Unidad 2 Diseño de ejes Introducción.
Un eje móvil es un elemento rotatorio generalmente de sección transversal circular cuya función es transmitir movimiento y potencia. Este constituye el elemento de rotación u oscilación de dispositivos como engrane, polea, volantes, manivelas, ruedas, catarinas y otros, los cuales dirigen la configuración geométrica de su movimiento« Un eje fijo es un elemento no giratorio o estático que no transmiten movimientos y se utilizan solo para sostener piezas rotatorias tales como ruedas, poleas, rodilla y otros elementos, el eje de una rueda de un automóvil no es realmente un eje; el termino en este caso es un trasunto de la era de la locomoción por caballos, cuando las ruedas de los vehículos arrastrados giraban sobre barras cilíndricas fijas. Un husillo es un eje móvil corto y delgado. Términos como árbol, eje principal, eje transmisión, contra eje, eje flexible son nombres asociados a ejes móviles de uso especial. Metodología para diseño de ejes
El eje o árbol es un componente de dispositivos mecánicos que transmite movimiento rotatorio y potencia. Es parte de cualquier sistema mecánico donde la potencia se transmite desde un primotor, que puede ser un motor eléctrico o de combustión. En el proceso de transmisión de potencia a una velocidad de rotación dada, el eje queda sujeto a un momento torsional (o torque) en forma inherente. En consecuencia, se produce un esfuerzo cortante torsional en el eje.
Eje de transmision
Descripción histórica
En 1927, la SOCIEDAD AMERICANA DE INGENIEROS MECANICOS estableció un reglamento o código para el diseño de ejes de transmisión. Este código ya es obsoleto desde hace muchos años, pero tiene considerable interés histórico. Normas sobre diseño para ejes de transmisión de potencia . El diseño de un eje comienza realmente después de un gran trabajo preliminar. El diseño de la propia maquina dictara que ciertos engranes como polea, cojinetes y otros elementos habrán sido analizados, por lo menos parcialmente y sus tamaños y espaciamientos tentativamente determinados. En esta etapa el diseño debe estudiarse a partir de los siguientes puntos de vista 1.- Deformación y rigidez. a) Deformación por flexión b) Deformación por torsión) c) Inclinación en cojinetes y elementos soportados por eje. d) Deformación por cortante debido a cargas transversales en ejes cortos. 2. - Esfuerzo y Resistencia. a) Resistencia estática) b) Resistencia a la fatiga c) Confiabilidad.
Esfuerzo y resistencia: Son funciones de la geometría local, como los concentradores de esfuerzos y de la distribución de las fuerzas, además de las fallas por fatiga. Debe ser suficientemente resistente como para soportar las tensiones mecánicas. Rigidez Deflexiones y rigidez: Son funciones de la geometría del árbol y de las deformaciones sufridas debido al estado de esfuerzos. Al seleccionar un enfoque del diseño es necesario comprender que un análisis de esfuerzo en un punto específico de un eje puede realizarse utilizando solo la configuración del eje en la vecindad de ese punto. Por tanto, la configuración del eje en su totalidad no es necesaria en el diseño suele ser posible localizar las áreas críticas darles un tamaño adecuado para obtener la resistencia requerida y luego fijar las dimensiones del resto deleje a fin de cumplir con los requisitos de los elementos que sostienen dicho eje. Configuración general para el diseño de eje. 1.-Definición de las especificaciones de velocidad de giro y potencia de transmisión necesaria. 2.-Elección de los elementos que irán montado sobre el eje de transmisión de potencia deseada de los distintos elementos a los que se deban realizar tal transmisión. Elección del sistema de fijación de cada uno de estos elementos al eje. 3.-Propuesta de la forma general para la geometría del eje para el montaje de los elementos elegidos. 4.-Determinación de los esfuerzos sobre los distintos elementos que van montados sobre el eje. 5.-Cálculo de las reacciones sobre los soportes. 6.-Selección del material del eje y de su acabado. 7.-Selección del coeficiente de seguridad acabado, en función de la manera en la que se aplica la carga, suele estar entre 1,5 y 2. 8.-Localización y análisis de los puntos críticos en función de la geometría. 9.-Comprobación de las deformaciones. 10.-Comprobación dinámica de la velocidad critica. Debemos tener en cuenta ciertas recomendaciones: Los ejes han de ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones deflexión elevada. Con la misma finalidad, los cojinetes y rodamientos de soporte se dispondrán lo más cerca posible de las cargas más elevadas.
Se evitarán en la medida de lo posible las concentraciones de tensiones, para lo cual se utilizarán radios en los cambios de sección, especialmente donde los momentos flectores sean grandes, y teniendo en cuenta siempre los máximos radios de acuerdo permitidos por los elementos apoyados en dichos hombros. Para evitar problemas de vibraciones, los árboles de giro rápido exigen un buen equilibrado dinámico, buena fijación de los soportes y una rígida configuración. Dado que la rigidez suele ser el factor más crítico en el diseño de los árboles, se utilizarán aceros principalmente, dado su elevado módulo elástico.
Diseño bajo cargas estáticas. Diseño para cargas estáticas. Una carga estática es una acción estacionaria de una fuerza o un momento que actúan sobre cierto objeto. Para que una fuerza o momento sean estacionarios o estáticos deben poseer magnitud, dirección y punto (o puntos) de aplicación que no varíen con el tiempo. Los esfuerzos en la superficie de un eje macizo de sección circular, sometido a cargas combinadas de flexión y torsión son,
el código asme define un esfuerzo cortante permisible como el menor de los valores siguientes:
el ordenamiento establece que tales esfuerzos deben ser reducidos en 25% si existe concentración del esfuerzo, debido posiblemente a la configuración de un entalle o una ranura para cuña. Si se sustituye Tp en vez de Tmax en la ecuación (de mohr) resulta:
Diseño bajo carga cíclica TIPOS DE FALLA ASOCIADOS A LA CARGA CÍCLICA EN SOLDADURA Las concentraciones de esfuerzos debidas a discontinuidades geométricas son determinantes en el desempeño de la soldadura, basta que en un solo punto de la geometría de la unión se alcancen niveles de esfuerzo superiores al límite de fluencia para iniciar una grieta, no importa si el esfuerzo nominal es mucho menor que el esfuerzo de fluencia. Los principales concentradores de esfuerzo en la soldadura están relacionados las grietas y en menor grado la porosidad, la falta de fusión, y el socavamiento entre otros. Cuando se somete a una junta a carga estática hasta la ruptura, la falla se genera normalmente en el material base, bajo carga cíclica existen dos posibilidades que la falla se genere en la soldadura misma es decir sobre el cordón de material de aporte o que esta se presente en el pie de la soldadura. Obviamente si se presentan discontinuidades en el material base se pueden presentar normalmente desgarramientos debidos a laminaciones defectuosas o concentraciones de esfuerzo debidos a escamas de laminación o pinturas o cualquier tipo de hidrocarburo presente en la superficie sin retirar Existen tres formas de falla relacionadas directamente con la inestabilidad dimensional: 1. Variación dimensional temporal relacionada con deformaciones elásticas.( Falta de rigidez) 2. Variación dimensional permanente relacionada con cuatro fenómenos principales: - Fractura (Ruptura frágil) - Plástica (Deformación excesiva que inutiliza la pieza) - Con pérdida de peso (Asociada a la corrosión o el desgaste abrasivo) 3. Variaciones metalúrgicas que pueden conducir a inestabilidad dimensional.
