Universidad Politécnica de PachucaIngeniería en Mecatrónica

Análisis de Mecanismos

Acopladores (Couplings)

Francisco Alfonso Valle RoblesUniversidad Politécnica de Pachuca

pacovr_gool@hotmail.com

1. Introducción

Un acoplamiento es un dispositivo que se usa para conectar dos ejes en su parte final con la finalidad de transmitir torque/poder (Figura 1). Los acopladores normalmente no permiten la desconexión de los ejes mientras están en operación, pero también existen acopladores que delimitan el torque logrando la acción de desconectarse cuando este límite es excedido.

El propósito principal de los acopladores es juntar dos piezas de equipo giratorio permitiendo un alineamiento, desalineación o paro toral, o ambos. Ser cuidadoso con la selección, instalación y mantenimiento de los acopladores (también llamados enganches) puede permitir ahorros que se traducen en costos bajos de mantenimiento y tiempo de actividad efectiva.

Figura 1. Acoplamiento2. Usos

Los ejes con acopladores se usan en la industria de la maquinaria de diferentes maneras. Las más comunes se presentan a continuación.

-Para permitir la conexión de ejes de unidades que originalmente se manufacturan por separado, como la de un motor junto con su generador proveen la desconexión de los repuestos o de los alternadores.

-Para prever la desalineación de los ejes o para introducir flexibilidad mecánica.

-Para reducir la trasmisión de cargas de choque de un eje a otro.

-Tener protección contra sobrecargas que pudieran existir.

-Cambiar las características rotativas de los dispositivos.

-Para conectar una parte que debe conducir con la parte que conduce.

3. Tipos

3.1 Rígidos

Un acoplamiento rígido es una parte externa que es usada para unir dos ejes entre un motor o un sistema mecánico. También podrían ser usados para conectar sistemas separados, como un motor con un generador, o reparar una conexión interna de un sistema aislado. Un acoplamiento rígido también poder ser añadido para reducir el choque entre ejes colocándolo específicamente donde los ejes se encuentran.

Cuando se unen ejes dentro de una máquina, los mecánicos pueden escoger entre acopladores flexibles o rígidos. Mientras los flexibles dan algo de movimiento entre ejes, los acoplamientos rígidos son la mejor opción para lograr el alineamiento más preciso así como asegurar el enganche. Para un alineamiento precisa los dos ejes y el agarre entre ellos deber ser de forma firme, los acoplamientos regidos ayudan a maximizar el rendimiento e incrementar la esperanza de vida de la máquina. Estos acoplamientos están disponibles en dos diseños básicos para cubrir las necesidades de las diferentes aplicaciones. Los acoplamientos estilo “Manga” son los más económicos y fáciles de implementar. Estos consisten en un tubo de material el cual tiene un diámetro interior igual a los ejes. La manga se desliza sobre los ejes así que estos se

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encuentran justo en medio del acoplamiento. Una serie de tornillos de agarre pueden ser usados o puestos alrededor del acoplamiento, apretando los ejes con las paredes, logrando el enganche.

Los acoplamientos rígidos de sujeción o compresión vienen de dos partes que se colocan alrededor de los ejes para formar la manga. Estos ofrecen una mayor flexibilidad que los modelos de manga y pueden ser usados para ejes que están fijos en algún lugar. Por lo general son lo suficientemente grandes para que los tornillos puedan pasar por todo el camino a través del acoplamiento y al llegar a la mitad para asegurar el agarre.

Los acoplamientos rígidos rebordeados están diseñados para cargas pesadas o equipos industriales. Se componen de mangas cortas rebordeadas con una pestaña perpendicular. Un acoplamiento se coloca a los extremos de los ejes para que las dos bridas se alineen cara a cara. Una serie de tornillos o pernos pueden ser instalados en las bridas para mantenerlas juntas. Debido a su tamaño y durabilidad, la brida puede ser utiliza para llevar a los ejes aun estado de alineación justo antes de acoplarse. Los acoplamientos rígidos son utilizados cuando se requiere una alineación precisa del eje; una mala alineación en el eje afectaría su rendimiento así como su vida útil. -Acoplamiento Tipo Manga.

Este consiste en una tubería cuyo diámetro interior esta acabado con la tolerancia requerida en función del tamaño del eje. Basado en el uso del acoplamiento de chaveta se hace un orificio con el fin de transmitir un par de torsión por medio de este. Proporciona dos agujeros para bloquear el acoplamiento cuando se encuentre en su posición.

Los acoplamientos de manga también son conocidos como “Acoplamientos De Caja” (Box Couplings). En este caso los extremos del eje se acoplan entre sí con tope entre unos y otros, son envueltos con una manga. Una cabeza de tipo chaveta sostiene y mantiene los dos ejes y la manga juntos. En otras palabras, este es el tipo más fácil de acoplamiento. Se elabora de la fundición del elemento conocido como hiero y es muy fácil de diseñar y fabricar. Se compone de un tubo hueco cuyo diámetro interior es igual al diámetro de los ejes. Y de ahí montado sobre uno o más extremos

de ejes sujetados con la chaveta; estos sirven para transmitir potencia desde un eje a otro.-Acoplamiento de tipo Brida

Este acoplamiento tiene dos bridas de hierro fundido separadas, cada brida está montada sobre un extremo del eje e inmóvil en el mismo. Las dos pestañas se acoplan entre sí con la ayuda de pernos y tuercas. La posición proyectada de una de las bridas y el correspondiente hueco de la otra, ayuda para llevar el eje en una línea y mantener la alineación. Una brida que esta provista de una cubierta que contiene tornillos y tuercas; se llama brida de acoplamiento protegido.-Acoplamiento de abrazadera o mango de ruptura

En este acoplamiento, el mango esta hecho de dos mitades de hierro fundido y se unen por medio de pernos de acero o tornillos. Las ventajas de este acoplamiento es que el montaje o desmontaje se logra sin cambiar las posiciones de los ejes. Este acoplamiento se utiliza para la transmisión de energía elevada a una velocidad moderada.-Seguro de eje estrecho

Un seguro estrecho en una forma de hendidura en el eje que lo bloquea y no requiere la remoción de material del mismo. Su idea básica de asemeja a la de la abrazadera pero el momento de rotación es en torno al centro del eje. Siendo una alternativa de dispositivo de acoplamiento a la tradicional muesca paralela, el eje estrecho elimina la posibilidad de juego debido a muescas desgastadas. Es más robusto el uso de una muesca siendo que esta necesita solo una herramienta para su mantenimiento; el balanceo para su propio ajuste dura más pero por el costo tal vez no sea rentable.-Unión directa

Esta unión en una tapa dentada (Figura 2) que va en los extremos de los ejes y al encontrarse se acoplan como un engrane permitiendo la transición del torque.

Figura 2. Unión directa 1

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Figura 3. Modo de empleo

3.2 Flexibles

Los acoplamientos flexibles se utilizan para transmitir par de torsión desde un eje a otro cuando los ejes están un poco desalineados. Los acoplamientos pueden estar sujetos a diversos grados de desalineación hasta un tope de 3 grados y algunos casos de desalineación paralela. Además también se pueden utilizar para la amortiguación de vibraciones o ruido. Estos acoplamientos se utilizan para proteger a los ejes conductores y conducidos a los efectos perjudiciales del desalineamiento, súbitas sobrecargas, esfuerzo axial de los ejes o vibraciones.-Broche de acoplamiento tipo brida

Este se utiliza para la alineación de leves imperfecciones en los ejes.

Esta es una modificación del acoplamiento tipo abrazadera. Este tipo de acoplamiento tiene pines y funcionan con los pernos del acoplamiento. Los topes generalmente de goma o cuero se colocan sobre las patas. El acoplamiento tiene dos mitades diferentes en su construcción. Los pasadores están fijados rígidamente mediante tuercas a una brida y se mantiene suelto con la otra brida. Este acoplamiento se utiliza para conectar ejes que tienen una pequeña desalineación paralela, desalineación axial o desalineación angular. En este acoplamiento el casquillo de caucho absorbe los golpes y vibraciones durante sus operaciones. Este tipo de acoplamiento es más utilizado para acoplar motores y maquinas eléctricas. -Travesaño

Un acoplamiento de haz, también conocido como acoplamiento helicoidal, es un acoplamiento flexible usado para la transmisión de un par entre dos ejes al mismo tiempo que permite una desalineación angular, compensándolo

paralelamente e incluso en una carga axial de un eje respecto a otro. Este diseño utiliza una única pieza de material y se vuelve flexible por la eliminación del material a lo largo de una trayectoria en espiral que resulta en una viga flexible curvada de forma helicoidal. Puesto que se hace a partir de una única pieza de materia, el acoplamiento no se encuentra en dispositivos que eviten el contragolpe. Otra ventaja de ser un acoplamiento de una sola mecanización es la posibilidad de incorporar características en el producto final mientras que todavía no hayas terminado de maquinar la pieza.

Los cambios en la parte delantera de este dispositivo dan como resultado cambios en la desalineación, así como otras características de rendimiento, tales como la capacidad de par y la rigidez torsional. Incluso es posible tener múltiples ventajas en una misma hélice.

El material utilizado para fabricar el acoplamiento de tipo travesaño afecta su rendimiento y la idoneidad para aplicaciones específicas, tales como alimentación, medicina o aeroespacial. Los materiales son normalmente aleaciones de aluminio y acero inoxidable, pero también se puede hacer de acetal, acero martensítico envejecido o titanio. Las aplicaciones importantes comunes están en acoplar codificadores a ejes o control de movimiento a robots.

Figura 4. Travesaño (beam)

Figura 5. Travesaño modificado

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Figura 6. Aumento de bobinas que permite mayor desalineación angular.

-Acopladores tipo de velocidad constante.Permite a un eje la transmisión de potencia a

través de un ángulo variable, a una velocidad constante, sin aumento apreciable de fricción o juego. Se utilizan principalmente para la tracción delantera de vehículos, y muchos en tracción trasera independiente en la actualidad. Este se ubicada en los extremos de los semiejes. La juntas o acopladores están protegidas por una funda de goma. Las grietas y fractura en ella permitirían contaminantes, lo que causaría que la articulación se desgaste rápidamente.

Figura 7. Acoplador de velocidad constante-Acopladores tipo de diafragma

Los acoplamientos de diafragma transmiten un par desde el diámetro exterior de una placa flexible al diámetro interior, a través de la pieza del carrete o el espaciador, luego desde el interior al diámetro exterior. La deformación de una placa o serie de placas del D. I. al D. E. complementan el desalineamiento.-Acoplamiento de tipo Disco

Transmiten un par de forma tangencial a un perno impulsado en un círculo de pernos. El par se transmite entre los pernos a través de una serie de discos delgados de acero inoxidable, reunidos en un paquete. La desalineación se lleva a cabo mediante la deformación del material entre pernos.-Engranaje.

Un acoplamiento de engranaje es un dispositivo mecánico para la transmisión de un par entre dos

ejes que no son colineales. Se componen de una junta flexible fijado a cada eje. Las dos articulaciones están conectadas por un tercer eje, llamado husillo.

Cada articulación consta de una relación 1:1 con los engranes interno y externo del par. Los flancos de los dientes y el diámetro exterior del engrane externo están coronados para permitir el desplazamiento angular entre los engranajes. Mecánicamente, los engranajes son equivalentes a las estrías que gira con los perfiles modificados. Se llaman engranajes debido a al tamaño relativamente grande de los dientes.

Un acoplador de engranaje y una junta universal se usan en las mismas aplicaciones. Los acopladores de engranaje tienen alta potencia de torque que las juntas universales, diseñadas para dar espacio pero las juntas universales tienden a dar bajas vibraciones. El límite de torque en las juntas universales se va al límite de las secciones transversales de la cruz y el yugo. Los dientes de los engranajes en un acoplamiento tienen alta reacción para permitir la desalineación angular. El exceso de holgura puede contribuir a la vibración.

Los acoplamientos (Figura 8) se limitan generalmente a la desalineación angular, es decir, el ángulo del husillo respecto al de los ejes primarios, de los ejes conectados es de 4.5 grados. Las juntas universales son capaces de desajustes mayores.

Los acoplamientos de dientes conjuntos individuales se utilizan para conectar dos ejes nominalmente coaxiales. En esta aplicación, el dispositivo se denomina un tipo de engranaje flexible, o acoplamiento flexible. El conjunto único permite desajustes menores, como los errores de instalación y los cambios en la alineación del eje debido a las condiciones de funcionamiento, estos tipos de acoplamientos se limitan generalmente a una desalineación angular 1/ 4-1 / 2 grados.

Figura 8. Acoplamiento de tipo engranaje-Rejilla

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Un acoplamiento de rejilla está compuesto por dos centros de ejes, un resorte de rejilla metálica y un kit de cubierta dividida. El par se transmite entre los dos centros de eje del acoplamiento a través del elemento de resorte metálico cuadriculado.

Como los acopladores de engranajes y discos metálicos, los acopladores de rejilla tienen una alto torque o par. Un beneficio de los acoplamientos de rejilla, más que los de engranaje o de disco, es la capacidad de sus elementos de resorte de la rejilla de absorber y difundir picos de energía de impacto de carga. Esto reduce la magnitud de vibraciones. Un negativo que tiene de la rejilla de diseño de acoplamiento es que generalmente es muy limitada en su capacidad para acomodar una desalineación.-Oldham

Un acoplamiento tipo Oldham tiene tres discos, uno acoplado a la entrada, uno acoplado a la salida, y un medio disco que está unido a los dos primeros por una ranura y una lengüeta. La lengüeta y la ranura en un lado son perpendiculares a la ranura y lengüeta en el otro. El medio disco gira alrededor de su centro en la misma velocidad que los ejes de entrada y salida. Su centro taza una órbita circular, dos veces por rotación, alrededor del punto medio entre ejes de entrada y salida. A menudo, los resortes se utilizan para reducir la holgura del mecanismo. Una ventaja de este tipo de acoplamiento, en comparación con dos juntas universales, es su tamaño compacto. El acoplamiento recibe su nombre por John Oldham que lo invento en Irlanda, en 1821, para resolver un problema de colocación de paletas en un barco de vapor.

Figura 9. Acoplamiento Oldham 1

Figura 10. Acoplamiento Oldham 2

Figura 11. Acoplamiento desarmado

-Conjunta de trapoEstas articulaciones son comúnmente

utilizadas en automóviles de dirección y trenes de transmisión. Cuando se utiliza una unidad de guía, algunas veces se les conocen como “Giubos”.

Figura 12. Conjunta de trapo de 1919

-Junta UniversalEs una articulación o acoplamiento en una barra

rígida que permite que una varilla “doblada” gire en cualquier dirección, y es comúnmente usado en ejes que transmiten un movimiento rotativo. Se compone de bisagras situadas próximas entre sí, orientadas a 90 grados entre sí, conectadas por un eje trasversal. La junta universal no es una junta de velocidad constante.

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Figura 13. Junta universal

-Ecuaciones de movimientoLa articulación de Cardan (junta universal) sufre

un grave problema: incluso cuando del eje de accionamiento de una entrada gira a una velocidad constante, el eje de accionamiento de la salida gira a una velocidad variable, causando así la vibración y el desgaste. La variación de la velocidad del eje accionado depende de la configuración de la articulación, que se especifica en tres variables:

γ 1 el Angulo de rotación para el eje 1

γ 2 el ángulo de rotación para el eje 2

β  el ángulo de plegado de la articulación, o el ángulo de los ejes con respecto a la otra, siendo cero paralelo o directamente a través.

Estas variables se pueden trabajar para tener ecuaciones de velocidades angulares. La ecuación de velocidad angular se puede diferenciar de nuevo para obtener la relación entre las aceleraciones angulares a1 y a2(Ecu 1.):

a2=a1cos β

1−sin2 β cos2sin2γ 1

−ω2 cos1 β sin2 β sin12 γ 1

(1−sin2 β cos2 sin2 γ1)2

(Ecu 1.)

Figura 14. Diagrama de variables.

4. Exigencias de la buena alineación de eje/ buen acoplamiento

La conexión o desconexión del acoplamiento debe ser fácil.

Se permite la desalineación entre dos eje de rotación de eje adyacente.

Su objetivo debe ser reducir al mínimo la desalineación restante en el funcionamiento de la operación a fin de maximizar la transmisión de energía y maximizar el tiempo de ejecución de la máquina.

No debe tener partes salientes.Se recomienda utilizar los valores objetivo de la

alineación del fabricante para establecer el tren de la maquina a una alineación diferente de cero ya establecida, debido al hecho de que más adelante, cuando la maquina está a temperatura de operación, la condición de alineación es perfecta.

5. Mantenimiento de los acopladores y fallas

El mantenimiento del acoplamiento es generalmente una cuestión simple, que requiere una inspección regular de cada acoplamiento. Sus componentes son:

Realización de inspecciones visuales, control de signos de desgaste o fatiga, y la limpieza de los acoplamientos con regularidad.

Control y cambio de lubricante regularmente si el acoplamiento esta lubricado. Se requiere

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mantenimiento cada cierto tiempo en acoplamientos normales y con más frecuencia en acoplamientos en entornos adversos o en condiciones exigentes.

Documentar el mantenimiento realizado en cada acoplamiento, junto con la fecha.

Incluso en el mantenimiento adecuado, sin embargo, los acoplamientos pueden fallar. Detrás de las razones de fracaso, que no sean de mantenimiento se incluyen:

-La instalación incorrecta-Mala selección del acoplamiento.-Operación más allá de las diseñadas.-La única manera de mejorar la vida del

acoplamiento es entender que cuso la falla y corregirla antes de instalar un nuevo acoplamiento. Algunos signos externos indican el fracaso del acoplamiento estos serán:

-Si se escuchan ruidos extraños.-Vibraciones fuertes o bamboleo.-Fallos serios como fuga de lubricante o

contaminación.

6. Controlar el equilibrio del acoplamiento

Los acoplamientos están normalmente equilibrados de fábrica antes de ser distribuidos, pero de vez en cuando salen de equilibrio en el funcionamiento.

El equilibrarlos puede ser difícil y costoso, y normalmente se realiza cuando las tolerancias de funcionamiento son tales que el esfuerzo y el gasto se justifican.

La cantidad de desequilibrio del acoplamiento que puede ser tolerado esta dictado por la máquina y puede ser determina por un análisis detallado.

7. Referencias

[1] "Pump Couplings from John Crane Metastream and Powerstream at Total Pump Soultions". Totalpumps.co.nz. Revisado 7 Enero 2015.

[2] "Lovejoy, Inc.   : Products   : Couplings & Power Transmission: Shaft Locking Devices". Lovejoy-inc.com. Revisado 7 Enero 2015.

[3] "U.S. Tsubaki POWER-LOCK Catalog" (PDF). Ustsubaki.com. Revisado 7 Enero 2015.

[4] "Power Lock". Tsubakimoto.com. Revisado 7 Enero 2015.

[5] "NEF Taper-Lock Series". Tsubakimoto.com. Revisado 7 Enero2015.

[6]  "Why a Grid Coupling - Features & Benefits, Design Basics, and Element Options". Couplinganswers.com. Revisado 2014-12-22.