Charla sobre el tema de los elementos de fijación sobre árboles y ejes.
Video elementos de fijación (Recuperado de https://youtu.be/NXSElvNLfu8)
2.4.- Uniones por Chavetas.
Uniones rígidas - chavetas (Recuperado de https://youtu.be/0yHIy0p9F6U)
Una chaveta o cuña, es un elemento de máquina que se coloca en la interfase del eje y la masa de una pieza que transmite potencia con el fin de transmitir torque. La chaveta es desmontable para facilitar el ensamble y desarmado del sistema de eje. Se instala dentro de una ranura axial que se maquina en el eje, la cual se denomina chavetero (cuñero). A una ranura similar en la maza de la pieza que transmite potencia se le da el nombre de asiento de chaveta o asiento de cuña (cubo), si bien, propiamente es también un chavetero.
Las uniones que han adquirido más amplia difusión debido a la sencillez y seguridad de construcción, comodidad de montaje y desmontaje del conjunto, bajo costo, etc, son estas uniones por chavetas.
Las Chavetas se usan en el ensamble de partes de maquinas para asegurarlas contra su movimiento relativo, por lo general rotatorio, como es el caso entre flechas, cigüeñales, volantes, etc. Aun cuando los engranajes, las poleas, etc., están montados con un ajuste de interferencia, es aconsejable usar una cuña diseñada para transmitir el momento torsional total.
Fig. 2.4.2
Lenguetas.- Es un tipo de chavetas que se ajusta lateralmente, permite juego axial.
Fig. 2.4.3.- Lenguetas
Como ejemplo tenemos la siguiente unión:
Fig. 2.4.4 Unión acuñada
Los otros elementos de unión, que también son muy importantes desde el punto de vista industrial, son los que se muestran en la tabla 2.4.1
Tabla 2.4.1
2.4.1.- Clasificación:
Fig. 2.4.5 Clasificación general de chavetas
2.4.1.1.- Cuñas encastradas.
Son cuerpos estirados longitudinalmente, seccionalmente de ángulos rectos con una superficie posterior inclinada y una superficie frontal recta o redondeada.
La inclinación tiene la relación 1: 100, esto significa, que sobre una longitud de 100 mm varia la altura de la cuña 1 mm.
Tipos de cuñas encastradas:
Las cuñas encastradas de frente circular se denominan como cuñas embutidas - éstas se encajan en una ranura de eje de ajuste exacto, sobre la cual se deslizará luego el buje. Su aplicación se lleva a cabo cuando no se tiene espacio a disposición para el acunado y expulsión de la cuña.
Las cuñas encastradas de frente recto se denominan como cuñas cónicas - éstas se sientan en una ranura de un eje sobresaliente y luego se encunan en las piezas montadas de la máquina. Su aplicación se lleva a cabo cuando no existe espacio a los dos lados para el acunado y la expulsión.
Las cuñas cónicas, cuyo lado mas grueso se aumentó através de una saliente, se denominan como cuñas de nariz. Se emplean cuando el acuñado y la expulsión solamente es posible por un lado.
Las chavetas de disco también pueden cumplir la función de una cuña encastrada, ya que através de su soporte giratorio en la ranura del eje se pueden ajustar ellas mismas al apriete de una ranura de buje inclinada. Las chavetas de disco empleadas como cuña se denominan también como cuñas de disco.
Fig. 2.4.5 Cunas encastradas (1 cuña embutida, 2 cuña cónica. 3 cuña de nariz, 4 chaveta de disco)
2.4.1.2.- Cuñas cóncavas y cuñas planas.
Son cuerpos extendidos longitudinalmente, de sección rectangular con una superficie posterior inclinada para alturas reducidas de la chaveta, las cuales se emplean solamente para la transmisión de fuerzas de rotación pequeñas.
Para estas cuñas no es necesario elaborar una ranura de eje:
En la cuña cóncava la superficie vientre está elaborada de acuerdo a la curvatura del área superficial de envoltura del eje de tal forma que se ajuste al eje.
Un buen asentamiento de la cuña plana sobre el eje es posible solamente cuando se ha aplanado el eje en la superficie de asentamiento al ancho de la cuña.
Fig. 2.4.6 Cuña cóncava y cuña plana.
2.4.1.3.- Cuñas tangenciales.
Son dos cuerpos correspondientes de sección rectangular, con una de sus superficies inclinada, la relación de inclinación es de 1: 60 hasta 1: 100.
Las cuñas tangenciales se emplean cuando se deben transmitir fuerzas de rotación muy grandes en los dos sentidos. Estas se encunan unas a otras con las superficies inclinadas en las ranuras de ejes y de bujes elaboradas con inclinación, para ello se instalan siempre dos pares de cuñas con un ángulo de 120º a la periferia del eje, para obtener una unión exacta.
Fig. 2.4.7 Cuñas tangenciales.
2.4.1.4.- Casquillos cónicos.
Estos son cuerpos troncocónicos con conos interiores y exteriores que se emplean para unir piezas de maquinas directamente. Se emplean principalmente en los husillos de máquinas donde se colocan herramientas con vástago cónico. Para soltar la unión se encunan chavetas transversales en agujeros largos laterales en el casquillo cónico.
Un tipo especial de casquillo cónico es el casquillo que se emplea como elemento intermedio en uniones de piezas de máquinas. Los casquillos de tensor sujeción se instalan sobre ejes, donde se van a montar rodamientos, ruedas dentadas o elementos constructivos semejantes.
Su tensión anular uniforme, originada através de una relación de inclinación de 1: 10 hasta 1: 20, consigue una marcha circular exacta. Se fijan con tuercas.
Fig. 2.4.8 Casquillos cónicos y casquillos tensores .
2.4.1.5.- Pasadores cónicos.
Son cuerpos troncocónicos con una relación cónica de 1:50. En las uniones con chavetas longitudinales se denominan también como "cuñas redondas".
Estas se emplean en uniones que se elaboran muy simplemente, que se sueltan raro vez y solamente deben transmitir fuerzas de rotación pequeñas, por ejemplo: palancas sobre ejes.
Las perforaciones se escarian como en las uniones de pasadores cónicos con escariadores cónicos.
Para soltar la unión se debe mandrilar el pasador cónico.
Fig. 2.4.9 Pasador cónico.
2.4.1.6.- Cuñas transversales.
Son cuerpos rectangulares con una o dos superficies inclinadas, cuyos bordes están redondeados.
Estas se emplean para asegurar espigas y bielas, con el fin de transmitir movimientos longitudinales (hacia allá y hacia acá). Las cuñas transversales tienen una relación de inclinación de 1:10 hasta 1:40 y se aseguran frecuentemente contra un autosoltamiento.
Debido a que la elaboración de las ranuras exige un gasto elevado, se emplean solamente cuando se deben transmitir fuerzas axiales grandes.
Para la transmisión de fuerzas pequeñas, los pasadores cónicos pueden tomar esta función, ya que esta unión es mas fácil de realizar.
Fig. 2.4.10 Cuña transversal (1 con una superficie inclinada 2 con dos superficies inclinadas).
2.4.1.7.- Cuñas de ajuste.
Son cuerpos rectangulares con una o dos superficies inclinadas y una perforación roscada pasante en sentido longitudinal.
Las cuñas de ajuste no transmiten ninguna fuerza de rotación sino que se emplean solamente para ajustar el juego en soportes divididos y guías.
Su sentido de montaje es transversal al eje de la barra. Con el fin de alcanzar un gran efecto de ajuste con un recorrido de ajuste pequeño en sentido longitudinal, se elabora la inclinación de las superficies posteriores con la relación 1:5 hasta 1:10.
Fig. 2.4.11 Cuña de ajuste .
2.4.2.- Tipos de uniones acuñadas.
De acuerdo a la función de la unión se diferencia entre "unión de cuña de aprieto y unión de cuña de ajuste".
Las cuñas para las uniones acuñadas de aprieto se diferencian de acuerdo a su posición respecto al eje longitudinal de las piezas de la máquina que van a unir. Por eso se subdividen en "cuñas longitudinales" y "cuñas transversales".
Fig. 2.4.12 Tipos de uniones acuñadas.
2.4.3.- Esfuerzo de las uniones acuñadas.
Uniones acuñadas son uniones por arrastre de fuerza. La cuña es presionada con la superficie posterior contra una de las piezas de la máquina y con la superficie abombada contra la otra pieza de la máquina. Através de esto se obtiene una tensión de las piezas de la maquina entre sí.
Fig. 2.4.13 Esfuerzo de la unión acuñada (1 tensión de la cuña contra el buje 2 fuerza de presión 3 tensión de la cuña contra el eje).
La magnitud de la tensión depende del valor de la fuerza de presión, del ángulo de inclinación de las superficies y del rozamiento entre las superficies tensionadas.
La tensión es grande cuando la fuerza de presión es grande!
La tensión es grande igualmente, cuando se emplean cuñas con ángulo de inclinación pequeño!
Cuando el rozamiento entre las superficies que se van a tensionar es grande, se debe emplear también una fuerza de presión elevada!
Las uniones acuñadas actúan de acuerdo al principio del plano inclinado.
Es conocido, que sobre planos inclinados se pueden levantar cargas grandes con un gasto reducido de fuerza. La elevación se puede realizar con una fuerza relativamente baja, cuando el plano inclinado tiene una inclinación pequeña solamente.
Traducido esto significas que las cuñas con un ángulo de inclinación reducido activan una tensión grande, a pesar de que se necesitan solamente fuerzas de presión pequeñas.
En las uniones de eje-buje se debe prestar atención de que un presionamiento demasiado fuerte de la cuña puede conllevar al rompimiento del buje o por lo menos puede poner en peligro la marcha concéntrica impecable. Como las cuñas dentro de la unión se someten a una presión superficial solamente en la superficie abombada y en la superficie posterior, las superficies laterales generalmente no tienen carga; éstas tienen juego.
Pero cuando se tienen fuerzas de rotación demasiado fuertes se sienta la cuña a las superficies laterales de la ranura en el eje y el buje.
Fig. 2.4.14 Esfuerzo de la unión acuñada en caso de sobrecarga (1 tensión de cizallamiento, 2 fuerzas de ataque 3 fuerza de giro).
En la sección de la cuña se forma una tensión de cizallamiento a la altura del diámetro del eje, la cual puede conducir al cizallamiento de la cuña.
Como se ve, existen una gran variedad de cuñas, pero aquí se analizaremos el tipo más simple: la cuña plana. El objetivo principal de una cuña consiste en prevenir el movimiento entre el eje y el elemento de máquina conectado a través del cual se transmite el par de torsión. El propósito de usar una cuña es transmitir el par de torsión completo.
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Fig. 2.4.15.- Cuña plana |
Una cuña también tiene la función de un sistema de seguridad. La mayoría de las máquinas tienen una velocidad de operación y un par de torsión que definen el tamaño requerido de la cuña. Sin embargo, en el caso de un incremento drástico en las condiciones de carga, la cuña fallará por cortante antes de que falle el eje o el elemento de máquina. Como las cuñas son baratas, además de que se pueden reemplazar rápidamente, los diseñadores las usan para proteger los componentes de la maquinaria más caros. Las cuñas fallan principalmente por corte o por compresión, ambos casos se consideran aquí: a).- Falla debida al corte de la cuña:
El área de corte de la cuña es As = wl. El esfuerzo cortante de diseño es:
Es importante notar que el lado derecho de la ecuación anterior es independiente de la altura h. Para evitar la falla debida al cortante:
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Hay que recordar que 
, siendo Sy el esfuerzo de fluencia.
b).- La falla debida al esfuerzo de compresión o de apoyo de la cuña: la compresión o área de apoyo es:
El esfuerzo de compresión o esfuerzo de apoyo de diseño es:
Es importante notar que el lado derecho de la ecuación es independiente del ancho w. Es posible evitar las fallas debidas al esfuerzo de compresión o esfuerzo en el apoyo si:
Hay que recordar que 
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2.4.4.- Selección de una Chaveta.
No existe una receta para su selecciónn. Sólo debería tenerse presente la magnitud de los elemento a unir y el tipo de carga que se transmite. Respecto a la carga se puede agregar:
Las chavetas planas y de media caña no son apropiadas para trasmitir torques altos ni mucho menos variables (dinámicos).
En caso de cargas elevadas y variables se recomienda el uso de chavetas de cuña embutidas, siempre y cuando las cargas adicionales producidas en el cubo no produzcan deformaciones elásticas de importancia.
Para absorber golpes y torques elevados son apropiadas las chavetas tangenciales, debido a que el esfuerzo de corte actúa sobre la diagonal de la sección rectangular de la chaveta.
Las chavetas prismáticas o lenguetas no son apropiadas para la fijación de elementos de máquinas o para la absorción de momentos de giro alternativos. Se usan en caso de que el cubo quiera desplazarse a lo largo del eje sobre una guía o bien cuando éste puede ser mantenido fijo en su posición por algún elemento adicional (tuerca, anillo separador, resalte en el eje).
La figura 4.2.16 entrega una guía del campo de aplicación de los diferentes tipos de chavetas de cuña en poleas, ya sean estas partidas o no.
Fig. 2.4.16.- Aplicaciones de chavetas clásicas
2.4.5.- Designaciòn de Chavetas:
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