parámetros característicos de un engranaje cónico
Recordemos las ecuaciones ya vistas:
μ=
ω2 r1 z1
= =
ω1 r2 z 2
tg δ1 =
μ sen Σ
1 + μ cos Σ
tg δ2 =
senΣ
cos Σ + μ
Además,
2r1 = z1 m
2r 2 = z 2m
60
Unidad 6. Engranajes.
r1
rc1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Para tornear el cono de cabeza, si la altura de cabeza es igual al módulo,
tg θc =
m
=
long.generatriz
m
m senδ 2 sen δ
=
=
r
z·m
z
sen δ
2
δ c = δ + θc
Si la altura de fondo es m+j,
tg θp =
m+ j
m + j ( m + j ) sen δ 2 ( m + j) sen δ
=
=
=
r
z·m
long.generatriz
z·m
sen δ
2
δp = δ − θp
Ejemplo 9
Calcular todas las magnitudes lineales y angulares de las dos ruedas de
dentado recto que constituyen un engranaje cónico de ángulo Σ=60º y número
de dientes z1=12 y z2=26, construidos con módulo 6.
Solución:
μ=
ω2 z1 12
=
=
= 0, 4615
ω1 z2 26
m=
2r
;
z
r2 =
mz2 6x26
=
= 78mm
2
2
r1 =
mz1 6x12
=
= 36mm
2
2
3
sen Σ
sen 60º
2 = 26 3 = 0,9
=
=
tg δ2 =
6 1
μ + cos Σ 12
50
+ cos 60º
+
26
13 2
δ1 = Σ − δ2 = 60º −42º
⇒
⇒
δ2 = 42º
δ1 = 18º
zL = z vL1 cos δ1
Unidad 6. Engranajes.
61
Formación Abierta
12 = zvL1 cos18º ⇒ z vL1 =
12
= 12,62 < 14 ⇒
cos18º
Hay que tallar con desplazamiento
rv1 =
r1
36
=
= 37,85mm
cos δ1 cos18º
rv 2 =
r2
78
=
= 104,96mm
cos δ2 cos 42º
zv1 =
z1
12
14 − 12,62
=
= 12,62 ⇒ x =
= 0,0812
cos δ1 cos18º
17
x.m = 0,0812x6 = 0,4871
zv 2 =
z2
26
=
= 34,98
cos δ 2 cos 42º
L1 =
r1
36
=
= 116,5mm
sen δ1 sen18º
L2 =
r2
78
=
= 116,57mm
sen δ2 sen 42º
rc1 = rv1 + mx + m = 37,85 + 0, 4871 + 6 = 44,34mm
rc 2 = rv 2 − mx + m = 104,96 − 0,4871 + 6 = 110,47mm
rp1 = rv1 + mx − m + j = 37,85 + 0,4871 − 6 − 1 = 31,34mm
rc 2 = rv 2 − mx − m − j = 104,96 − 0,4871 − 6 − 1 = 97,47mm
tg θc1 =
m + mx 6 + 0, 4871
=
,5 = 0,0557 ⇒ θc1 = 3,187º
L1
116
tg θc 2 =
m − mx 6 − 0, 4871
=
,57 = 0,0473 ⇒ θc1 = 2,707º
L2
116
tg θp1 =
m − mx + j 6 − 0, 4871 + 1
=
,5 = 0,0559 ⇒ θp1 = 3,199º
L1
116
tgθp2 =
m + mx + j 6 + 0,4871 + 1
=
,57 = 0,0642 ⇒ θp2 = 3,675º
L1
116
62
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
6.4. ENGRANAJES HIPERBÓLICOS
Los engranajes hiperbólicos transmiten el movimiento entre ejes que se
cruzan en el espacio. Si se tienen dos ruedas dentadas helicoidales en las
que los ángulos de inclinación de sus hélices (β) no cumplan la condición de
tener el mismo valor y sentidos contrarios, al engranar entre ellas (que lo
harán), sus ejes no serán paralelos, sino que se cruzarán. Estas ruedas
dentadas forman entonces un engranaje hiperbólico.
ω2
2
1
β1
β1
V1
2
V2
V1
β2
β1
1
β2
V2
β2
ω1
Figura 6.40. Cremalleras movidas por las ruedas
V2
r
r V
r cos β1 z1
ω
μ= 2 = 2 = 1 2 = 1
=
V
r2 V1 r2 cos β2 z2
ω1
1
r1
Ya que,
V2 sen ( 90º −β1 ) cos β1
=
=
V1 sen ( 90º −β2 ) cos β2
mn = ma1 cos β1 = ma2 cos β2
2r1
2r
cos β1 = 2 cos β2
z1
z2
Una rueda helicoidal puede engranar con otra cuyo ángulo de la hélice sea
positivo, negativo e incluso con una rueda recta, siempre que tengan el
mismo módulo normal.
Unidad 6. Engranajes.
63
Formación Abierta
Si una de las ruedas que forma el engranaje tiene pocos dientes,
normalmente cuatro o menos, tiene el aspecto de un tornillo. En este caso se
les suele llamar engranajes de tornillo sinfín, en los que la rueda de pocos
dientes se llama tornillo sinfín y la rueda de más dientes, corona.
Figura 6.41. Engranaje de tornillo sinfín
Estos engranajes permiten grandes relaciones de reducción, pudiendo ser de
100 o mayor. La relación de transmisión en engranajes rectos o helicoidales
raramente llega a 10.
Normalmente son engranajes irreversibles, no permitiendo la entrada de
movimiento por la corona. También se produce en ellos un gran deslizamiento
en el punto de contacto, por lo que deben estar convenientemente lubricados
y refrigerados.
En los engranajes de tornillo sinfín, el contacto entre los dientes de las ruedas
es un contacto puntual. Con el fin de convertir el punto de contacto en una
línea de contacto y así distribuir la fuerza a transmitir, se suele hacer
engranajes de tornillo sinfín con la corona glóbica, no siendo ya una rueda
helicoidal.
También se usa una corona helicoidal con un tornillo sinfín glóbico. En este
caso, se consigue que, aunque el contacto entre dientes sea puntual, se
aumente el número de dientes que están en contacto.
Finalmente, otra solución que se suele adoptar es realizar tanto el tornillo
sinfín como la corona, glóbicos. De este modo se consigue aumentar el
número de dientes en contacto y que el contacto de cada diente sea lineal.
64
Unidad 6. Engranajes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Figura 6.42. Tornillo sinfín con corona glóbica
En un engranaje de tornillo sinfín:
β1 = β2 = β
sen β =
mn z1
2r1
mn = ma cos β
pn = πmn
pa = πma
rc1 = r1 + mn
rc 2 = r2 + mn
rp1 = r1 − mn − j
rp2 = r2 − mn − j
Unidad 6. Engranajes.
65
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
• Los engranajes se pueden clasificar según la disposición de los ejes que
se transmiten el movimiento (rectos, cónicos e hiperbólicos), y según la
geometría de los dientes (rectos y helicoidales).
• Las características más importantes del funcionamiento de un engranaje
son:
ƒ Relación de transmisión.
ƒ Ley de engrane.
ƒ Paso y módulo.
ƒ Línea de engrane, línea de empuje y ángulo de presión.
ƒ Perfiles de los dientes: cicloidal y evolvente.
ƒ Coeficiente de engrane.
• La fabricación más común de las ruedas dentadas se realiza a partir de
una herramienta llamada cremallera (rueda dentada de radio infinito).
• Existe unos límites en la talla de las ruedas dentadas:
ƒ El número máximo de dientes que se pueden tallar.
ƒ El ancho y alto de los dientes a tallar (interferencia y penetración).
• Para evitar la interferencia y la penetración, las ruedas se tallan y se
montan con desplazamiento (ruedas V), se tallan con el diente rebajado o
se aumenta el ángulo de presión.
• Todas las características estudiadas en los engranajes rectos son de
aplicación en los engranajes helicoidales, cónicos e hiperbólicos.
Unidad 6. Engranajes.
67
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
7
EJES DE TRANSMISIÓN
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
7.1. Diseño para cargas estáticas...............................................................5
7.2. Flexión alternante y torsión continua .................................................7
7.3. Método de Soderberg...........................................................................8
7.4. Método de Sines .................................................................................12
♦ RESUMEN ................................................................................................13
Unidad 7. Ejes de transmisión.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocimiento de los diferentes métodos existentes para el diseño de ejes
de transmisión de potencia.
• Análisis de los mismos para obtener conclusiones respecto de la elección
del método más idóneo en cada caso.
Unidad 7. Ejes de transmisión.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
Un eje de transmisión (o árbol) es un elemento cilíndrico de sección circular,
que suele transmitir un movimiento de giro y sobre el que se montan distintos
elementos mecánicos de transmisión de potencia (engranajes, poleas,
volantes, cadenas, manivelas, etc.). Los ejes son barras sometidas a
esfuerzos de flexión, tracción, compresión o torsión, que actúan
individualmente o combinados. En este último caso es de esperar que la
resistencia estática y la de fatiga sean consideraciones importantes de
diseño, puesto que un eje puede estar sometido en forma simultánea a la
acción de esfuerzos invertidos en forma alternante, o repetidos sin cambios
de signo (fluctuantes).
Cuando la deformación lateral de un eje debe mantenerse dentro de unos
límites estrechos, entonces hay que fijar sus dimensiones considerando tal
deformación antes de analizar los esfuerzos. La razón es que si un eje se
hace lo bastante rígido para que esas deformaciones no sean considerables,
es probable que los esfuerzos resultantes no rebasen la seguridad, pero de
ninguna manera debe suponer el diseñador que son seguros, casi siempre es
necesario calcularlos para comprobar que están dentro de los límites
aceptables.
Siempre que sea posible, los elementos de transmisión de potencia, como
engranajes o poleas, deben montarse cerca de los cojinetes de soporte. Esto
reduce el momento flector y, en consecuencia, la deformación y la tensión por
flexión.
4
Unidad 7. Ejes de transmisión.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
7.1. DISEÑO PARA CARGAS ESTÁTICAS
Las tensiones que aparecen en la superficie (en la superficie la tensión es
máxima) de un eje macizo de sección circular, sometido a cargas combinadas
de flexión y de torsión, son:
σx =
32M
16 T
τxy =
π d3
πd3
Donde:
σx
Tensión longitudinal debido a la flexión.
τxy
Tensión cortante debido a la torsión.
d
Diámetro del eje.
M
Momento flector en la sección crítica
T
Momento de torsión en la sección crítica.
Mediante el círculo de Mohr se obtiene que la tensión cortante máxima es:
2
τmáx
⎛σ ⎞
= ⎜ x ⎟ + τ2xy
⎝ 2 ⎠
(1)
16
M2 + T 2
πd3
(2)
Sustituyendo σx y τxy,
τmáx =
La teoría del esfuerzo cortante máximo para el fallo estático expresa que
Ssy=Sy/2. Empleando un factor de seguridad n, la ecuación (2) puede
escribirse, sabiendo que Sy es el límite de fluencia del material,
Sy
2n
=
16
M2 + T 2
3
πd
Unidad 7. Ejes de transmisión.
(3)
5
Formación Abierta
De aquí podemos despejar el diámetro del eje en el límite del fallo:
⎡⎛ 32n ⎞
2
2
d = ⎢⎜
⎟ M +T
⎜
⎟
⎢⎣⎝ πS y ⎠
(
1
)
1
2
⎤3
⎥
⎥⎦
(4)
Utilizando la teoría de la energía de distorsión (Ssy=0,577Sy),
1
1 3
⎡
⎤
2 2
⎛
⎞
32n
3T
2
⎢
⎥
d=
M +
⎟ ⎥
⎢ πS ⎜
4
⎠ ⎥
⎢⎣ y ⎝
⎦
6
Unidad 7. Ejes de transmisión.
(5)
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
7.2. FLEXIÓN ALTERNANTE Y TORSIÓN
CONTINUA
En todo eje rotatorio, cargado con momentos flectores y torsionales
constantes, se producirá un esfuerzo flector que se invierte alternativamente
al girar el eje, y un esfuerzo de torsión que permanece constante. Esta es una
situación muy común. Utilizando el subíndice a para indicar el esfuerzo
alternante y el subíndice m para señalar el esfuerzo medio, las ecuaciones del
apartado anterior se expresan como:
σa =
32M
π d3
τm =
16 T
π d3
Se obtienen las mismas expresiones cuando los ejes son huecos o tubulares.
George Sines afirma que, experimentalmente, se comprueba que la
resistencia a la fatiga por flexión no se ve afectada por la existencia del
esfuerzo medio por torsión, hasta que la resistencia de fluencia a la torsión no
supere el 50%. Este hecho proporciona un método muy sencillo para diseñar
en el caso de una combinación de esfuerzos por flexión alternante y por
torsión constante.
Simbolizando por Se al límite de fatiga y por n el factor de seguridad, la
ecuación de diseño para el eje quedará:
Se
= σa
n
Sustituyendo σa en la primera ecuación, y teniendo en cuenta que la τm no
afecta al límite de fatiga a la flexión,
1
⎛ 32Mn ⎞ 3
d=⎜
⎟
⎝ πSe ⎠
Es necesario hacer una advertencia en relación con el uso de la ecuación
anterior. Para tener la seguridad de que un eje cuyo diámetro se determinó
con esta ecuación no sufrirá fluencia, debe calcularse el factor de seguridad
estático n por los métodos del apartado 7.2.
Unidad 7. Ejes de transmisión.
7
Formación Abierta
7.3. MÉTODO DE SODERBERG
En el siguiente análisis se dará un ejemplo que indica cómo utilizar un
diagrama de Soderberg para determinar las dimensiones de un eje sometido
a una combinación de torsión constante y flexión alternante, que es un tipo
común de carga en ejes de transmisión.
Se emplea en este método de Soderberg la teoría del esfuerzo cortante
máximo.
Si consideramos un elemento de la superficie de un eje macizo de sección
circular, el cual gira a una velocidad de ω rad/s, sometido a estos esfuerzos,
la tensión cortante para cualquier plano definido por el ángulo α, será:
y
τxy=
16T
π d3
σx=
32M
cos ωt
πd3
x
P
σα
τα
α
τxy
α
σx
α
Q
τxy
α
Figura 7.1. Elemento diferencial de la superficie de un eje macizo de
sección circular
8
Unidad 7. Ejes de transmisión.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Haciendo el equilibrio de fuerzas:
τα + σx sen α cos α + τxy sen2α − τ xy cos2 α = 0
(
)
τα = τxy cos2 α − sen2 α − σx senα cos α
Sustituyendo σx y τxy, y desarrollando,
τα =
16T
16M
cos 2α − 3 sen2α cos ωt
3
πd
πd
Para ese mismo plano definido por α, el esfuerzo cortante tendrá un valor
medio de:
τam =
16T
cos 2α
πd3
y una amplitud de componente alternante
ταa =
16M
sen2α
πd3
En la figura siguiente se observa el diagrama de Soderberg para resistencia al
cortante. Los esfuerzos cortantes alternos se llevan como ordenadas, y los
esfuerzos medios de corte estáticos, como abscisas. La línea de Soderberg
es una recta que pasa por el límite de fatiga a cortadura Sse y la resistencia de
fluencia al cortante Ssy. El límite de fatiga a cortadura es el límite
correspondiente a un elemento de máquina después de haber tenido en
cuenta los factores de tamaño, acabado superficial, concentración de
esfuerzo, etc.
Unidad 7. Ejes de transmisión.
9
Formación Abierta
Sse
A
Línea de Soderberg
45º
Línea de esfuerzo seguro
16M
πd 3
75º 15º
90º 0º
B
16T
πd 3
Esfuerzo cortante medio
Ssy
Ssu
ταm
Figura 7.2. Diagrama de Soderberg
Para determinar si el fallo ocurrirá o no en ciertos planos que forman un
ángulo α con la horizontal, se sitúa un punto en la figura para cada valor de α.
Sus coordenadas serán (ταm, ταa). Por ejemplo, para planos horizontales (α=0)
las coordenadas del punto son:
⎛ 16T ⎞
⎜ πd3 ,0 ⎟
⎝
⎠
En el caso de planos verticales las coordenadas serán:
⎛ 16T ⎞
⎜ − πd3 ,0 ⎟
⎝
⎠
Pero éste es realmente el mismo punto para el que α=0. En el caso de α=45º,
el punto es:
⎛ 16M ⎞
⎜ 0, πd3 ⎟
⎝
⎠
Al considerar la figura se llega a la conclusión de que el factor de seguridad
debe ser el correspondiente al punto de la elipse que esté más próximo a la
línea de fallo. El problema se resuelve trazando una recta paralela a la línea
de fallo y tangente a la elipse. Con tal recta podrá determinarse gráficamente
el factor de seguridad n. El valor de este factor es:
10
Unidad 7. Ejes de transmisión.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
πd3
n=
⎛ T
16 ⎜
⎜ S sy
⎝
2
⎞ ⎛ M ⎞
⎟ +⎜
⎟
⎟
⎠ ⎝ S se ⎠
2
Despejando el diámetro del eje,
⎧
⎪⎪16n ⎡⎛ T
⎢⎜
d=⎨
⎜
⎪ π ⎢⎣⎝ S sy
⎪⎩
1
2
2
⎞ ⎛ M ⎞ ⎤
⎟ +⎜
⎟ ⎥
⎟
⎥
S
se
⎝
⎠
⎠
⎦
1
2
⎫3
⎪⎪
⎬
⎪
⎭⎪
O, usando la teoría del esfuerzo cortante máximo (Ssy=0,5Sy y Sse=0,5Se),
⎧
⎡
⎪⎪ 32n ⎢⎛ T
d=⎨
⎜
⎜
⎪ π ⎣⎢⎝ Ssy
⎩⎪
1
2
2
⎞ ⎛M⎞ ⎤
⎟ +⎜
⎟ ⎥
⎟
⎥
S
e
⎝
⎠
⎠
⎦
1
2
⎫3
⎪⎪
⎬
⎪
⎭⎪
Unidad 7. Ejes de transmisión.
11
Formación Abierta
7.4. MÉTODO DE SINES
El investigador George Sines, de la Universidad de California en Los Ángeles,
ha propuesto una solución que ha sido verificada por muchos experimentos.
La teoría o método de Sines dice:
"La resistencia a la fatiga por flexión no varía por la existencia de un esfuerzo
medio de torsión hasta que τmáx=1,5 Ssy".
n=
Se
S
= e
σa 32M
πd3
El diámetro del eje será:
1
⎛ 32Mn ⎞ 3
d=⎜
⎟
⎝ πS e ⎠
12
Unidad 7. Ejes de transmisión.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
• Un eje de transmisión (o árbol) es un elemento cilíndrico de sección
circular, que suele transmitir un movimiento de giro y sobre el que se
montan distintos elementos mecánicos de transmisión de potencia
(engranajes, poleas, volantes, cadenas, manivelas, etc.).
• En primer lugar se ha dimensionado el eje teniendo en cuenta que actúan
cargas de flexión y torsión, aplicando a las tensiones que aparecen en el
material la teoría del esfuerzo cortante máximo y la teoría de la energía de
distorsión.
• Después se dimensiona el eje teniendo en cuenta que las cargas son una
flexión alternante y una torsión continua.
• El método de Soderberg para diseño de ejes se utiliza para este tipo de
cargas del punto anterior (flexión alternante y torsión continua). Utiliza
este método la teoría del esfuerzo cortante máximo y es un método
gráfico.
• Por último, el método de Sines dice que "la resistencia a la fatiga por
flexión no varía por la existencia de un esfuerzo medio de torsión hasta
que τmáx=1,5 Ssy".
Unidad 7. Ejes de transmisión.
13
CÁLCULO, DISEÑO Y
ENSAYO DE MÁQUINAS
8
EMBRAGUES, FRENOS,
ACOPLAMIENTOS Y
VOLANTES
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
ÍNDICE
♦ OBJETIVOS................................................................................................3
♦ INTRODUCCIÓN ........................................................................................4
8.1. Embragues y frenos de tambor con zapatas interiores .....................9
8.2. Embragues y frenos de tambor con zapatas exteriores ..................17
8.3. Embragues de fricción de disco y acción axial ................................19
8.3.1. Desgaste uniforme .........................................................................20
8.3.2. Presión uniforme ............................................................................20
8.4. Embragues y frenos cónicos .............................................................22
8.4.1. Desgaste uniforme .........................................................................22
8.4.2. Presión uniforme ............................................................................23
8.5. Energía y temperatura ........................................................................24
8.5.1. Energía ..........................................................................................24
8.5.2. Temperatura ..................................................................................25
8.6. Otros tipos de embragues y acoplamientos .....................................26
8.7. Volantes ..............................................................................................27
8.7.1. Ecuación del movimiento ...............................................................27
♦ RESUMEN ................................................................................................31
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
1
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ OBJETIVOS
• Conocer la función que realizan los embragues, frenos y volantes en las
máquinas.
• Conocer los diferentes tipos de frenos y embragues existentes.
• Analizar el funcionamiento de estos dispositivos con la finalidad de poder
diseñarlos.
• Conocer el comportamiento energético y térmico de los embragues y
frenos.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
3
Formación Abierta
♦ INTRODUCCIÓN
En este capítulo se van a tratar un grupo de elementos mecánicos
relacionados generalmente con la rotación y que tienen en común la función
de transmitir, absorber o almacenar energía mecánica de rotación. Debido a
tal similitud de funciones, los embragues, los frenos, los acoples y los
volantes se estudian en el presente.
En la figura siguiente (a) se muestra una representación dinámica simplificada
de un embrague, o freno, de fricción. Dos masas de inercia I1 e I2, que giran
con velocidades angulares ω1 y ω2, respectivamente, una de las cuales puede
ser cero en el caso de un freno, se llevan a la misma velocidad al hacer la
conexión del embrague.
Embrague o freno
ω1
I2
ω2
I1
a)
Ts θ s
Te θe
I,θ
b)
Figura 8.1. Esquema dinámico de embrague o freno y volante
Se producirá deslizamiento porque los dos elementos se mueven a
velocidades diferentes y se disipará energía en forma de calor durante la
acción, originando así una elevación de la temperatura. Para analizar el
funcionamiento de estos dispositivos interesará conocer lo siguiente:
ƒ La fuerza que se ejerce.
ƒ El momento de torsión transmitido.
ƒ La pérdida de energía.
ƒ El incremento de temperatura.
4
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Los distintos tipos de estos dispositivos son:
ƒ De tambor con zapatas interiores.
ƒ De tambor con zapatas exteriores.
ƒ De disco.
ƒ De cono.
Volante
Es un dispositivo almacenador de energía por efecto de la
inercia. Absorbe energía mecánica al ser incrementada su
velocidad angular y la devuelve cuando ésta disminuye. La
figura anterior (b) es una representación matemática de un
volante. Un momento de torsión de entrada Te, que
corresponde a una coordenada θe, originará un incremento en
la velocidad del volante; y un momento de torsión de carga o
salida Ts, correspondiente a la coordenada θs, absorberá
energía del volante y hará que se desacelere o pierda
velocidad.
Consideraciones previas
En el análisis de todos los tipos de embragues y frenos de fricción se emplea
el mismo procedimiento general. Son necesarios los siguientes pasos:
1. Suponer o determinar la distribución de la presión sobre las superficies de
fricción.
2. Hallar una relación entre la presión máxima y la presión en un punto
cualquiera.
3. Aplicar las condiciones de equilibrio estático para determinar:
ƒ La fuerza actuante.
ƒ El par de torsión.
ƒ Las reacciones en los apoyos.
Esquemáticamente, estos pasos se pueden aplicar a la figura siguiente, en la
que se muestra una zapata de fricción de corta longitud articulada en A, sobre
la que actúan una fuerza F, una reacción normal N y una fuerza de
rozamiento fN entre las superficies de contacto, siendo f el coeficiente de
rozamiento. Se designará la presión en un punto cualquiera por p y la presión
máxima por pmáx. El área de la zapata es A.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
5
Formación Abierta
b
Ry
A
F
a
Movimiento
N
Q
fN
Figura 8.2. Esquema de acción de una zapata de fricción
1. Como la zapata es corta se supone que la presión está uniformemente
distribuida sobre el área de rozamiento.
2. Por el paso 1: p=pmáx
3. Como la presión está uniformemente distribuida, pueden sustituirse las
fuerzas de presión normales por una fuerza de presión equivalente:
N = pmáx A
Aplicando las ecuaciones de la estática para los momentos respecto del punto
de articulación,
ΣMA = Fb − Nb + fNa = 0
Sustituyendo N=pmáxA y despejando F,
F=
pmáx A ( b − fa )
b
Siendo su descomposición horizontal y vertical,
Rx = fpmáx A
Ry = pmáx A − F
6
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Lo anterior es muy útil cuando se conocen las dimensiones del embrague o
freno, y se especifican las características del material de fricción. Sin
embargo, en el diseño interesa más la síntesis que el análisis, es decir, el
objetivo es seleccionar un conjunto de dimensiones que permitan obtener el
mejor freno o embrague, dentro de las limitaciones del material de fricción que
se haya especificado.
En la ecuación anterior de la fuerza F, si b=fa, el numerador se anula y no se
requiere aplicar ninguna fuerza. Esta es la condición de autotrabado de la
zapata. Por lo general no interesa el diseño de un freno que sea autotrabado,
pero sí debería aprovecharse plenamente el efecto de autoenergización. Este
puede obtenerse seleccionando para el material de fricción un valor de f que
nunca será excesivo, aún en las condiciones más adversas. Una manera de
hacer esto es incrementar la especificación que da el fabricante para el
coeficiente de rozamiento, por ejemplo en 25-50%. De modo que si f´=0,75f a
0,85f, la ecuación
b = f´a
podrá utilizarse para obtener las dimensiones de a y b, necesarias para el
grado de autoenergización deseado.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
7
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
8.1. EMBRAGUES Y FRENOS DE TAMBOR CON
ZAPATAS INTERIORES
El dispositivo de zapatas interiores de la figura muestra una zapata articulada
en A (talón) y sobre la que se aplica la fuerza de trabajo F en el otro extremo
(punta). Como la zapata es larga, no puede suponerse que la distribución de
las fuerzas normales sea uniforme. La disposición mecánica no permite
aplicar ninguna presión en el talón de la zapata y, en consecuencia, se
considerará que en este punto la presión es cero.
Rotación tambor
y
rdθ
F
dθ
θ2
θ
x
a
A
r
Figura 8.3.
Zapata interior
Es práctica habitual omitir el material de fricción en una corta distancia a partir
del talón, ya que contribuye muy poco al funcionamiento, evitando así
interferencias.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
9
Formación Abierta
a.s
en
θ
y
fdNcosθ
θ
dN
dNsenθ
fdN
θ
Fx
dNcosθ
fdNsenθ
θ2
F
Fy
A
θ1
c
x
r-a
.c
Rx
os
θ
θ
Ry
a
r
ión
tac
o
R
Figura 8.4.
Freno de tambor con zapata interior
Se considerará que existe una presión p sobre un elemento de área del
material de fricción localizado a un ángulo θ desde la articulación. La presión
máxima pmáx se encontrará a un ángulo θmáx desde dicha articulación. Se
realizará la hipótesis (paso 1) de que la presión en un punto es proporcional a
la distancia vertical al punto de articulación. Tal distancia vertical es
proporcional a senθ, y (paso 2) la relación entre las presiones es:
pmáx
p
=
sen θ sen θmáx
Por lo que,
p = pmáx
sen θ
sen θmáx
De esta ecuación se deduce que p será máxima cuando θ=90º, o si el ángulo
a la punta θ2 es menos que 90º, entonces p será máxima en este extremo.
10
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Cuando θ=0, la presión es cero. Por lo tanto, el material de fricción situado en
el talón influye muy poco en la acción de frenado y se podría omitir. Un buen
diseño concentraría la mayor cantidad del material citado en la vecindad del
punto de máxima presión, como se ve en la figura anterior, donde éste
comienza a un ángulo θ1, medido desde el punto de articulación A y termina a
un ángulo θ2.
En cuanto al (paso 3), las reacciones en la articulación serán Rx y Ry. La
fuerza aplicada tiene las componentes Fx y Fy, y actúan a una distancia c del
punto A. A un ángulo θ cualquiera, desde este punto, se ejercerá una fuerza
normal elemental de magnitud dN,
dN = pbr dθ
Donde b es el ancho de la zapata (material de fricción). Sustituyendo el valor
de p,
dN =
pmáxb r sen θ dθ
sen θmáx
Esta fuerza de presión tiene las componentes horizontal y vertical,
respectivamente, dN.cosθ y dN.senθ, como indica la figura. La fuerza de
rozamiento f.dN tiene componentes horizontal y vertical, de magnitudes
f.dN.senθ y f.dN.cosθ, respectivamente. Aplicando las condiciones de
equilibrio estático, será posible calcular la fuerza de trabajo F, el momento de
torsión T y las reacciones en la articulación Rx y Ry.
Se determina la fuerza F mediante la condición de que sea nula la suma de
momentos con respecto al punto de articulación. Las fuerzas de fricción
tienen un brazo de palanca a este punto de valor r−a.cosθ. El momento Mf de
tales fuerzas es,
Mf =
∫f
dN ( r − acos θ) =
fpmáxb r
sen θmáx
∫
θ2
θ1
sen θ ( r − acos θ) dθ
que se obtiene sustituyendo el valor de dN de la ecuación anterior a ésta. La
ecuación que se acaba de obtener se integrará para cada problema.
El brazo de palanca de la fuerza normal dN, con respecto al punto A, es a
senθ. Llamando al momento de las fuerzas normales MN y sumando sus
momentos con respecto a A, se obtiene,
MN = dN ( a sen θ ) =
∫
pmáx bra
sen θmáx
∫
θ2
θ1
sen2 θ dθ
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
11
Formación Abierta
La fuerza de trabajo debe equilibrar estos momentos:
F=
MN − Mf
c
Aquí se ve que existe una condición para que esta fuerza sea nula. Es decir,
que si MN=Mf, se obtiene el efecto de autotrabado y no se requiere aplicar
ninguna fuerza. Esto proporciona un método para determinar las dimensiones
necesarias para que haya alguna acción autoenergizante. Por consiguiente,
usando f´ en lugar de f, puede despejarse a de la relación MN=Mf, donde f´ se
hace aproximadamente igual de 0,75 a 0,85f.
El momento T, aplicado al tambor por la zapata, es la suma de las fuerzas de
rozamiento f dN multiplicadas por el radio de aquél,
∫
T = f dNr =
fpmáx br 2
sen θmáx
∫
θ2
θ1
fpmáx br 2 ( cos θ1 − cos θ2 )
sen θ dθ =
sen θmáx
Las reacciones en la articulación se calculan por suma de fuerzas en
dirección horizontal y en dirección vertical. Por lo tanto:
∫
∫
R x = dN cos θ − f dN sen θ − Fx =
Ry =
∫ dN senθ + ∫ f dN cos θ − F
y
=
pmáx br ⎛
⎜
sen θmáx ⎝
∫
pmáx br ⎛
⎜
sen θmáx ⎝
∫
θ2
θ1
θ2
θ1
sen θ cos θ dθ − f
sen2 θ d θ + f
∫
θ2
θ1
∫
θ2
θ1
sen2 θ dθ ⎞⎟ − Fx
⎠
sen θ cos θ dθ ⎞⎟ − Fy
⎠
El sentido de las fuerzas de rozamiento se invierte si lo hace la rotación. De
modo que, para movimiento en sentido contrario al del reloj, la fuerza será:
F=
MN + Mf
c
Y como ambos momentos tienen el mismo sentido, se pierde así el efecto de
autoenergización. Asimismo, en el caso de rotación contraria a la del reloj, las
reacciones serán,
Rx =
pmáx br ⎛
⎜
sen θmáx ⎝
Ry =
pmáxbr ⎛
⎜
sen θmáx ⎝
∫
θ2
θ1
∫
sen θ cos θ dθ + f
θ2
θ1
sen2 θ dθ − f
∫
θ2
θ1
∫
θ2
θ1
sen2 θ dθ ⎞⎟ − Fx
⎠
sen θ cos θ dθ ⎟⎞ − Fy
⎠
Al utilizar estas expresiones, el sistema de referencia siempre tendrá su
origen en el centro del tambor. La parte positiva del eje x pasa por el punto de
articulación, y la del eje y está siempre en el sentido general de aplicación de
la zapata y del lado de ésta, aún si el sentido de giro es contrario.
El análisis anterior implica las siguientes hipótesis:
12
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
1. La presión de un punto de contacto de la zapata es proporcional a la
distancia desde el punto de articulación, siendo cero en el talón. Esto debe
considerarse desde el punto de vista de que las presiones especificadas
por lo fabricantes son valores medios y no máximos.
2. El efecto de la fuerza centrífuga es despreciable. En el caso de frenos las
zapatas no giran y no existe fuerza centrífuga. En el diseño de embragues,
el efecto de esta fuerza debe considerarse al escribir las ecuaciones de
equilibrio estático.
3. La zapata es rígida. Como esto no se verifica nunca, ocurre siempre
alguna deformación, dependiendo de la carga, la presión y la rigidez de la
zapata. La distribución resultante de la presión puede ser diferente de la
que se ha supuesto.
4. Todo el análisis se ha basado en un coeficiente de rozamiento que no
varía con la presión. En realizad, este coeficiente puede cambiar según
cierto número de condiciones, como la temperatura, el desgaste y el medio
circundante.
Ejemplo 1
El freno mostrado en la figura tiene 300 mm de diámetro y es accionado por
un mecanismo que aplica la misma fuerza F sobre cada zapata. Éstas son
idénticas y tienen un ancho de cara de 32 mm. El revestimiento es asbesto
moldeado, con un coeficiente de fricción de 0,32 y un límite de presión de
1000 kPa. Determinar:
1. La fuerza de trabajo del freno.
2. La capacidad del freno (par de torsión total desarrollado).
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
13
Formación Abierta
30º
Rotación
62
62
F
F
100
126º
112
150
50
50
24º
Solución:
Las fuerzas normales al contacto y las de rozamiento en las dos zapatas son:
Rotación
f.dN
dN
dN
f.dN
1. La zapata derecha es autoenergizante. La fuerza F de trabajo se obtiene
considerando que la presión máxima se produce en esta zapata.
a = 1122 + 502 = 122,65 mm
Para este freno,
θ1 = 0°
θ2 = 126°
14
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
θmáx = 90° ⇒ sen θmáx = 1
Integrando la ecuación del momento de fricción entre θ2 y cero:
Mf = f dN ( r − a cos θ ) =
∫
=
fpmáx b r
sen θmáx
fpmáx b r
sen θmáx
∫
θ2
θ1
sen θ (r − a cos θ ) dθ =
θ2
⎧⎪
⎫⎪ fp b r
1
θ2
2
máx
−
θ
−
θ
r
cos
a
sen
⎨
⎬=
0
2
0 ⎪
⎪⎩
⎭ sen θmáx
a
⎛
⎞
2
⎜ r − r cos θ2 − 2 sen θ2 ⎟
⎝
⎠
Pasando a metros todas las longitudes,
( )
Mf = ( 0,32 ) ⎡1000 103 ⎤ ( 0,032 )( 0,150 ) ⋅
⎣
⎦
⎡
⎤
⎛ 0,123 ⎞
sen2 126° ⎥ = 304 N.m
⋅ ⎢0,150 − 0,150 cos126° − ⎜
⎟
⎝ 2 ⎠
⎣
⎦
Integrando la ecuación del momento de las fuerzas normales entre θ2 y
cero:
p bra
MN = dN ( a sen θ ) = máx
sen θmáx
∫
θ2
∫ sen
2
θ dθ =
θ1
θ
=
2
pmáx bra θ 1
p bra ⎛ θ2 1
⎞
− sen 2θ = máx
− sen 2θ2 ⎟ =
⎜
sen θmáx 2 4
sen θmáx ⎝ 2 4
⎠
0
⎡ π 126 1
⎤
= ⎡1000 103 ⎤ ( 0,032 )( 0,150 )( 0,123 ) ⎢
− sen 2x126° ⎥ = 790 N.m
⎣
⎦
⎣ 2 180 4
⎦
( )
Por lo tanto, la fuerza de trabajo será:
F=
MN − Mf 790 − 304
=
= 2,29 kN
c
100 + 112
2. Aplicamos la ecuación:
Tdcha =
fpmáxbr 2 ( cos θ1 − cos θ2 )
sen θmáx
=
( )
2
0,32 ⎡1000 103 ⎤ ( 0,032 )( 0,150 ) ( cos 0° − cos126° )
⎣
⎦
=
1
Tdcha = 366 N.m
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
15
Formación Abierta
El momento que aporta la zapata izquierda no podrá determinarse hasta
que se conozca su presión máxima de operación. Los momentos de las
fuerzas de rozamiento y normales son proporcionales a esa presión
máxima. Por lo tanto, para la zapata izquierda:
MN =
790pmáx
1000
Mf =
304pmáx
1000
Entonces:
F=
MN + Mf
c
⎛ 790 ⎞
⎛ 304 ⎞
⎜ 1000 ⎟ pmáx + ⎜ 1000 ⎟ pmáx
⎠
⎝
⎠
⇒ 2,29 = ⎝
⇒ pmáx = 444 kPa
100 + 112
El momento en la zapata izquierda será:
Tizda =
fpmáx br 2 ( cos θ1 − cos θ2 )
sen θmáx
=
( )
2
= 0,32 ⎡ 444 103 ⎤ ( 0,032 )( 0,150 ) ( cos 0° − cos126° )
⎣
⎦
Tizda = 162 N.m
La capacidad del freno será el momento total:
T = Tdcha + Tizda = 366 + 162 = 528 N.m
16
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
8.2. EMBRAGUES Y FRENOS DE TAMBOR CON
ZAPATAS EXTERIORES
El embrague-freno de la figura dispone de elementos de fricción exteriores
accionados por un mecanismo cualquiera.
Fx
F
Fy
y
c
fdNsenθ
θ
fdN
dN
θ2
fdNcosθ
dNsenθ
θ
dNcosθ
θ
θ1
Rx
A
x
Ry
r
a
tac
Ro
ió n
Figura 8.5. Freno de tambor con zapata exterior
Los momentos de las fuerzas de fricción y normales, con respecto al punto de
articulación, son iguales a los de las zapatas interiores:
Mf =
fpmáx b r
sen θmáx
∫
θ2
θ1
sen θ ( r − a cos θ ) dθ
MN = dN ( a sen θ ) =
∫
pmáx bra
sen θmáx
∫
θ2
θ1
sen2 θ dθ
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
17
Formación Abierta
Ambas ecuaciones dan valores positivos para momentos en el sentido del
reloj, cuando se emplean para zapatas exteriores. La fuerza de trabajo debe
ser lo bastante grande para equilibrar ambos momentos.
F=
MN + Mf
c
Las reacciones horizontal y vertical en el punto de articulación de hallan de la
misma manera que para las zapatas interiores:
Rx =
∫ dN cos θ + ∫
Ry =
∫ dN cos θ − ∫ dN sen θ + F
f dN sen θ − Fx =
y
=
pmáx br ⎛
⎜
sen θmáx ⎝
pmáx br ⎛
⎜f
sen θmáx ⎝
∫
θ2
sen θ cos θ dθ + f
θ1
∫
θ2
θ1
sen θ cos θ dθ −
∫
θ2
θ1
∫
θ2
θ1
sen2 θ dθ ⎞⎟ − Fx
⎠
sen2 θ dθ ⎞⎟ + Fy
⎠
Si la rotación fuera en sentido contrario al del reloj, se invierte el signo del
término de fricción en cada ecuación:
F=
MN − Mf
c
Además existe autoenergización para la rotación en sentido contrario al del
reloj. Las reacciones horizontal y vertical son:
∫
∫
∫
∫
R x = dNcos θ + f dN sen θ − Fx =
R y = dNcos θ − dN sen θ + Fy =
pmáx br ⎛
⎜
sen θmáx ⎝
pmáx br
sen θmáx
∫
⎛ −f
⎜
⎝
θ2
θ1
∫
sen θ cos θ dθ − f
θ2
θ1
sen θ cos θ dθ −
∫
θ2
∫
θ2
θ1
θ1
sen2 θ dθ ⎞⎟ − Fx
⎠
sen2 θ dθ ⎞⎟ + Fy
⎠
Hay que observar que, cuando se emplean elementos con zapatas exteriores
como embragues, el efecto de la fuerza centrífuga será reducir la fuerza
normal. De esta manera, a medida que aumenta la velocidad se requiere un
valor mayor de la fuerza de aplicación F.
18
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
8.3. EMBRAGUES DE FRICCIÓN DE DISCO Y
ACCIÓN AXIAL
Un embrague axial es aquel en el que los elementos friccionantes que
entrarán en contacto se mueven en dirección paralela al eje de rotación. Uno
de los más antiguos es el embrague cónico, con una estructura sencilla y
bastante poderoso. Sin embargo, excepto para aplicaciones sencillas, ha sido
desplazado por el embrague de disco, que emplea uno o varios de estos
elementos como medios de operación. Las ventajas del embrague de disco
son que no tiene efectos de fuerza centrífuga, la gran superficie de fricción
que puede tenerse en un espacio reducido, las superficies disipadoras de
calor más efectivas y la distribución más favorable de la presión.
En la figura siguiente se muestra un disco de fricción con un diámetro exterior
D y uno interior d. Interesa determinar la fuerza axial F necesaria para
producir cierto momento T y una presión p. generalmente se usan dos
métodos para resolver el problema, dependiendo del tipo de embrague. Si los
discos son rígidos, entonces, en primer lugar ocurrirá la mayor cantidad de
desgaste en las zonas exteriores puesto que el trabajo de fricción es mayor
en estas áreas. Después de ocurrir esta cierta cantidad de desgaste, la
distribución de la presión cambiará de manera que éste sea uniforme. Esta es
la base del primer método de resolución.
En otro tipo de construcción se emplean resortes para obtener presión
uniforme sobre el área. Esta hipótesis de uniformidad de presión es la que se
usa en el segundo procedimiento.
dr
r
d
F
D
Figura 8.6.
Disco de un freno
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
19
Formación Abierta
8.3.1. DESGASTE UNIFORME
Después de que los discos se han desgastado hasta hacer posible el
desgaste uniforme, la presión máxima debe ocurrir en r=d/2, a fin de que
sigua siéndolo. Siendo pmáx la presión máxima, puede escribirse,
pr = pmáx
d
d
⇒ p = pmáx
2
2r
Que es la condición para que el trabajo efectuado a la distancia r sea igual al
realizado a la distancia d/2. La figura anterior muestra un elemento de área
circular de radio r y ancho dr. El área de este elemento es 2πr.dr, de modo
que la fuerza normal que actúa en este elemento es df=2πpr.dr. La fuerza
total se halla por integración desde r=d/2 hasta r=D/2:
F=∫
D/2
d/2
2πpr dr = πpmáx d∫
D/2
d/2
dr =
πpmáx d
( D − d)
8
El par de torsión se determina integrando el producto de la fuerza de fricción y
el radio:
T=
∫
D/2
d/ 2
2πfpr 2 dr = πfpmáx d
∫
D/2
d/2
r dr =
πfpmáx d 2
D − d2
8
(
)
Sustituyendo el valor de F, puede obtenerse otra expresión para el momento
de torsión:
T=
Ff
(D + d)
4
La ecuación que nos proporciona el valor de F nos da el valor de la fuerza
axial de aplicación por par de superficies de rodamiento, y para la presión
máxima seleccionada pmáx. Después se utilizará la expresión última del
momento de torsión para obtener la capacidad torsional por superficie de
fricción.
8.3.2. PRESIÓN UNIFORME
Cuando se considera presión uniforme sobre el área del disco, la fuerza de
trabajo es simplemente el producto de la presión y el área,
F=
πpmáx 2
D − d2
4
(
)
Como antes, el momento se halla integrando el producto de la fuerza de
fricción y el radio,
20
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
T = 2πfp
∫
D/ 2
d/2
r 2 dr =
2πfp 3
D − d3
24
(
)
Como p=pmáx, la ecuación puede escribirse como:
T=
Ff D3 − d3
3 D2 − d2
Hay que observar que para ambas ecuaciones, el momento corresponde a un
solo par de superficies de contacto o rozantes. Por lo tanto, este valor debe
multiplicarse por el número de partes de superficies de contacto.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
21
Formación Abierta
8.4. EMBRAGUES Y FRENOS CÓNICOS
Un embrague-freno cónico es como un embrague-freno de tambor de zapatas
interiores pero, tanto las zapatas como el tambor, adoptan una forma cónica
respecto del eje longitudinal del embrague-freno.
α
p dA
dr
sen α
dr
r
α
F
d
D
Figura 8.7. Embrague o freno cónico
El ángulo del cono α, así como el diámetro y el ancho de cara del mismo, son
los parámetros geométricos de diseño importantes. Si el ángulo es demasiado
pequeño, por ejemplo menor que 8º, la fuerza necesaria para abrir el
embrague puede ser bastante grande, y el efecto de cuña disminuye
rápidamente cuando se usan ángulos de cono mayores. Los valores normales
de α son entre 10º y 15º.
Para hallar una relación entre la fuerza de trabajo F y el momento de torsión
transmitido, se designan las dimensiones del cono como en la figura. Como
en el caso del embrague axial, es posible obtener un conjunto de relaciones
para una hipótesis de desgaste uniforme y otro para la presión uniforme.
8.4.1. DESGASTE UNIFORME
La relación de presión es la misma que para el embrague axial:
p = pmáx
d
2r
En la figura, se considera un elemento de área dA, de radio r y ancho dr/senα.
Por lo tanto,
22
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
dA =
2πr dr
sen α
Como se indica en la figura, la fuerza de trabajo será la integral de la
componente axial de la fuerza elemental p.dA. Así,
∫
F = p dA sen α =
∫
d ⎞ ⎛ 2πr dr ⎞
⎜ pmáx 2r ⎟ ⎜ sen α ⎟ sen α = πpmáx d
⎝
⎠⎝
⎠
D/2 ⎛
d/2
∫
D/2
d/2
dr
πpmáx d
(D − d) (Ecuación exacta que el caso de embrague de disco y
2
acción axial)
F=
La fuerza elemental de fricción es fpdA, y el momento es la integral del
producto de esa fuerza por el radio,
∫
T = rfp dA =
⎛
∫ (rf ) ⎜⎝ p
D/2
máx
d/2
T=
d ⎞ ⎛ 2πr dr ⎞ πfpmáx d
=
2r ⎟⎠ ⎜⎝ sen α ⎟⎠
sen α
πfpmáx d 2
D − d2
8 sen α
(
∫
D/2
d/2
r dr
)
La ecuación del momento en el caso de embrague de disco de acción axial es
un caso especial de esta última ecuación, en la que α=90º. Este momento de
torsión también puede expresarse:
T=
Ff
( D + d)
4 senα
8.4.2. PRESIÓN UNIFORME
Utilizando p=pmáx,
∫
F = pmáx dA sen α =
F=
πpmáx 2
D − d2
4
(
∫
D/2
d/2
⎛ 2πr dr ⎞
pmáx ⎜
⎟ sen α
⎝ sen α ⎠
)
El momento es:
∫
T = rfpmáx dA =
T=
⎛ 2πr dr ⎞
∫ (rfp ) ⎜⎝ sen α ⎟⎠
D/2
máx
d/2
πfpmáx
D3 − d3
12 sen α
(
)
O bien,
T=
Ff D3 − d3
3 sen α D2 − d2
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
23
Formación Abierta
8.5. ENERGÍA Y TEMPERATURA
La energía cinética procedente del movimiento de los elementos de un freno o
un embrague, se convierte en energía calorífica.
8.5.1. ENERGÍA
Cuando se detienen los elementos rotatorios de una máquina mediante un
freno, este último debe absorber la energía cinética de la rotación, la cual se
transforma en calor. Asimismo, cuando los elementos de una máquina que
inicialmente está en reposo, se aceleran hasta cierta velocidad, tiene que
producirse deslizamiento en el embrague hasta que los elementos alcancen la
velocidad del impulsor. Durante el resbalamiento, el embrague o el freno
absorben la energía cinética, la cual se transforma en calor.
Se ha visto cómo la capacidad de par de torsión de un embrague o freno
depende del coeficiente de fricción del material y de una presión o fuerza
normal de seguridad. Sin embargo, el carácter de la carga puede ser tal que,
si se deja actuar este momento de torsión, puede arruinar el embrague o el
freno por el calor generado en ellos. En consecuencia, la capacidad de un
embrague está limitada por dos factores: las características del material de
fricción y la capacidad del embrague para disipar el calor. Si el calor se
genera más rápidamente de lo que se disipa, entonces surge un problema de
elevación de temperatura o calentamiento.
En la figura siguiente puede verse un embrague-freno. Consiste en dos
elementos de inercia conectados por medio de un embrague. Los elementos
de inercias I1 e I2 tienen velocidades angulares ω1 y ω2, respectivamente.
Durante la operación del embrague, ambas varían y al final serán iguales. Se
supone que los dos ejes son rígidos y que el par de torsión T generado, es
constante.
Embrague o freno
ω1
I2
I1
Figura 8.8.
24
Esquema de un embrague o freno
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
ω2
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
La operación del embrague termina en el instante en el que las dos
velocidades angulares se hacen iguales. Considérese que el tiempo requerido
para esto es t1. Se demuestra que:
t1 =
I1I2 ( ω1 − ω2 )
T (I1 + I2 )
La energía total disipada durante el ciclo de operación de embragado o
frenado es:
E=
I1I2 ( ω1 − ω2 )
2
2 (I1 + I2 )
Que es independiente del par de torsión y que, si las unidades son kg y m, la
energía disipada será en Julios.
8.5.2. TEMPERATURA
La elevación de la temperatura en un sistema de embrague o de freno puede
evaluarse aproximadamente por la expresión:
ΔT =
E
Cm
Donde:
E
Energía disipada; J.
ΔT
Elevación de temperatura, ºC.
C
Calor específico del material, J/kgºC.
m
Masa de las piezas del embrague o freno, kg.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
25
Formación Abierta
8.6. OTROS TIPOS DE EMBRAGUES Y
ACOPLAMIENTOS
El embrague de dientes cuadrados es de contacto directo y sus
características son:
ƒ No tiene deslizamiento.
ƒ No genera calor.
ƒ No puede conectarse a altas velocidades.
ƒ A veces no puede cerrarse cuando ambos ejes están en reposo.
ƒ Su conexión a cualquier velocidad va acompañada de choque.
Estos embragues de acción directa no se usan tanto como los de fricción pero
tienen aplicación importante donde se desea una operación sincronizada, por
ejemplo, en prensas mecánicas con motor o en algunos dispositivos para
laminadores.
Algunos mecanismos de impulso rectilíneo o destornilladores motorizados
deben girar hasta un límite y luego detenerse. En estos casos se requiere un
embrague del tipo de desconexión por sobrecarga. Estos mecanismos suelen
tener carga por resorte para que abran con un valor de momento
predeterminado.
Un embrague de giro libre permite que el elemento impulsado gire libremente
al interrumpirse el impulso transmitido, cuando se detiene su máquina motriz
o porque otra máquina aumenta la velocidad de dicho elemento. En la
construcción se emplean rodillos o bolas montadas entre el casquillo exterior
y un elemento interior que tiene superficies de leva maquinadas en su
periferia. La acción de impulso se obtiene acuñando los rodillos entre el
casquillo y tales superficies. Así, este embrague es equivalente a un
mecanismo de trinquete con un número infinito de dientes.
26
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
8.7. VOLANTES
Un volante o volante de inercia es un dispositivo almacenador de energía
por efecto de la inercia. Absorbe energía mecánica al ser incrementada su
velocidad angular y la devuelve cuando ésta disminuye. Al incrementarse la
inercia del sistema debido a la presencia del volante, a igualdad de
condiciones, se reducen las fluctuaciones de velocidad. Si una máquina tiene
una velocidad angular máxima, ωmáx, y una velocidad angular mínima, ωmín,
con valores muy separados, en volante se encarga de reducir ese intervalo de
valores.
Suelen emplearse volantes de inercia en máquinas cíclicas para reducir las
variaciones de la velocidad cuando hay cambios en el par motor o en el par
solicitado al motor dentro del ciclo.
Si el par de la carga y el par del elemento motor de una máquina son
constantes no se precisan volantes. Se emplean volantes cuando se quiere
conseguir una velocidad de régimen constante (o con las menores
fluctuaciones posibles) y:
ƒ El par de la carga es constante pero el par motor es variable con el
tiempo (por ejemplo, motores de combustión).
ƒ Viceversa (por ejemplo, bombas alternativas).
Para el cálculo de los volantes de inercia se suelen utilizar dos parámetros
auxiliares, la velocidad angular media, ωm, y el coeficiente de fluctuación, Cf,
que se definen:
ωm =
ωmáx + ωmín
2
Cf =
ωmáx − ωmín
ωm
8.7.1. ECUACIÓN DEL MOVIMIENTO
Basándonos en la figura siguiente se deducirán las ecuaciones del
movimiento de la masa cuyo momento de inercia respecto al eje de rotación
es I.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
27
Formación Abierta
T
0
Ti
θ
0
θi
I,θ
Figura 8.9.
Esquema de volante de inercia
Tanto el par motor, Ti, como la carga, T0, pueden ser dependientes del ángulo
que define la posición y de la velocidad angular:
..
∑M = 0 = T ( θ , θ ) − T ( θ , θ ) − I θ
i
i
i
0
0
0
Si se supone que el eje es rígido (θi=θ0=θ) la ecuación anterior se convierte
en:
..
( )
( )
I θ = Ti θ, θ − T0 θ, θ
Y conocidos Ti y T0, se puede determinar θ.
En la mayoría de los casos las funciones T=f(θ) son muy complicadas y hay
que recurrir a métodos aproximados.
En algunos casos la carga es constante (T0=cte), y el par motor es oscilante y
se conoce la ley con la que varía en una vuelta (por ejemplo, un motor de
explosión). Si queremos mantener una velocidad constante se debe cumplir:
2π
T0 2π = ∫ Td
i θ
0
O lo que viene a ser lo mismo, el par motor medio, (Ti)m, debe ser igual a T0
(con la hipótesis de velocidad constante). Puede entonces hallarse la
aceleración angular en función del momento de inercia del volante, I, en
cualquier punto θa:
T ( θa ) − ( Ti )m
⎛ d2θ ⎞
⎜ 2⎟ =
I
⎝ dt ⎠θa
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Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
Integrando la ecuación se puede obtener la variación de velocidad entre dos
puntos cualesquiera, por ejemplo, θa y θb:
θb
θ b2 − θ a2 = ∫
θa
(
2 Ti − ( Ti )m
I
) dθ
Para definir el volante de inercia es de gran utilidad esta última ecuación
puesto que si conocemos la curva Ti(θ), sabemos que la máxima fluctuación
de velocidad se producirá entre los valores del ángulo que dan el máximo
valor del área de esa curva.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
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Cálculo, diseño y ensayo de máquinas
♦ RESUMEN
• Los embragues, frenos y volantes tienen la función de transmitir, absorber
o almacenar energía mecánica de rotación. Para analizar el
funcionamiento de estos dispositivos interesará conocer lo siguiente: la
fuerza que se ejerce, el momento de torsión transmitido, la pérdida de
energía y el incremento de temperatura.
• Los principales tipos de embragues y frenos son: de tambor con zapatas
interiores, de tambor con zapatas exteriores, de disco y de cono.
• El procedimiento para el análisis de todos los embragues y frenos es el
siguiente:
ƒ Suponer o determinar la distribución de la presión sobre las
superficies de fricción.
ƒ Hallar una relación entre la presión máxima y la presión en un punto
cualquiera.
ƒ Aplicar las condiciones de equilibrio estático para determinar:
ƒ La fuerza actuante.
ƒ El par de torsión.
ƒ Las reacciones en los apoyos.
• Cuando se detienen los elementos rotatorios de una máquina mediante un
freno, este último debe absorber la energía cinética de la rotación, la cual
se transforma en calor. Asimismo, cuando los elementos de una máquina
que inicialmente está en reposo, se aceleran hasta cierta velocidad, tiene
que producirse deslizamiento en el embrague hasta que los elementos
alcancen la velocidad del impulsor. Durante el resbalamiento, el embrague
o el freno absorben la energía cinética, la cual se transforma en calor.
• Otros embragues y acoplamientos son: de acción directa (dientes
cuadrados), de desconexión por sobrecarga, etc.
• Un volante es un dispositivo almacenador de energía por efecto de la
inercia. Absorbe energía mecánica al ser incrementada su velocidad
angular y la devuelve cuando ésta disminuye.
Unidad 8. Embragues, frenos, acoplamientos y volantes.
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