Transmisión de potencia

La transmisión de potencia desde una fuente, tal como un mecanismo o un motor, a través de una máquina para tener un impulso de salida, es una de las tareas más comunes que se asignan a una maquinaria. Un medio eficiente para transmitir la potencia es a través del movimiento rotatorio de un eje, soportado por cojinetes.

Secuencia de diseño para transmisión de potencia No existe una secuencia precisa de pasos para algún proceso de diseño. Por naturaleza, el diseño es un proceso iterativo en el que es necesario realizar algunas selecciones tentativas y construir un esquema previo para determinar las partes críticas del mismo.

Requisitos de potencia y par de torsión Por lo regular, los sistemas de transmisión de potencia se especificarán mediante una capacidad de potencia, por ejemplo, una caja de cambios de 40 caballos de fuerza (hp). Esta valoración especifica la combinación de par de torsión y velocidad que la unidad puede resistir. Idealmente, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida. En realidad, existen pequeñas pérdidas debido a factores como la fricción tanto en cojinetes como en engranes. Los engranes tienen una eficiencia razonablemente alta, con alrededor de 1 a 2% de pérdida de potencia en un par de engranes acoplados. Debido a que este porcentaje implica una pérdida pequeña, es común hablar simplemente de la potencia del sistema, en vez de potencia de entrada y de salida. Por lo general las bandas planas y de sincronización tienen eficiencias a mediados del intervalo superior de 90%. Las bandas en V y los engranes sinfín tienen eficiencias que caen a un nivel inferior, lo que requiere hacer una distinción entre la potencia de entrada necesaria para obtener una potencia de salida deseada. El par de torsión, por otra parte, por lo regular no es constante a lo largo de un sistema de transmisión. Como la potencia es igual al producto del par de torsión y la velocidad, con una potencia constante, una relación de engranes para disminuir la velocidad angular incrementará de manera simultánea el par de torsión.

La relación de engranes, o valor del tren, del tren de engranes será: e = ωo/ωi = Ti/To

Especificaciones de engranes Conocido el valor del tren de engranes, el paso siguiente es determinar los engranes apropiados. Debido a que los números de dientes de los engranes deben ser números enteros, es mejor diseñar con números de dientes en vez de diámetros. Debe tenerse cuidado para encontrar la mejor combinación del número de dientes para minimizar el tamaño del paquete. Una diferencia de un diente en el engrane más pequeño puede producir un incremento significativo en el tamaño del paquete total.

Diseño del eje A continuación se debe especificar el diseño general de los ejes, incluyendo la ubicación axial de engranes y cojinetes, con el fin de realizar un diagrama de cuerpo libre para un análisis de fuerzas y obtener la fuerza de corte y los diagramas de momento de flexión. Se puede efectuar un análisis de fuerzas de un diagrama de cuerpo libre sin conocer los diámetros del eje, pero no puede realizarse si se ignoran las distancias axiales entre los engranes y los

cojinetes. Es sumamente importante mantener pequeñas las distancias axiales. Incluso fuerzas pequeñas pueden crear momentos de flexión grandes si los brazos del momento son extensos.

Análisis de fuerzas Una vez que se conocen los diámetros del engrane, y que se establecen las ubicaciones axiales de los componentes, se pueden realizar los diagramas de cuerpo libre, fuerza de corte o cizallamiento y momento de flexión. Si se conocen las cargas transmitidas, se determinan las cargas radial y axial transmitidas a través de los engranes. Con base en la suma de las fuerzas y momentos sobre cada eje se pueden determinar las fuerzas base de reacción en los cojinetes. En el caso de ejes con engranes y poleas, las fuerzas y momentos tendrán por lo regular componentes en dos planos a lo largo del eje. En el de ejes rotatorios, generalmente se necesita sólo la magnitud resultante, de modo que los componentes en los cojinetes se sumen como vectores. Por lo general, se obtienen diagramas de fuerzas de corte y momento de flexión en dos planos, que luego pueden sumarse como vectores en cualquier punto de interés. También debería generarse un diagrama de par de torsión para visualizar claramente la transferencia de par de torsión desde un componente de entrada, a través del eje, hacia un componente de salida.

Selección del material del eje Se puede seleccionar un material de ensayo para el eje en cualquier punto antes del diseño de esfuerzo del eje, y modificarse como sea necesario durante el proceso de diseño de esfuerzo.

Diseño del eje para esfuerzos Los diámetros críticos del eje se deben determinar mediante análisis de esfuerzo en las ubicaciones críticas.

Diseño del eje para deflexión De manera característica, un problema de deflexión en un eje no provocará una falla catastrófica de él, pero provocará una vibración y ruido excesivos, y una falla prematura de los engranes o cojinetes.

Selección de cojinetes La selección de cojinetes es sencilla ahora que las fuerzas de reacción y los diámetros interiores de los cojinetes se conocen. Existen cojinetes de contacto rodante dentro de una amplia gama de dimensiones y capacidades de carga, de modo que por lo regular no surge problema alguno para hallar un cojinete adecuado que se encuentre cerca del ancho y diámetro interior estimados.

Selección de cuña y anillo de retención El tamaño de la sección transversal de la cuña será impuesto por la correlación con el tamaño del eje, y por supuesto deben coincidir con todas las cuñas del diámetro interior del engrane. La decisión del diseño incluye la longitud de la cuña y, si es necesario, una actualización en la elección del material. La cuña podría fallar por cortante a través de la cuña, o al aplastamiento debido al esfuerzo del cojinete.

La selección del anillo de retención es simplemente cuestión de verificar las especificaciones de los catálogos. Los anillos de retención se enumeran por diámetro nominal de eje, y están disponibles con diferentes capacidades de carga axial.

Análisis final En este punto del diseño, todo parece verificarse. Los detalles finales incluyen la determinación de las dimensiones y tolerancias para ajustes apropiados con los engranes y cojinetes.