Selección de Reductores y Acoplamientos
Por Felipe Mascayano
INTRODUCCION TEORICA Todas las máquinas requieren de una fuerza motriz. En la antigüedad ésta venía de animales, seres humanos o los elementos, como el viento o corrientes de agua. Hoy en día la gran mayoría de las máquinas son accionadas por motores ya sean eléctricos, de combustión interna, hidráulicos o turbinas de gas o de vapor. Sin importar de donde provenga la fuerza motriz, es necesario llevar el movimiento y la fuerza, desde el lugar en que se generan hasta el lugar en que se emplean. En las herramientas más sencillas la fuerza motriz se usa directamente para realizar el trabajo deseado, en un cepillo para madera, por ejemplo, se emplea el movimiento de la mano para empujar la carga. En este caso, la carga se mueve a la velocidad de la mano. Pero en la gran mayoría de las máquinas la fuerza motriz se genera en un lugar y en una forma que no pueden emplearse directamente. En un taladro manual, por ejemplo, la fuerza motriz se genera en una manivela pero se emplea en una broca. La manivela estará colocada en forma tal que permita aprovechar la fuerza de la mano que la hace girar, y trabajará a la velocidad que ésta le imprima, mientras que la broca estará colocada en la forma que más convenga para barrenar y girará a una velocidad que permita que el trabajo se haga con mayor eficacia. Es necesario, por tanto, transformar el movimiento de la manivela para que sea útil para el barrenado. En este caso la transformación o transmisión del movimiento se logra mediante un simple tren de engranes. Para cubrir las necesidades de las diversas máquinas que existen, se ha desarrollado una variedad muy amplia de elementos de transmisión. Cuando hablamos de fuerza motriz quedamos ligados a dos principios fundamentales que rigen el movimiento. En primer lugar tenemos las Leyes del Movimiento de Newton, que se resumen en la ecuación:
Fuerza igual a masa por aceleración
Esta ecuación se usa cuando un cuerpo se desplaza con movimiento lineal. Para movimiento giratorio dicha ecuación se convierte en:
en la que “T” es el par, “
” es el momento polar de inercia y “
” es la aceleración angular.
Estrictamente hablando, estas son ecuaciones vectoriales, pero cuando se trata de movimiento en línea recta o giro sobre un eje fijo, las ecuaciones se vuelven algebraicas, que es el caso de la mayoría de los cálculos relacionados a la selección de componentes mecánicos. Tenemos también el principio de la conservación de la energía. Este nos dice que en un sistema cerrado la energía que entra al sistema es igual a la que sale del sistema más el incremento en energía dentro de éste. A la cantidad de energía que entra, sale o se acumula en un sistema por unidad de tiempo se le denomina potencia. En mayor o menor medida, los componentes mecánicos de transmisión toman una parte de la energía que entra y la convierten en calor. Cuando esto sucede, hay un incremento en la temperatura de operación hasta que se alcanza un equilibrio entre la energía que se está absorbiendo y el calor que se disipa en la atmósfera o mediante algún sistema de enfriamiento. Una vez alcanzado este equilibrio, la potencia mecánica a la entrada será igual a la potencia mecánica en la salida más la energía que se disipa en forma de calor. Visto a la inversa, la potencia disponible a la salida de un componente de transmisión es igual a la potencia a la entrada menos las pérdidas por calor.
La eficiencia nos dice cuánta energía se pierde, de manera que la potencia disponible a la salida de cada elemento será igual a la potencia a la entrada multiplicada por su eficiencia, esto es:
(la eficiencia “
”, siempre será menor a 1.0).
En movimiento lineal la potencia mecánica es igual a la fuerza requerida, multiplicada por la velocidad del movimiento, y en movimiento giratorio, es igual al par aplicado multiplicado por la velocidad angular. Nuestra ecuación, en el sistema ISO se convierte en:
En donde: T:
Par en Newtons-metro (Nm) : :
Velocidad angular en radianes por segundo (s
)
Eficiencia por unidad (menor a 1.0)
P:
Potencia en watts (W)
Subíndice s:
Condiciones a la salida
Subíndice e:
Condiciones a la entrada
Comúnmente la velocidad de giro, N, está dada en revoluciones por minuto (rpm), y la potencia en kilowatts (kW). Las unidades más usadas en el sistema inglés son libras-pulgada (lb-in) para el par y caballos de fuerza, Hp, para la potencia. En el caso más sencillo se tiene que seleccionar un motor y su transmisión para una máquina que trabaja a una velocidad constante Ns y requiere un par Ts, también constante. La potencia requerida en el motor Pm, estará determinada por las siguientes ecuaciones: Sistema Internacional
Sistema Ingles
La eficiencia varía bastante entre los diferentes elementos de transmisión que se pueden usar para realizar el mismo trabajo. La potencia requerida en el motor dependerá entonces de los componentes que se empleen. Y al mismo tiempo, la transmisión debe tener la capacidad necesaria para transmitir la potencia del motor. Esta interdependencia hace que sea necesario seleccionar el motor y su transmisión como un conjunto.
No todas las máquinas trabajan a velocidad y con carga constantes, es común que haya paros y arranques con cierta frecuencia o que la velocidad o el par de trabajo varíen. Durante el arranque, el motor y la transmisión tienen que acelerar la máquina desde un estado de reposo hasta la velocidad de operación; esto probablemente implique un periodo durante el que el par transmitido sea más alto que durante la operación estable. El par transmitido también puede elevarse cuando hay variaciones en la velocidad o en la carga. La forma tradicional de tomar en cuenta estas variaciones es mediante la aplicación de factores de servicio, que se multiplican por el par de trabajo para establecer el par de selección (o par de diseño). Los fabricantes de elementos de transmisión publican tablas con factores de servicio que toman en cuenta el tipo de motor, el número de arranques por hora, el número de horas que el equipo trabaja por día y las variaciones en el par debidas al tipo de trabajo que hace la máquina. Comúnmente el factor de servicio de 1.0 es para máquinas impulsadas con motores eléctricos, con trabajo continuo de 8 horas al día, menos de 10 arranques por hora y sin variaciones importantes en la velocidad o la carga.
Curva característica para un motor de inducción tipo jaula de ardilla. Supongamos que para una determinada máquina y condiciones de trabajo, el fabricante del componente a seleccionar recomienda un factor de servicio FS. La capacidad de este componente deberá ser igual o mayor a FS por Ts para la velocidad de salida Ns . Debe tenerse en cuenta que Ts y Ns se refieren a las condiciones en la salida del elemento que se está seleccionando, ya que estas pueden ser diferentes en otros puntos de la transmisión. En algunas máquinas se debe aplicar un factor de servicio para seleccionar el motor. Sin embargo, la mayoría de los motores eléctricos tiene una curva característica de operación similar a la que se muestra en la gráfica, con un par máximo muy superior al par nominal (par a plena carga), por lo que normalmente no es necesario aplicar un factor de servicio para el motor. Además, una vez que se determina la potencia mínima requerida, se tiene que seleccionar un motor estándar con potencia superior a ésta. Si requerimos 4 kW (5.5 Hp), por ejemplo, tendremos que usar un motor de 5.5 kW (7.5 Hp). Para la selección de los elementos mecánicos se puede multiplicar el factor de servicio por la potencia requerida a la salida del elemento a seleccionar, sin embargo, un criterio más conservador pide que se aplique el factor de servicio a la potencia del motor. Hay dos razones para esto, la primera es que en cada arranque el equipo mecánico estará sometido al par máximo del motor y no al par demandado por la máquina, y la
segunda es que pueden darse condiciones en la operación, no previstas en el diseño, que obliguen al motor (y a la transmisión) a trabajar a plena carga. No debemos confundir los factores de servicio con los factores de seguridad. Con los primeros se busca una vida útil adecuada para los componentes, mientras que con los últimos se toma en cuenta la incertidumbre y la necesidad de proteger la integridad de las personas y el equipo. En ocasiones en necesario aplicar ambos tipos de factores simultáneamente. Como hemos visto, en algunos componentes mecánicos hay un incremento en la temperatura hasta alcanzar un equilibrio entre el calor que el componente absorbe y el que se disipa. Por ello, al seleccionar esos componentes, es necesario tomar en cuenta la capacidad térmica. Los fabricantes de elementos mecánicos publican información con la capacidad térmica para condiciones de ambientes normales. Si las condiciones particulares de trabajo de la máquina no están dentro de los supuestos de la información publicada, es posible pedir al departamento de ingeniería del fabricante para que la proporcione.
EJEMPLO: Deseamos seleccionar un motor eléctrico de cuatro polos a 60 Hz (1750 rpm) y un reductor tipo corona-sinfín para un transportador con movimiento intermitente. El par de trabajo en el eje de mando del transportador es de 400 Nm y la velocidad 35 rpm. La máquina trabajará 16 horas por día, con 15 arranques por hora.
A.- El reductor tendrá una relación de velocidad de:
B.- La eficiencia de un reductor de este tipo es de 70% aproximadamente. C.- La potencia requerida en el motor
D.- El motor estándar de potencia superior es de 2.2 kW (3Hp) E.- El factor de servicio recomendado para este reductor en estas condiciones de trabajo es: 1.75 F.- El reductor deberá tener una capacidad mecánica superior a
G.- El reductor deberá tener una capacidad térmica superior a 2.09 kW
Finalizamos haciendo notar que cuando se trata de máquinas que trabajan a velocidad variable, especialmente las accionadas por servomotores, la selección no se hace en base a factores de servicio, sino mediante cálculos basados en el ciclo de trabajo. MASA El primer paso en la selección de un motor y sus elementos de transmisión, es determinar las fuerzas, pares de torsion y velocidades, tanto lineales como angulares, que requiere el trabajo a realizar. Cuando se trata de movimiento lineal las fuerzas requeridas generalmente caen en alguna de las siguientes categorías: Fuerzas requeridas para acelerar o frenar una masa: F=ma Fuerzas requeridas para contrarrestar la acción de la gravedad, Peso P=mg Fuerza de fricción igual al coeficiente de fricción [ ], por la fuerza de contacto [C]. F=
C (ver Figura No. 1).
Figura No. 1 NOTA: La fuerza de fricción actúa siempre en sentido contrario al movimiento y es igual al coeficiente de fricción [ ], multiplicado por la fuerza de contacto entre las superficies en deslizamiento [C]. En este caso la fuerza de fricción será F= mg (cos ). Cargas de proceso, estas son las fuerzas necesarias para hacer un trabajo determinado, como cortar, doblar o laminar metales; bombear o comprimir fluidos, etc. Para movimiento giratorio, en lugar de la masa, usamos el momento de inercia [
].
Par requerido para acelerar o frenar una masa que gira: Par requerido para contrarrestar la acción de la gravedad. T=rP= r mg (ver figura No. 2).
Figura No. 2 NOTA: El par requerido para contrarrestar la fuerza de gravedad es T= rmg Par de arrastre (ver figura No. 3).
Figura No. 3 NOTA: C1 y C2 son las cargas que actúan sobre los respectivos cojinetes (fuerza de contacto). El par de arrastre para cada cojinete será
.
Par provocado por las cargas del proceso. Al estimar las fuerzas y pares requeridos para hacer un trabajo, especialmente durante los periodos de aceleración y frenado, es necesario tomar en cuenta las masas y momentos de inercia de los componentes de la máquina que estarán en movimiento, incluyendo los elementos de transmisión y el mismo motor, ya que despreciarlos puede resultar en un diseño deficiente. También es necesario considerar las condiciones reales
de trabajo de la máquina, como cargas pico, vibraciones, efectos del medio ambiente y el trato que le dan quienes la operan. Por ejemplo, para trabajos similares, serán muy diferentes las especificaciones de una máquina para un laboratorio de precisión que para una mina. a:
aceleración (lineal)
:
aceleración angular
C: F: g: : m: : P: r: T:
Fuerza de contacto entre dos superficies que se deslizan entre sí fuerza o 32.2 aceleración de la gravedad (9.81 sobre la superficie de la tierra) ángulo de inclinación a partir de la horizontal momento de inercia masa coeficiente de fricción Peso radio o brazo de palanca par
MOMENTO DE INERCIA En el sistema ISO el momento de inercia se expresa en [kg-m²]. En el sistema inglés la unidad básica es la libra fuerza [lb], por lo que el momento de inercia se expresa en [lb-seg²-in] o [lb-seg²-ft], pero por razones prácticas, en muchos catálogos se usa el peso y no en la masa. Al momento de inercia basado en el peso se le llama WK², expresado en [lb-in²] o [lb-ft²]. El momento de inercia de un cuerpo puntual de masa “m”, que gira a una distancia fija “r”, alrededor de un eje (ver Figura No. 4) es:
Figura No. 4 En la práctica se usa esta fórmula para cuerpos pequeños que giran a una distancia relativamente grande del eje, como piezas que están colocadas en el diámetro exterior de una mesa giratoria.
El momento de inercia Figura No. 5), es:
, respecto a su eje, de un cilindro sólido y homogéneo, de masa “m”, y radio “r” (ver
Figura No. 5 Para un cilindro hueco con radio exterior "R" y radio interior "r" (ver Figura No. 6), la fórmula es:
Figura No. 6 En la mayoría de los libros de texto de mecánica y dinámica se encuentran cuadros con las fórmulas del momento de inercia de diversas formas geométricas. Para calcular el momento de inercia de cuerpos combinados se pueden sumar los momentos de inercia de los componentes individuales. Existen también instrumentos que miden el momento de inercia de cuerpos de formas complejas. Se denomina momento de inercia reflejado “Jr”, al impacto que un elemento tiene en una parte de la máquina que gira a velocidad diferente, pero con una relación fija “i”, entre ambas velocidades (ver Figura No. 7). Es decir, si un elemento que tiene momento de inercia Jo gira a N1 (rpm), el momento de inercia reflejado a un eje que gira a N2 (rpm) será:
Un error común es despreciar el momento de inercia del rotor del motor y de otros componentes que giran a alta velocidad. Generalmente el momento de inercia de estas partes es pequeño comparado otras partes de la máquina, sin embargo, al multiplicarlo por el cuadrado de la relación de velocidades, el momento de inercia reflejado a los ejes de baja velocidad puede ser muy grande.
Figura No. 7 Momento de inercia de un cuerpo que gira sobre el eje “A” a N1 [rpm], reflejado al eje “B” que gira a N2 [rpm]. Un cuerpo de masa “m”, con velocidad lineal “v”, en relación constante “k”, con respecto a un eje giratorio, tendrá un momento de inercia reflejado a este eje (ver Figura No. 8).
Figura No. 8 Momento de inercia de un cuerpo de masa "m" que se desplaza a una velocidad "v", reflejado al eje "A" que gira a N [rpm]. En la fórmula de la figura No. 8
en donde "v" está expresado en [metros por segundo] ([pulgadas por segundo] en el sistema inglés) y"
" está expresado en segundos-¹
o bien
en donde "v" está expresado en [metros por minuto] ([pulgadas por minuto en el sistema inglés]) y "N" está expresado en [rpm]. El par de torsión "T", requerido para pasar de una velocidad inicial "Ni" expresada en [rpm], a una velocidad final "Nr" también en [rpm], en un tiempo "t", será: A.- Para T expresado en [Nm] y Jr en [kg-m²], o bien T expresado en [lb-in] y en [lb-seg²-in] o finalmente T expresado en [lb-ft] y Ji en [lb-seg²-ft].
B.- Para T expresado en [lb-in] y Jr en [lb-in²]
C.- Para T expresado en [lb-ft] y Jr en [lb-ft²]
Donde , representa la suma de los momentos de inercia de todos los componentes giratorios de la máquina, reflejados al eje que pasará de Ni a Nr.
ENGRANAJES Los engranajes son un sistema de transmisión de movimiento entre ejes basado en el contacto entre la superficie de los dientes. La primera concepción de engrajes consistiría en dos ruedas de fricción para posteriormente concebirse como una rueda en la que se insertaban bastones. En la China ancestral ya existían, Leonardo da Vinci diseñó muchas de las disposiciones de las cuales heredan los engranajes actuales, pero no es hasta la Revolución Industrial cuando realmente se desarrollan, habiendo variado poco desde entonces. Actualmente se intenta disminuir las pérdidas por fricción y aumentar la vida de los engranajes
Hoy en dia los engranajes están muy estandarizados en cuanto a forma y tamaño de los dientes. Una de las normas que se siguen es la desarrollada por AGMA (American Gear Manufacturers Association)
Normalmente no se comercializan engranajes sueltos, sino que un grupo de éstos forma una caja reductora o un tren de engranajes, de una o varias etapas, que conectan dos ejes en rotación transmitiendo la potencia a una velocidad y un par adecuados.
LEY DE ENGRANE La razón de velocidad angular "i" del engrane (o tren de engranajes) debe mantenerse constante a lo largo del acoplamiento. Esto complica el diseño del perfil del diente. Para mantener este cociente de velocidades constante es necesario utilizar perfiles conjugados entre los 2 engranes, siendo los más comunes los de evolvente (90% de los casos) y cicloidal TIPOS DE ENGRANAJES
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cilíndricos o de dientes rectos o de dientes helicoidales o inclinados o de tornillo sin fin - corona cónicos o de dientes rectos o de dientes helicoidales o inclinados ejes que se cortan hipoidales, de ejes que se cruzan trenes de engranajes planetarios o epicicloidales
ENGRANAJES CILÍNDRICOS DE DIENTES RECTOS Transmiten el movimiento entre ejes paralelos. Su zona de contacto es una línea, produciéndose un salto cuando entran a conducir, por tanto este pequeño impacto provoca ruido desgaste y vibraciones
ENGRANAJES CILÍNDRICOS HELICOIDALES También transmiten el movimiento entre ejes paralelos pero la directriz del diente se inclina produciéndose contacto en un punto que se mueve a lo largo de una línea en la cara del diente En consecuencia hay varios dientes en contacto en la misma recta evitando los problemas de los cilíndricos rectos. Sin embargo el hecho de ser inclinados hace que los esfuerzos tengan una componente axial, que se puede contrarrestar con otro engranaje con la inclinación de los dientes colocado al revés
TORNILLO SIN FIN - CORONA Se trata de un engranaje helicoidal en el que el ángulo de la hélice es tan grande que para que la corona de una vuelta completa el tornillo ha de dar muchas vueltas. Se utiliza cuanto se quiere reducir mucho la velocidad ( por ej. agitadores de depuradoras... ) Es un mecanismo que tiene muchas pérdidas por roce entre dientes, esto obliga a utilizar metales de bajo coeficiente de roce y una lubricación abundante, se suele fabricar el tornillo (gusano)de acero y la corona de bronce
ENGRANAJE CÓNICO RECTO Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en ángulo. La característica fundamental de este tipo es que su superficie de paso son unos troncos de cono. Los puntos de engrane describen circunferencias contenidas en una esfera. Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales.
ENGRANAJE CÓNICO HELICOIDAL Al igual que el anterior se utilizan para reducir la velocidad en ejes en ángulo. La diferencia con el cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto, hace relativamente menos ruido, pero es más caro y difícil de fabricar Se utilizan en las transmisiones posteriores de camiones y automóviles de la actualidad
ENGRANAJE CÓNICO HIPOIDAL Parecidos a los cónicos helicoidales, se diferencian en que el piñón de ataque esta descentrado con respecto al eje de la corona. Esto permite que los engranajes sean más resistentes. Este efecto ayuda a reducir el ruido del funcionamiento. Se utilizan en maquinas industriales y embarcaciones, donde es necesario que los ejes no estén al mismo nivel por cuestiones de espacio
TRENES DE ENGRANAJES PLANETARIOS O EPICICLOIDALES Los trenes epicicloidales tienen varias ventajas sobre los trenes convencionales, entre estas tienen relaciones de transmisión más elevadas en paquetes más pequeños, la posibilidad de salidas simultáneas concéntricas a partir de una entrada.
Son usados como transmisiones automáticas en automóviles como también en el eje diferencial de las ruedas de un vehiculo para compensar las el giro mayor de una rueda respecto de la otra en las curvas.
OBSERVACIONES En el contacto entre dos dientes se va a producir una rotación y un desplazamiento del punto de contacto. Esto conlleva una serie de inconvenientes:
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unas pérdidas energéticas que disminuyen el rendimiento Vida limitada Necesidad de lubricar para aumentar la vida del contacto Carburizar las superficies de los engranajes para endurecerlas En consecuencia hay que llevar un mantenimiento adecuado LA caja reductora debe ser capaz de disipar el calor generado
ASPECTOS GENERALES SOBRE REDUCTORES Y MOTORREDUCTORES
Los Reductores y los Motorreductores son elementos mecánicos muy adecuados para el accionamiento de todo tipo de máquinas y aparatos de uso industrial, que se necesiten reducir su velocidad de una forma eficiente, constante y segura. Las ventajas de usar Reductores y/o Motorreductores son:
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Alta eficiencia de la transmisión de potencia del motor. Alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitidos. Poco espacio para el mecanismo. Poco tiempo de instalación y mantenimiento. Elemento seguro en todos los aspectos, muy protegido.
MOTORREDUCTORES Los Motorreductores se suministran normalmente acoplando al mecanismo reductor un Motor eléctrico normalizado, cerrado y refrigerado por un autoventilador. Además, este motor suele incluir como protección, un Guarda-Motor que limita su intensidad y un relé térmico de sobrecarga, que asimismo se corresponde a la llamada clase de Protección IP-44. CARACTERISTICAS DEL REDUCTOR O MOTORREDUCTOR - TAMAÑO 1. 2. 3. 4.
Potencia, en kW, de entrada y de salida. Velocidad, en RPM, de entrada y de salida. PAR (o torque), a la salida del mismo, en Nm. Relación de reducción: índice que detalla la relación entre las RPM de entrada y salida.
CARACTERISTICAS DEL TRABAJO A REALIZAR 1. 2.
- Tipo de máquina motriz. - Tipos de acoplamiento entre máquina motriz, reductor y salida de carga.
3. 4. 5. 6. 7.
- Carga: uniforme, discontinua, con choque, con embrague, etc. - Duración de servicio: horas/día. - Nº de Arranques/hora. – Condiciones del ambiente (Humedad, Temperatura) – Ejecución del equipo (Ejes a 180º ó 90º, Eje de salida horizontal, vertical, etc.)
SELECCION DE POTENCIA DE LOS REDUCTORES En el trabajo diario en la industria es muy difícil que se den las condiciones idóneas para el trabajo de un elemento como un Reductor o Motorreductor. Por lo tanto, para calcular la potencia que debe tener un Reductor a acoplar a una determinada Carga, la potencia requerida por la máquina accionada a través del Reductor se debe multiplicar por el FACTOR DE SERVICIO; el resultado se llamará Potencia de Elección. En algunos casos en más importante el PAR que puede dar un Reductor que la Potencia, por lo que en la Elección se tendrá más en cuenta este PAR. MANTENIMIENTO DE REDUCTORES Los engranajes, casquillos y rodamientos de los reductores y motorreductores están lubricados habitualmente por inmersión o impregnados en la grasa lubricante alojada en la carcasa principal. Por lo tanto, el Mantenimiento pasa por revisar el nivel de aceite antes de la puesta en marcha. La carcasa tendrá visibles los tapones de llenado, nivel y drenaje del lubricante, que deben estar bien sellados. Debe mantenerse especialmente limpio el orificio de ventilación; también debe respetarse el tipo de lubricante recomendado por el fabricante, que suele ser el más adecuado a su velocidad, potencia y materiales constructivos. Según el tipo del reductor, se suele recomendar una puesta en marcha progresiva, en cuanto a la carga de trabajo, con unas 50 horas hasta llegar al 100%. Asimismo, es muy recomendable el sustituir el aceite la primera vez tras 200 horas de trabajo, pudiendo incluso el decidir en ese momento un "lavado" del Reductor. A partir de ese momento, los cambios del lubricante deberán hacerse SIEMPRE de acuerdo con las recomendaciones del fabricante, siendo plazos habituales cambios cada 2.000 horas de trabajo. En caso de disponer de Reductores de repuesto, estos deben permanecer completamente llenos del lubricante recomendado, para prevenir la oxidación de los elementos internos, así como protegidos los acoplamientos. Es importante "marcar" en el mismo Reductor la necesidad de vaciar el lubricante sobrante ANTES de ser puesto en servicio. Para finalizar, reiterar que los consejos aquí dados son solo recomendaciones GENERALES, y que siempre que sea posible y conocidas, deben atenderse las recomendaciones específicas del Fabricante para el modelo en cuestión.
REDUCTORES DE VELOCIDAD INTRODUCCION: Ante los avances en tecnología para motores de velocidad variable, especialmente los servomotores y motores a pasos, el diseñador debe contemplar la posibilidad de eliminar el reductor usando una transmisión directa entre el motor y la máquina. Esta solución es costeable si el motor puede operar eficiente y adecuadamente a la velocidad requerida. No debe perderse de vista, sin embargo, que la potencia nominal de los motores de velocidad variable se establece para una velocidad base, y que por debajo de ésta la potencia del motor está limitada por el par nominal y por la capacidad térmica del motor. Cuando se trabaja con servomotores y motores a pasos es también importante tomar en cuenta la relación entre el momento de inercia del motor y el de la máquina, ya que si esta relación pasa ciertos limites para el motor en cuestión, se hace necesario el uso de un reductor de velocidad para poder controlarlo adecuadamente. TIPOS DE REDUCTORES Al seleccionar un reductor se deben tomar en cuenta, además de la capacidad y la velocidad requeridas, los costos, la eficiencia, el régimen y las condiciones de trabajo, el espacio disponible, la disponibilidad de refacciones, la confiabilidad y la precisión. Para cubrir estas necesidades hay en el mercado varios tipos de reductores de velocidad, cada uno de ellos con una combinación de atributos que lo hacer más o menos deseable para un trabajo en particular. A continuación se presentan las características principales de algunos. Engranes Cilíndricos Los engranes cilíndricos permiten transmisión entre dos ejes paralelos, sin embargo, al usar más de un paso, se pueden realinear los ejes para que el eje de salida sea colineal con el de entrada. Los engranes de dientes rectos son quizá los más comunes y baratos. Tienen buena eficiencia, 95% o más, y alta capacidad. Su principal limitación es que tienden a producir ruido y vibraciones. Mediante el uso de engranes de dientes helicoidales se puede incrementar la capacidad y la eficiencia (97 a 99% por paso). Los dientes helicoidales producen menos ruido y vibraciones que los rectos, pero requieren de mejor lubricación, y rodamientos que soporten las cargas axiales que generan. Es posible tener engranes cilíndricos helicoidales con ejes cruzados, aunque son poco usuales en el mercado, hay, por ejemplo, reductores con engranes de este tipo en relación 1:1 y ejes huecos perpendiculares. Por cuestiones prácticas, en los reductores estándar se limita la relación de reducción a 7:1 por paso, aproximadamente. Sin embargo hay reductores de fabricación especial y máquinas con engranes expuestos que tienen relaciones mucho mayores. Para contrarrestar las cargas axiales generadas por los engranes de dientes helicoidales, se pueden emplear engranes de doble hélice, que tienen mayor costo y requieren de mayor precisión en los soportes.
Conjunto de engranes de doble hélice Cortesía de Flender
Conjunto de Engranes Cilindricos Helicoidales Cortesía de Flender
Engranes Cónicos Los engranes cónicos permiten que los ejes trabajen en ángulo, casi siempre de 90°. Los dientes pueden ser rectos o en espiral. Al igual que con los engranes cilíndricos, los de dientes rectos provocan más ruido y vibraciones. Los de dientes en espiral, por su parte, requieren mayor precisión en la alineación y permiten menos juego interno en los rodamientos. Los engranes cónicos a menudo son empleados en relación 1:1 para crear derivaciones en la transmisión, que permiten sincronizar diversas partes de una máquina. La relación máxima en reductores estándar es también de 7:1 aproximadamente en un juego de engranes cónicos. Para ampliar la gama de relaciones de velocidad se puede combinar un paso cónico con uno o más pasos cilíndricos.
Caja con engranes cónicos con dientes en espiral Cortesía de Flender
Corona - Sinfín En los reductores tipo corona-sinfín, los ejes son perpendiculares, pero no están sobre el mismo plano, lo que permite mayor espacio para los soportes tanto del sinfín como de la corona. Este tipo de engranes permite relaciones muy elevadas, hasta 100:1 en un solo paso, ocupando un espacio pequeño. Su desventaja principal es su baja eficiencia. Hay reductores de dos o más pasos de corona-sinfín o un paso corona-sinfín con uno o más pasos de engranes cilíndricos. Dependiendo de la geometría interna y de los materiales, un sistema de corona y sinfín puede o no trabajar en sentido invertido, es decir, con el eje de baja velocidad como lado motriz. Aunque esto es diferente para cada fabricante y diseño, podemos decir que en la mayoría de los casos los reductores con relación menor a 15:1 o
20:1, aproximadamente, pueden trabajar en sentido invertido (con una eficiencia sumamente baja) y los de relación mayor son autobloqueados, es decir, tienden a amarrarse si en estado estático se aplica un par en el eje de baja velocidad. Aunque un reductor sea autobloqueado, no es recomendable usarlo como freno para sostener una carga, ya que vibraciones o golpes pueden permitir el movimiento de la carga. Tampoco se recomienda realizar un frenado dinámico desde el eje de alta velocidad de reductores autobloqueados, ya que esta práctica puede causar daños en los engranes.
Reductor tipo corona-sin fín con brida (o campana) para servomotor y cople tipo fuelle de alta rigidez torsional. Cortesía de SIPCO
Dada su baja eficiencia y su tamaño relativamente pequeño, en algunas condiciones de trabajo los reductores tipo corona-sinfín requieren de lubricantes especiales o de sistemas de enfriamiento, como ventiladores o intercambiadores de calor. Existen varios diseños para este tipo de engrane. El estándar tiene un sinfín cilíndrico y contacto tanto en el acercamiento de la corona al sinfín, como en la parte recesiva del movimiento. En los engranes de acción recesiva el contacto solo ocurre en la etapa recesiva, lo que permite mayor capacidad y eficiencia. El sistema de sinfín con dientes de perfil cóncavo ofrece también ventajas en cuanto a capacidad y eficiencia. Y el diseño de doble envolvente, en que el sinfín sigue la forma de la corona, permite un mayor número de dientes en contacto para incrementar la capacidad y la eficiencia. Hay también sistemas que reducen el juego interno en los engranes, algunos de los cuales alcanzan a eliminarlo totalmente. Desde luego, el costo se incrementa en la medida que se hace más sofisticado el diseño. Engranes Hipoidales Estos engranes son una variante del engrane cónico en que los ejes quedan en ángulo pero sin cruzarse. Este sistema ha tenido más aplicación automotriz y se ve poco en reductores estándar industriales. El engrane hipoidal ofrece mayor capacidad que el engrane cónico con eficiencia poco menor a la de éste. Engranes de dientes laterales Hay diversas versiones de este tipo de engrane. Una de ellas utiliza un piñón cilíndrico de dientes rectos con una corona de dientes laterales. Este arreglo es similar a los engranes cónicos, pero permite el desplazamiento lineal del piñón sobre su eje, con lo que se obtienen ventajas para ciertas aplicaciones. Otra versión usa un sinfín con una corona de dientes laterales, en forma similar a los engranes hipoidales, permitiendo mayor capacidad que éstos y mayor eficiencia que los de corona-sinfín estándar.
Sistemas Cicloides Mediante el uso de componentes excéntricos (cigüeñales) y un sistema de pernos, rodamientos, ruedas dentadas y rodillos se logran relaciones de velocidad mayores a 100:1 en un solo paso. En condiciones ideales de trabajo la eficiencia llega a 95% pero puede bajar rápidamente si la carga es menor al 90% de la capacidad del reductor. Hay reductores de dos o tres pasos cicloidales, alcanzando relaciones del orden de 500,000:1. Estos reductores tienen una alta capacidad para soportar cargas pico.
Transmisión cicloidal Teijin Seiki Boston, Inc.
Cortesía
de
Harmonic
Drive
Technologies,
Por sus dimensiones reducidas, en algunas condiciones de trabajo la capacidad natural de disipar calor puede ser insuficiente, haciendo necesarios ventiladores u otros sistemas de enfriamiento. En forma y con consecuencias similares a los reductores tipo corona-sinfín, dependiendo se la geometría interna pueden trabajar sentido invertido o ser autobloqueados. Por su bajo momento de inercia, algunos reductores están diseñados para altas velocidades y precisión, con adaptadores para servomotores, juego interno nulo y alta rigidez torsional.
Este reductor tiene un eje hueco a la entrada, un primer paso de engranes cilíndricos rectos y un segundo paso cicloidal. La salida es a través del plato frontal. Cortesía de Harmonic Drive Technologies, Teijin Seiki Boston, Inc.
Sistemas de Engranes Planetarios Estos sistemas tienen un piñón central, un conjunto, que generalmente es de tres engranes que giran alrededor del piñón, llamados satélites, y una corona con dientes internos. Los dientes de los engranes pueden ser rectos o helicoidales. El sistema planetario ofrece una capacidad elevada en una envoltura pequeña porque la carga se comparte entre los tres satélites. Alcanzan relaciones de 10:1 por paso y los ejes son colineales. Trabajan en sentido invertido, como multiplicadores de velocidad, con eficiencia similar al sentido de reducción. Pueden combinarse con un paso preliminar de engranes cónicos, engranes de dientes laterales o corona-sinfín para tener ejes perpendiculares. Sus características los hacen atractivos para transmitir cargas elevadas en espacios reducidos. Para usos de alta precisión y velocidad se fabrican con juego interno reducido (menor a 3 minutos de arco) y con adaptadores para acoplarse directamente a servomotores.
Juego de engranes Cortesía de Flender
planetarios
con
dientes
rectos
Engranes Harmónicos Estos sistemas tienen en el centro una leva elíptica, alrededor de la cual está colocado un engrane circular. La pared del engrane es delgada por lo que éste toma la forma de la leva. En la parte exterior hay una corona circular con dientes internos. La corona tiene dos dientes más que el engrane. El contacto entre el engrane y la corona ocurre en los extremos del eje mayor de la leva elíptica. Haciendo girar la leva una revolución completa respecto a la corona, el engrane girará en sentido contrario el equivalente a dos dientes. De manera que la relación de velocidades es igual a la mitad del número de dientes del engrane, haciendo posibles
relaciones del orden de 300:1 en un solo paso. La eficiencia de estos reductores varía con la velocidad, la carga y la lubricación. Para condiciones normales de trabajo es de entre 80 y 90%. Estos reductores pueden trabajar en sentido invertido y a altas velocidades. El juego interno en estos engranes es nulo, pero puede haber juego entre los ejes de entrada y salida provocado por otros componentes del reductor. La combinación de tamaño, momento de inercia y precisión los hacen atractivos en robótica y aplicaciones similares.
Funcionamiento de los engranes harmónicos. Cortesía de Harmonic Drive Technologies, Teijin Seiki Boston, Inc.
Partes fundamentales de un reductor
Caja principal Una de sus funciones principales es servir como depósito de aceite. Su diseño elimina la posibilidad de fracturas debidas a esfuerzos exagerados que ocasionalmente pudieran ejercerse sobre el reductor.
Engranes Transmiten un movimiento de rotación mediante el contacto sucesivo de la superficie interna de los dientes.
Flecha de entrada El eje por la cual se transmite el movimiento proveniente de la máquina motriz.
Flecha de salida
El eje por la cual se transmite el movimiento a la máquina movida.
Rodamientos Deben de soportar las más severas sobrecargas, minimizar fricción y facilitar el arranque.
Sello de aceite Evita la fuga de aceite y la entrada de polvo y agua.
Partes fundamentales de un motorreductor El motorreductor de velocidad es un reductor de velocidad que tiene el motor integrado.
Caja principal Una de sus funciones principales es servir como depósito de aceite. Su diseño elimina la posibilidad de fracturas debidas a esfuerzos exagerados que ocasionalmente pudieran ejercerse sobre el reductor.
Tapa porta engranes Soporta los engranes, baleros y flechas. Debe ofrecer rigidez y evitar deformaciones, mantener un alineamiento preciso entre todas las partes giratorias y facilitar la inspección y el mantenimiento de la unidad.
Engranes Transmiten un movimiento de rotación mediante el contacto sucesivo de la superficie interna de los dientes.
Flecha de entrada El eje por la cual se transmite el movimiento proveniente de la máquina motriz.
Flecha de salida El eje por la cual se transmite el movimiento a la máquina movida.
Baleros Deben de soportar las más severas sobrecargas, minimizar fricción y facilitar el arranque.
Sellos de aceite Evitan la fuga de aceite y la entrada de polvo y agua.
SELECCION Es común que la selección del motor y su transmisión se deje para el final del diseño, una vez que todo lo demás está definido. Para algunas máquinas ésta puede resultar una forma práctica de diseñar, pero en otras puede llevar a un diseño inadecuado, especialmente si se tienen restricciones en espacio, velocidad, aceleración, precisión, eficiencia, etc. Es preferible, entonces, que el proceso de selección de los componentes de transmisión se haga simultáneo con el desarrollo del resto de la máquina. En la actualidad los fabricantes ofrecen muchas opciones en cuanto a materiales, arreglos de ejes, sistemas de soporte, sellos y retenes, lubricantes especiales, y diseños para condiciones severas de trabajo. Al seleccionar un reductor conviene tener en cuenta estas opciones ya que pueden ofrecer ahorros importantes o representar la diferencia entre una selección adecuada y una deficiente.
Reductor planetario con opciones: Brida para acoplamiento directo del motor; Brida de montaje con superficies piloto maquinadas para soportes; Carcasa con alojamiento especial para rodamientos del eje de salida; y piñón cilíndrico de dientes rectos en el eje de salida . Cortesía de SIPCO.
La relación de velocidades, i, requerida, será igual a la velocidad de entrada, Ne (rpm), dividida por la velocidad de salida, Ns (rpm). Por ejemplo, si la velocidad del motor es de 1750 rpm. y la deseada a la salida del reductor es 50 rpm.:
La potencia requerida a la entrada del reductor será:
en donde: Pe: Ts: Ns: : K:
potencia requerida a la entrada par requerido a la salida velocidad a la salida en rpm eficiencia constante de conversión= 9,550 para par en Nm y potencia en kW 63,025 para par en lb-in y potencia en Hp 5,252 para par en lb-ft y potencia en Hp
La carga radial sobre un eje, carga en voladizo, provocada por un elemento de transmisión, como una polea o catarina, tiene un impacto importante sobre la vida útil de los rodamientos que soportan el eje. Además, cada reductor tiene limitaciones estructurales respecto a la magnitud, el punto de aplicación y la dirección de esta carga. Aunque existen formas más precisas de determinarla, esta carga se puede estimar mediante la siguiente formula:
Lr: carga radial sobre el eje Tt: par que transmite el elemento mecánico rp: radio de paso del elemento fr: factor de carga radial, conforme al cuadro No. 1. Cuadro No. 1 Catarina Polea dentada Engrane Polea Banda V Polea para Banda Plana
Factor de carga fr 1.00 1.00 1.25 1.50 2.50
Para determinar las capacidades mecánica, térmica y para soportar cargas radiales y axiales sobre los ejes, requeridas en el reductor, se debe tomar en cuenta la potencia a la entrada, los componentes de transmisión montados sobre los ejes de entrada y salida, si se espera que el reductor soporte cargas generadas por la máquina, el régimen y condiciones de trabajo, y el medio ambiente (para una discusión más detallada, ver los capítulos respectivos publicados en este foro). En los cálculos correspondientes es preferible seguir las recomendaciones del fabricante del equipo que se está seleccionando, ya que, aunque muchos siguen los estándares AGMA o ISO, algunos fabricantes usan definiciones para la capacidad y/o criterios para establecer los factores de servicio diferentes a los establecidos en dichos estándares. Y en última instancia, cada fabricante conoce mejor su equipo, y ofrece garantías de acuerdo a sus propios criterios de selección.
Esquema de la Información necesaria para la Selección de un Reductor 1) Tipo de Maquina Máquina motriz: Es cualquier tipo de máquina, ya sea motor eléctrico, de combustión interna o de turbinas, que comunica movimiento al reductor de velocidad. Máquina movida: Es una máquina cuyo movimiento es provocado por el reductor de velocidad y por la máquina motriz.
2) Factor de Servicio Es un valor numérico que se ha dado a cada una de las aplicaciones de los reductores de velocidad, de acuerdo con las condiciones y requerimientos de operación. Normas AGMA Por regla general, esta clasificación se usa en motorreductores de velocidad. Clase AGMA I corresponde a un factor de servicio de 1.00 Clase AGMA II corresponde a un factor de servicio de 1.41 Clase AGMA III corresponde a un factor de servicio de 2.00
3) Relación de Reducción
4) Potencia Potencia real: Es la potencia efectiva de la máquina motriz.
Potencia de catálogo: Es la potencia que un reductor puede transmitir a una velocidad determinada con un factor de servicio de 1. Potencia equivalente: Esta potencia equivalente nos permitirá seleccionar cualquier tipo de reductor de cualquier marca, logrando con esto que trabaje adecuadamente sin desgastes prematuros, desde luego en condiciones normales de operación y mantenimiento.
Potencia térmica: Es la potencia mecánica real que un reductor puede transmitir a determinada velocidad de entrada durante tres horas sin sobrecalentarse (en este caso no debe considerarse el factor de servicio).
5) Tipo de Carga
Carga en voladizo: Es una reacción producida sobre las flechas y baleros del reductor cuando se conecta a la máquina motriz o a la máquina movida por medio de poleas, engranes o catarinas.
HP= potencia real Fc= factor de carga Lf= localización de carga Diametro de paso en pulgadas RPM= velocidad en la flecha por acoplar del reductor Carga axial: Es una reacción producida sobre las flechas y baleros del reductor por las máquinas motrices o movidas, principalmente en aplicaciones verticales.
Métodos de selección de reductores y motorreductores de velocidad
Ejemplos de selección de un reductor
Veamos un ejemplo de cómo seleccionar un reductor de velocidad Falk UltraMax. Aplicación: Transportador de banda, uniformemente cargado, requiere 13 hp y 115 RPM en la flecha del cabezal. Ciclo de trabajo: Máquina motriz:
Integre la información técnica.
10 horas diarias. Máquina de combustión interna de 17 hp, cilindros múltiples, 1600 rpm, con acoplamiento conectado al reductor. Salida: 115 rpm.
Para este ejemplo, se supone que se desea un reductor de flechas colineales tipo FC.
Dado que el motor de la máquina motriz es de combustión interna, es necesario hacer la conversión del factor de servicio de acuerdo con la siguiente tabla:
Potencia equivalente - 1.50 x 13hp = 19.5 hp.
La velocidad de entrada es 1600 rpm, con salida de 115 rpm, lo que resulta en una relación requerida de 13.9:1.
Verifique la capacidad térmica. Como la capacidad de potencia térmica de la unidad 2040FC2 excede la potencia requerida (13 hp) tanto en 1750 como en 1430 rpm, no se requiere enfriamiento adicional.
Verifique la capacidad de carga en voladizo en caso de requerir una transmisión de cadena entre la flecha de baja velocidad del reductor y el transportador. En este ejemplo no es necesario.
Verifique las dimensiones del reductor.
ELEMENTOS DE ACOPLAMIENTO
INTRODUCCION Al diseñar una transmisión es tentador pensar que la forma de unir los ejes es una cuestión secundaria que puede atenderse al final, cuando todo lo demás esté definido. Si bien es cierto que en muchas ocasiones se puede hacer así, el peligro que se corre al dejarse llevar por esta tentación es que una vez que todo lo demás está definido, posiblemente no quede el espacio necesario para incorporar un acoplamiento que cumpla con
los requerimientos del trabajo, o quizá el acoplamiento adecuado tenga impacto en el comportamiento de la transmisión o la máquina, haciendo necesario volver a estudiar todo el sistema. En otras palabras, los elementos de acoplamiento son una parte integral de cualquier transmisión y deben considerarse dentro del diseño del sistema y no como un agregado de último momento. Para condiciones de trabajo favorables se pueden seleccionar acoplamientos sencillos y baratos, pero en la medida en que aumentan las exigencias sobre la transmisión se hace necesario recurrir a acoplamientos más sofisticados. Consideremos, por citar algunos ejemplos, que el constante incremento en la productividad de la maquinaria moderna y la incorporación de servomotores con mayores aceleraciones y precisión hacen necesarios acoplamientos que tengan, al mismo tiempo, mayor capacidad, mayor rigidez a la torsión y menor momento de inercia; que las transmisiones expuestas a ambientes hostiles requieren de acoplamientos hechos de materiales especiales; o, que las características de amortiguación del acoplamiento influyen en el comportamiento vibratorio del motor, la transmisión y la máquina. FUNDAMENTOS En esta parte estudiaremos una variedad de componentes que sirven para unir dos ejes colineales, en ángulo o paralelos. En la mayoría de los acoplamientos que consideraremos, el lado conducido opera a la misma velocidad y transmite el mismo par que el lado motriz, sin embargo, esta condición no siempre se cumple, como en el caso de los acoplamientos hidráulicos o de los ejes cardánicos. Para hacer una selección adecuada de un acoplamiento es necesario tomar en cuenta: LAS CARACTERISTICAS DEL MOTOR:
Los motores eléctricos, hidráulicos, neumáticos y turbinas tienen movimiento suave. Los motores reciprocantes, en cambio, tienen un movimiento jaloneado. En consecuencia, los factores de servicio para selección de acoplamientos generalmente son mayores para los motores reciprocantes. Además, las vibraciones torsionales que generan los motores reciprocantes pueden ser dañinas para la transmisión o para la máquina, haciendo necesarios acoplamientos que permitan aislar las vibraciones. Los servomotores y motores a pasos comúnmente tienen ciclos de trabajo definidos, con periodos en aceleración, periodos a velocidad constante, periodos de frenado y periodos en reposo, por lo que una buena selección estará basada en la condición más adversa esperada para el acoplamiento, probablemente durante la aceleración o el frenado. Son también importantes las dimensiones del motor, en especial los diámetros y largos de los ejes. También se debe tomar en cuenta si el acoplamiento tendrá que transmitir o disipar calor generado en el motor. LAS CARACTERISTICAS DE LA MAQUINA:
Al igual que en el caso de los motores, entre más suave sea el movimiento de la máquina, menor será el factor de servicio requerido. La falta de suavidad puede deberse al movimiento característico de la máquina, como el movimiento reciprocante; a cambios en la carga; a golpes, ya sean por diseño o no deseados; etc. Algunas máquinas generan vibraciones que deben ser aisladas por el acoplamiento para evitar daños tanto a la máquina misma como al motor o a la transmisión. También hay máquinas que someten a los acoplamientos a condiciones especiales de operación, como cambios en la alineación o en la distancia entre el motor y la maquina. EL REGIMEN DE TRABAJO:
Se deben usar factores de servicio mayores para máquinas que trabajan más tiempo por día y para las que tienen mayor número de arranques por hora, especialmente con motores de alto par de arranque. ALINEACION:
Una alineación perfecta significa que los dos ejes a acoplar quedan sobre una misma línea recta y mantienen una separación constante. La desalineación, o desvió de la condición anterior, puede darse en las siguientes formas:
a. b. c.
Desalineación paralela Desalineación angular Desalineación axial (los ejes se desplazan lateralmente sobre la misma línea)
El impacto que cada una de estas formas de desalineación tiene en el comportamiento dinámico y en la vida útil es particular para cada tipo de acoplamiento. Al mismo tiempo, dependiendo del tipo, un acoplamiento entre ejes desalineados puede imponer cargas en los soportes. Por ejemplo, si se utiliza un acoplamiento rígido, cualquier desalineación impondrá cargas elevadas en las chumaceras de soporte, disminuyendo la vida útil de los cojinetes o rodamientos. FIDELIDAD DE TRANSMISION:
Habrá fidelidad en la transmisión en la medida en que el eje conducido mantenga la misma posición respecto al eje motriz. La precisión requerida en instrumentos de medición, como codificadores y tacómetros, o en mecanismos de posicionamiento, hacen necesario el uso de transmisiones con mayor fidelidad. La fidelidad está normalmente relacionada a la rigidez torsional del acoplamiento. Cuando se transmite un par constante, entre más rigidez tenga el acoplamiento, habrá mayor fidelidad en la transmisión. Sin embargo debe tomarse en cuenta que las frecuencias e impulsos eléctricos generados por inversores de frecuencia y controles de servomotores y motores a pasos también generan vibraciones mecánicas torsionales, de manera que la fidelidad de la transmisión también depende de la respuesta especifica del acoplamiento a las frecuencias particulares de la máquina. En conclusión, si se tiene un par constante, es preferible seleccionar un acoplamiento rígido, pero en presencia de vibraciones o impulsos, es necesario seleccionar un acoplamiento que ofrezca la mayor fidelidad para la combinación de control, motor, máquina y condiciones de trabajo que se tenga. MEDIO AMBIENTE
Las condiciones ambientales, como humedad, contaminación, temperatura, presencia de aceites o compuestos químicos, etc., afectan en forma distinta el desempeño y duración de los diferentes tipos de acoplamientos.
SEGURIDAD Y CONFIABILIDAD
Es importante que los acoplamientos que están en posiciones críticas de una máquina cumplan con los requerimientos de seguridad de ese trabajo en particular. Para ambientes explosivos, por ejemplo, no deben emplearse acoplamientos en los que un contacto accidental entre partes metálicas podría ocasionar una chispa. En estos casos normalmente se emplean acoplamientos en que la transmisión queda desacoplada cuando falla el acoplamiento, pero esto sería catastrófico en otras máquinas. Si el costo de tener parada una máquina es muy elevado, es importante seleccionar acoplamientos más confiables, por la calidad de los materiales con que se fabrican, por su diseño y por su capacidad para soportar las condiciones reales a las que será sometido. DINAMICA DE LA TRANSMISION
Es evidente que en la selección de un acoplamiento se debe tomar en cuenta la forma en que el motor y la máquina afectan al acoplamiento, pero las características del acoplamiento, dimensiones, peso, momento de inercia y rigidez, por mencionar algunas, también tienen un impacto en el comportamiento dinámico de la transmisión. MANTENIMIENTO
La mayoría de los acoplamientos requieren de algún tipo de mantenimiento, ya sea periódico o esporádico, algunos requieren cambio de partes de desgaste, otros requieren de lubricación, otros más se tienen que reemplazar con cierta frecuencia. Las maniobras relacionadas con el mantenimiento de los acoplamientos tiene impacto en la productividad de la máquina ya que implican mano de obra y tiempos muertos. El costo de adquisición de un acoplamiento puede ser secundario si los costos asociados al mantenimiento resultan elevados. Por ejemplo, para reponer o hacer el cambio de partes de desgaste de algunos acoplamientos, es necesario mover el motor o alguna otra parte de la transmisión. En equipos grandes esta maniobra puede llevar varias horas, haciendo mucho más conveniente emplear acoplamientos cuyo costo de adquisición puede ser más elevado, pero su reposición o cambio de partes pueden hacerse sin necesidad de mover otros componentes. TIPOS DE ACOPLAMIENTOS
La variedad de acoplamientos disponibles en el mercado es muy grande y sería poco práctico, si no imposible, tratar de presentarlos todos. Resulta igualmente difícil encontrar una buena forma de agrupar los diferentes diseños porque cada uno tiene características particulares. Trataremos, sin embargo, de organizar la información de una manera lógica y de cubrir los tipos más comúnmente usados actualmente en maquinaria industrial. Debemos reconocer y, al mismo tiempo advertir al lector, que seguramente dejaremos fuera formas de acoplamiento que por ser prácticas o baratas, o por resolver problemas específicos tienen aceptación actual en el mercado. Sugerimos, entonces, a quién necesite un acoplamiento para condiciones especiales de
trabajo, que consulte con los fabricantes de acoplamientos respecto a las soluciones que cada uno podría ofrecer, tanto en modelos de catálogo como en fabricaciones especiales. ACOPLAMIENTO DIRECTO ENTRE EJES COLINEALES
Cortesía de TB Wodd’s
Cortesía de Renold RIGIDOS Como su nombre lo indica, son acoplamientos que no aceptan ninguna desalineación. Pueden ser elementos cilíndricos de una pieza (a), en este caso con bujes cónicos o pueden ser de dos piezas, ya sean un cilindro partido en el sentido longitudinal (b) o dos mazas unidas mediante bridas y tornillos (c). Los acoplamientos cilíndricos de una sola pieza son ampliamente usados para unir los ejes de un motor que va montado en una campana de un reductor, formando uno conjunto motorreductor.
FLEXIBLES Los acoplamientos flexibles ofrecen cierta tolerancia a los diferentes tipos de desalineación, que depende tanto de los materiales como de la construcción. Sus principales funciones son: ¾
Transmitir par torsional.
¾ ¾ ¾ ¾
Permitir movimientos axiales a las flechas tanto de la máquina motriz como de la máquina movida. Permitir desalineamientos tanto paralelos como angulares. Evitar cargas adicionales a los cojinetes y los apoyos de las máquinas. Absorber y compensar cargas por choques y fuertes variaciones del par torsional
A continuación algunos diseños comúnmente usados. LUBRICADOS De Rejilla Este tipo consiste en dos mazas dentadas unidas por una rejilla elástica de acero. La configuración de los dientes hace que la rigidez torsional incremente a medida que incrementa el par transmitido. Requieren de una alineación precisa para evitar daños a los sellos y la consecuente fuga de aceite.
Cortesía de Dodge De Engranes
Los acoplamientos de engranes están formados por dos mazas con dentado exterior y una cubierta con dentado interior. Las partes pueden estar hechas de metal o de polímero. La cubierta puede estar hecha de dos mitades con bridas para atornillarse entre sí, o puede ser de una sola pieza con superficie exterior cilíndrica. Los acoplamientos de engranes son muy rígidos a la torsión y, dependiendo del diseño de los dientes de la maza, pueden ser rígidos o tolerantes a la desalineación angular. Al usar dos mazas tolerantes a la desalineación angular, se obtiene tolerancia a la desalineación paralela. La posibilidad de combinar una maza rígida con una tolerante a la desalineación permite su uso para sostener elementos separadores o ejes flotantes. Esta construcción puede actuar como estriado, permitiendo el movimiento axial de los ejes. También se pueden adaptar fácilmente para soportar ejes flotantes verticales. Al igual que el caso de otros acoplamientos lubricados, la desalineación tiende a dañar los sellos y retenes de aceite.
Cortesía de Renold De Cadena
Este tipo de acoplamiento es relativamente sencillo, robusto y barato. La reposición de las cadenas es fácil, sin necesidad de mover las mazas. Hay versiones expuestas que requieren relubricación frecuente y que permiten que el lubricante entre en contacto con otras partes de la transmisión y la máquina. También se hacen con cubierta para evitar la contaminación del lubricante y que éste salga del área en que se le requiere.
Cortesía de Renold NO LUBRICADOS Las ventajas de usar acoplamientos no lubricados son: que no requieren de atención periódica, que la desalineación no daña los sellos y que no hay contaminación por fugas de aceite. De Disco Intermedio
Estos acoplamientos están hechos de dos mazas con bridas a las que se une por medio de pernos o tornillos, un elemento intermedio hecho de laminillas o de un disco sólido. Las laminillas pueden ser metálicas o de polímero, y el disco sólido es generalmente de un material ligero y flexible. Estos acoplamientos no tienen juego interno en el sentido giratorio (backlash) y son rígidos a la torsión, al mismo tiempo son flexibles a la desalineación angular y permiten pequeños movimientos de los ejes en el sentido axial. Sin embargo, la desalineación y el movimiento axial de los ejes provocan fallas por fatiga en los elementos centrales. Afortunadamente, por lo general los elementos se pueden reponer a un costo bajo y sin necesidad de mover los ejes ni las mazas.
Cortesía de Renold
Cortesia de TB Wodd’s Este diseño puede adaptarse a el uso de dos elementos flexibles con un elemento rígido intermedio, ya sea un disco, un separador, como muestra la fotografia, o un eje flotante, dándoles la posibilidad de aceptar desalineación paralela. Mediante el uso de materiales y diseños diversos, este concepto se puede adaptar a condiciones de trabajo muy variadas, desde acoplamientos miniatura para instrumentos, hasta los más robustos para maquinaria de industria pesada. Con Ranuras Helicoidales
Estos acoplamientos son rígidos a la torsión, no tienen juego interno giratorio y son tolerantes a los diferentes tipos de desalineación. Normalmente son relativamente pequeños y ligeros, y están mejor adaptados para transmisión de señal en instrumentos, que para transmisión de movimiento en máquinas.
ACOPLAMIENTOS HIDRÁULICOS El acoplamiento hidráulico trabaja según el principio de Föttinger. Consta, como componentes principales, de dos ruedas con álabes – del rodete bomba y de la rueda de turbina – así como de una campana que las encierra. Ambas ruedas están colocadas cara a cara. La transmisión de fuerza se efectúa con muy poco desgaste, no hay ningún contacto mecánico de las partes que transmiten la fuerza.
En el acoplamiento hay una cantidad constante de líquido de servicio, normalmente aceite mineral. El par de giro transmitido por el motor de accionamiento se convierte en energía del líquido de servicio en el rodete de bomba conectado con este motor. En la rueda de turbina, esta energía se convierte en energía mecánica. En cuanto a la función del acoplador hay que considerar tres estados de servicio:
Parada La totalidad del líquido de servicio está estática en el acoplador. Arranque En el circuito de trabajo, el rodete de la bomba acelera el líquido de servicio con una velocidad reciente. La circulación producida por ello se apoya en la rueda de turbina y pone a ésta en movimiento. La curva del par de giro es determinada por la curva característica del acoplador. Mediante una disposición oportuna de las cámaras de compensación (cámara de retardo, cámara toroidal) puede influirse sobre la curva característica de arranque. Servicio nominal
Debido a la poca diferencia de velocidades entre el rodete de la bomba y la rueda de turbina (el denominado resbalamiento nominal), el flujo del acoplador empieza a ser estacionario. Sólo se transmite el par de giro exigido por la máquina de trabajo.
Los factores de diseño principales de un acoplador son la potencia y la velocidad del motor de accionamiento. Tomando como base la potencia nominal de accionamiento y la velocidad de accionamiento, el tamaño correspondiente del acoplador puede determinarse con ayuda del diagrama de potencia adjunto. Dentro de la gama de potencia correspondiente, el acoplador se adapta a las condiciones de accionamiento concretas, variando el llenado de aceite.
Los diferentes casos de aplicación precisan de un comportamiento al arranque distinto (curva característica) del acoplador. Por ello, son criterios importantes: momentos de inercia de masa, limitación del par de giro y la frecuencia de arranque de la instalación.
Ventajas del Acoplamiento Hidráulico ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Arranque suave. Protección mecánica contra sobrecarga. Protección eléctrica contra sobrecarga. Balanceo de carga para sistemas de motores múltiples. Mayor flexibilidad torsional en el arranque del motor.
Ejemplos de selección de un acoplamiento
Veamos un ejemplo de selección de un acoplamiento tipo flexible de la línea Steelflex tipo F Aplicación:
Acoplamiento tipo F
Motor:
Eléctrico de 20 hp, 1750 rpm con diámetro de flecha de 1.625”.
Bomba:
Centrífuga con diámetro de flecha de 1.500”.
Acoplamiento: Estándar.
Seleccione el tipo de acoplamiento Para conectar flechas cercanas (0.1" a 0.2" de separación), el acoplamiento F es la selección adecuada.
Determine el factor de servicio El factor de servicio para esta aplicación es 1.00 según los valores en la siguiente tabla.
Determine los HP equivalentes De acuerdo con los valores de la siguiente tabla los HP son 20.
Seleccione el tamaño de acoplamiento Se determina que el tamaño de acoplamiento es 6F.
Se indican las dimensiones generales y el barreno máximo con cuña cuadrada, el cual para nuestro ejemplo fue de 1. 625"
* Los tamaños del 3 al 11 son proporconades con ajuste sin interferencia con prisionero sobre el cuñero o a 90° de este.Los coples del 12 en adelante seran proporcionados con ajuste de interferencia sin prisioneros, a menos que se especifique lo contrario. Consúltese la tabla 11 para cuñas recomendables con barreno máximo y la tabla 12 para barreno máximo con cuñero reducido.
Aplicaciones
Esquema de Transmisión de Potencia Molinos Farrel y Fulton
Sistema deTrasmisión dé potencia Molino Farrel
Figura: Acople Flexible Molino Fulton
