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Ejes y Árboles



1.- Introducción

Una flecha es en elemento rotatorio, por lo general de sección transversal circular, que se emplea para transmitir potencia o movimiento. Ella constituye el eje de rotación u oscilación de elementos como engranes, poleas, volantes de inercia, manivelas, catarinas y miembros similares y, además, controla la geometría de su movimiento. Un eje es unelemento no giratorio que no transmite par de torsión que se utiliza para soportar ruedas rotatorias, poleas y elementos parecidos. El eje de un automóvil no es un eje verdadero. El término es un remanente de la era de caballo y la calesa, cuando las ruedas giraban sobre elementos no rotatorios. Un eje no giratorio puede diseñarse con facilidad y analizarse como una viga estática, pero nojustifica la atención especial que se le da en este capítulo a los ejes giratorios que están sometidos a carga por fatiga.

En realidad no existe nada único acerca de un eje que requiera algún tratamiento especial más allá de los métodos básicos que ya se desarrollaron en capítulos anteriores. Sin embargo, debido a la ubicuidad de las flechas en muchas aplicaciones de diseño de máquinas, esconveniente realizar un estudio más a fondo de la flecha y su diseño.
El diseño de una flecha completa tiene mucha interdependencia con el de los componentes. El diseño de la propia máquina dictará que ciertos engranajes, poleas, cojinetes y otros elementos se tendrán que analizar, al menos parcialmente, y determinar en forma tentativa su tamaño y espaciamiento.
Capítulos siguientes proporcionan un casode estudio completo de una transmisión de potencia, con enfoque en el proceso de diseño global. En este capítulo se estudiarán los detalles referentes a la flecha, incluyendo los siguientes temas:
Selección del material
Configuración geométrica
Esfuerzo y resistencia
Resistencia estática
Resistencia por fatiga

Deflexión y rigidez
Deflexión por flexión
Deflexión por torsión
Pendiente enlos cojinetes y elementos soportados por los ejes.
Deflexión por cortante debida a cargas transversales sobre los ejes cortos

Vibración debida a la frecuencia natural

Cuando se deciden los diversos aspectos de un enfoque de diseño, es necesario tomar en cuenta que un análisis de esfuerzos en un punto específico de un eje se hace sólo mediante la geometría del ejeen la proximidad de ese punto. De esta forma, no se necesita conocer la geometría de todo el eje. En diseño, por lo general, se localizan las áreas críticas, se dimensionan para cumplir los requisitos de resistencia y después se dimensiona el resto del eje para satisfacer las necesidades de los elementos soportados por éste.

Los análisis de deflexión y de pendiente no pueden hacerse hasta que sehaya definido la geometría de todo el eje. De esta manera, la deflexión es una función de la geometría de todas las partes, mientras que el esfuerzo en una sección de interés es una función de la geometría local. Por esta razón, el diseño de ejes permite primero una consideración de esfuerzo y resistencia. Una vez que se haya establecido valores tentativos para las dimensiones del eje, se puedendeterminar las deflexiones y las inclinaciones.



2.- Materiales para fabricar ejes

La deflexión no se ve afectada por la resistencia sino por la rigidez, representada por el módulo de elasticidad, que es esencialmente constante en todos los aceros. Por esa razón, la rigidez no puede controlarse mediante decisiones sobre el material, sino sólo por decisiones geométricas.

La resistencianecesaria para soportar esfuerzos de carga afecta la elección de los materiales y sus tratamientos. Muchos ejes están hechos de acero de bajo carbono, acero estirado en frío o acero laminado en caliente, como son los aceros ANSI 1020 – 1050.

A menudo no está garantizado el incremento significativo de la resistencia proveniente del tratamiento térmico ni el contenido de alta aleación. La...