“FLECHA” La flecha es un elemento rotatorio, de sección transversal circular (cilindro) que se emplea para transmitir potencia o movimiento; una flecha transmite a la maquina por lo menos un par de torsión proveniente de un dispositivo impulsor. Algunas veces, las flechas servirán de soporte para engranes, poleas o ruedas dentadas, mismas que transmiten un movimiento rotatorio de una a otra flecha, vía engranes, bandas o cadenas. La flecha podría ser parte integral del impulsor, como la flecha de un motor eléctrico o el cigüeñal de un motor de combustión interna .
-METODOLOGIA PARA DISEÑO DE FLECHAS (EJES) – 1. Determinación de la posición de los apoyos y cojinetes y elementos como poleas y engranes. 2. Estimación de la geometría de la flecha y selección de un material adecuado basado en consideraciones de resistencia. 3. Análisis de las condiciones de rigidez y las modificaciones modificaciones de la flecha si fuera necesario. 4. Estudio de las características dinámicas y modificaciones del diseño de ser requerido. 5. Aplicación de la la ingeniería ingeniería de valor. 6. Plano de fabricación y procedimiento de uso.
-CARGAS EN LAS FLECHAS – Las cargas en las flechas de transmisión rotatoria son principalmente de uno de dos tipos: torsión debido al par de torsión transmitido o de flexión proveniente de cargas transversales por engranes, poleas o ruedas dentadas. Estas cargas suelen ocurrir combinadas, ya que, por ejemplo, el par de torsión transmitido puede estar asociado con fuerzas en los dientes de engranes o ruedas dentadas de las flechas. El carácter de las cargas por par de torsión y de las de flexión puede ser uniforme (constante) o variar con el tiempo. En un número de casos las cargas aplicadas a las flechas no varían ni en dirección y ni en magnitud, el cálculo de estas flechas o ejes se hace basado en las teorías de falla estática, los esfuerzos en las superficies de estas son:
Esfuerzo normal por flexión
donde:
M = momento flexionante en la sección analizada d = diámetro de la flecha
Esfuerzo cortante por torsión
donde:
T = par de torsión en la sección analizada
Para encontrar explícitamente el diámetro de la flecha hay que utilizar las propiedades del material, de acuerdo con algunas teorías de falla estática y factor de seguridad.
Ecuación diámetro de una flecha cargada estáticamente
[ ( ) ]
donde:
n = factor de seguridad
-SUJECIONES Y CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS EN
FLECHAS – Aunque a veces es posible diseñar flechas de transmisión útiles que en toda su longitud no tenga modificaciones en el diámetro de la sección, lo más común en las flechas es que tengan una diversidad de escalones o resaltos u hombros donde cambia el diámetro, a fin de adaptarse a elementos sujetos como cojinetes, ruedas dentadas, engranes, etcétera, como se aprecia en la figura, que también muestra todo un abanico de procedimientos de uso común para sujetar o localizar elementos sobre una flecha. Los escalones o los hombros son necesarios para conseguir una ubicación axial, precisa y consistente de los elementos sujetos, así como para obtener el diámetro correcto, adecuado a piezas estándar como los cojinetes. Se suele recurrir a cuñas, chavetas circulares o espigas atravesada para asegurar elementos que deban ir sujetos a la flecha, con el fin de transmitir el par de torsión requerido o para fijar la pieza axialmente.
Las cuñas requieren una ranura tanto en la flecha como en la pieza, y pudieran necesitar un tornillo prisionero para impedir cualquier movimiento axial. Las chavetas circulares ranura las flechas, y las espigas transversales generan perforaciones en estas. Cada uno de estos cambios de contorno contribuirá ciertas concentraciones de esfuerzos.
-MATERIALES PARA FLECHASLa mayor parte de las flechas de máquinas se fabrican a partir de un acero al bajo o medio carbono, ya sea rolado en frío o en caliente, aunque también cuando se requiera de su superior resistencia, se aplican aceros de aleación. En flechas de diámetros más pequeños (menores de alrededor de 3 pulg de diámetro), se recurre más al acero rolado en frío, y en tamaños mayores se utiliza acero rolado en caliente. La misma aleación, rolada en frío, tiene propiedades mecánicas superiores a las que tienen rolado en caliente, por el trabajo en frío, pero esto se obtiene a costa de esfuerzos residuales a tensión en la superficie. El maquinado
para formar cuñeros, ranuras o escalones libera estos esfuerzos locales residuales, pudiendo provocar distorsión. Las barras roladas en caliente deben ser maquinadas en toda su superficie para eliminar la capa exterior carburizada. En tanto que en una superficie rolada en frío ciertas porciones pueden quedarse tal cual, excepto cuando se requiera maquinar hasta cierta dimensión para cojinetes, etcétera. Se pueden adquirir flechas de acero preendurecido (30HRC) o rectificado a precisión (recto) en dimensiones pequeñas y maquinarse con herramientas de carburo. También se dispone de flechas de precisión rectificadas totalmente localización angular endurecidas (60HRC), pero éstas no pueden ser maquinadas.
-APLICACIONESFlechas de transmisión en vehículos En la actualidad, la mayoría de los automóviles usan ejes de transmisión rígidos para transmitir la fuerza de la transmisión a las ruedas. Normalmente se usan dos palieres o semiárboles de transmisión para transferir la fuerza desde un diferencial central, un tubo de transmisión o un transeje a las ruedas. En los vehículos con motor delantero y propulsión trasera, hace falta un eje de transmisión más largo para trasladar la fuerza a lo largo del vehículo. Hay dos sistemas principales: El tubo de par, con una junta universal, y el accionamiento Hotchkiss, con dos o más juntas. Este sistema fue conocido como el sistema Panhard después de que la compañía de automóviles, Panhard et Levassor lo patentara.
Los primeros automóviles usaban a menudo mecanismos de transmisión de cadena o de correa antes que un árbol de transmisión. Algunos usaban generadores eléctricos y motores para transmitir la fuerza a las ruedas.
El término “driveshaft” en inglés americano se refiere a cualquier eje que transmite el par motor a las ruedas. En inglés británico, sin embargo, “driveshaft” se referiría al eje transversal, especialmente el delantero, que transmite la potencia a las ruedas. Al que conecta la caja de cambios con el puente trasero, se le llamaría “propeller shaft”. Finalmente, el término “halfshaft” se refiere a un palier o semiárbol de transmisión.
Ejes de transmisión en motocicletas Los ejes de transmisión han sido usados en las motocicletas, prácticamente desde que éstas han existido. Los árboles de transmisión se presentan, frente a las transmisiones de cadena o de correa, como una alternativa relativamente libre de mantenimiento y de mayor duración de vida. Una de las desventajas del eje de transmisión en una motocicleta es que hace falta un sistema de engranajes para girar 90º la potencia desde el árbol a la rueda trasera, perdiéndose algo de potencia en el proceso. Por otro lado, es más fácil proteger las uniones del árbol y los cambios de la arena, el polvo y el barro El fabricante de motocicletas con árbol de transmisión más conocido es BMW, desde 1923. Entre los fabricantes actuales, Moto Guzzi es también muy conocido por sus motocicletas con árboles de transmisión. También han producido motocicletas con árboles de transmisión la compañía inglesa Triumph Rocket III y las japonesas Honda, Suzuki, Kawasaki y Yamaha. El primer uso de un árbol de transmisión en una motocicleta todoterreno fue en las series Tote Gote. Usaba un eje recto que accionaba un tornillo sin fin, que hacía girar un engranaje. La cubierta exterior era de aluminio, sujetada por dos casquillos de caucho. El motor mira hacia delante en el bastidor. Los motores dispuestos longitudinalmente y paralelos al bastidor, como el Flattwin, se usan a menudo para motocicletas con árbol de transmisión. Esto requiere sólo un giro de 90º y no dos, para transmitir la potencia. Moto Guzzi, BMW, Triumph, y Honda usan esta configuración de motor. Estas motocicletas están sujetas al efecto de eje, que hace que el chasis se levante cuando se aplica la fuerza. Esto está contrarrestado en sistemas como el Paralever de BMW, el CARC de Moto Guzzi y el Tetralever de Kawasaki.
Ejes de transmisión en el mundo naval En un barco a motor, el eje de transmisión generalmente conecta la transmisión dentro del navío directamente a la hélice, pasando a través del prensaestopas del eje u otro sello hasta el punto en el que sale del casco (embarcación). El eje de transmisión de un barco también está sujeto a fenómenos físicos de compresión cuando la hélice hace avanzar la nave y tensión cuando retrocede. En la industria naval también se usan juntas Cardan entre la transmisión y la caja de cambios de la hélice o las máquinas de chorro de agua.
“EJES” Un eje es un elemento constructivo destinado a guiar el movimiento de rotación a una pieza o de un conjunto de piezas, como una rueda o un engranaje. Un eje se aloja por un diámetro exterior al diámetro interior de un agujero, como el de cojinete o un cubo, con el cual tiene un determinado tipo de ajuste. En algunos casos el eje es fijo —no gira— y un sistema de rodamientos o de bujes insertas en el centro de la pieza permiten que ésta gire alrededor del eje. En otros casos, la rueda gira solidariamente al eje y el sistema de guiado se encuentra en la superficie que soporta el eje.
EJES DE UN VEHICULO Se denominan ejes de un vehículo a las líneas imaginarias de dirección transversal respecto a las cuales giran las ruedas cuando el vehículo avanza recto. En los ciclos, estos ejes coinciden con los ejes de las ruedas y en los vehículos con ruedas a cada lado, se denomina eje a la recta transversal que une los centros de dos ruedas. Los ejes son componentes del mecanismo de un vehículo. Los ejes mantienen la posición relativa de las ruedas entre sí y éstas respecto al chasis del vehículo. En la mayoría de los vehículos las ruedas son la única parte que toca el suelo y los ejes deben soportar el peso del vehículo y su carga adicional en este transporte, junto con otros esfuerzos como las fuerzas de aceleración y frenado. Además d el objetivo de componente estructural, los ejes deben cumplir con una o más de las siguientes funciones dependiendo del diseño del vehículo:
Transmisión: incorrectamente llamando eje al árbol de transmisión, donde uno o más árboles deben formar parte del sistema de transmisión. Un sistema mecánico ejerce un momento o par motor sobre el árbol que, con la reacción del apoyo del árbol.
Frenado: para disminuir la velocidad de un vehículo se aplica una fuerza descentrada de forma que, con la reacción del apoyo del eje, se forma un momento de fuerzas en sentido contrario a la rotación de la rueda. Tanto los frenos de disco como los freno de tambor, ejercen esta fuerza descantrada. Además puede aplicarse el freno motor a través de la transmisión, que tiene un efecto más significativo en vehículos pesados y con relativamente poca deceleración máxima.
Guía: el eje de una rueda debe además guiar la rueda para que no se desplace axialmente, así como que no gire involuntariamente respecto a un eje perpendicular al eje de giro. El sistema de dirección controla el ángulo de guiado de las ruedas respecto al chasis, en la mayoría de los casos solo las
del el eje delantero. El eje de propulsión es el eje que une la transmisión con el diferencial, usualmente es un tubo hueco.
-CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESUn eje rígido es una barra rígida que une una rueda de un lado con otra rueda del otro lado. Este elemento puede ser o no concéntrico con la rueda de un lado que gire a una velocidad diferente a la del otro lado, lo cual es necesario en las curvas para disminuir el deslizamiento. En los ejes independientes o de suspensión independiente, cada rueda está unida a un eje por separado. Los vehículos de pasajeros modernos generalmente tienen este tipo de eje delante y detrás. Con este tipo de eje la masa no suspendida es menor y cada rueda tiene suspensión por separado y por consiguiente reaccionan de forma diferente que con un eje rígido, proporcionando más confort y maniobrabilidad a circular sobre baches.
Los ejes en tándem son grupos de dos o más ejes próximos. Los camiones usan este tipo de configuración para proveer una mayor capacidad de carga, dadas las limitaciones de carga sobre un único eje.
EJE MOTOR Un eje que es propulsado por el motor se llama eje de propulsión. Los automóviles modernos con tracción delantera típicamente combinan la caja de cambios y el eje delantero en una sola unidad llamada transaxle o conjunto motor. El eje motor se divide con un mecanismo de diferencial y juntas universales entre los dos semiejes. Cada eje está conectado a las ruedas mediante juntas homocinéticas que permiten a la rueda moverse libremente en sentido vertical y guiar las ruedas en las curvas mediante el sistema de dirección. En vehículos con tracción trasera, es posible utilizar juntas cardan, ya que los ejes de las ruedas no cambian de orientación y no se varía la relación de transmisión con el desplazamiento vertical de las ruedas. Algunos diseños simples, tal como en los karts, a veces se utiliza una sola rueda motriz. El eje de propulsión es un eje dividido que sólo conduce a una rueda.
EJE LIBRE Un eje libre es aquel que no forma parte del sistema de transmisión y gira libre. El eje trasero en un automóvil con tracción delantera se puede considerar un eje libre. Los camiones y remolques utilizan tracción trasera debido a su reparto de cargas, a las ventajas del eje rígido para estos vehículos, lo que permite el uso de ruedas libres delanteras. Algunos camiones y remolques tienen un eje portador, que es un eje libre en tándem que puede subirse o bajarse con mecanismos neumáticos para que soporte o no parte del peso del vehículo. El eje se pude bajar para incrementar la
capacidad de carga o para distribuir el peso sobre más ruedas, por ejemplo para cruzar un puente con restricciones de peso por eje. Cuando no se utilizan se levantan del suelo para disminuir el desgaste en los neumáticos debido a la deriva en las curvas. Varios fabricantes ofrecen sistemas neumáticos controlados por computadora para que el eje portador baje automáticamente cuando se alcanza un determinado nivel de carga.
