Guía para el diseño del chavetero del eje, cálculo y selección del tamaño de la chaveta del eje

Selección de llave de eje es crucial para evitar fallas prematuras en juntas enchavetadas . El chavetero y las chavetas del eje se utilizan para transmitir el par desde los ejes a los elementos de transmisión mecánica, como engranajes, poleas, etc., mediante una junta enchavetada. Se pueden fabricar utilizando un material de stock estándar, como un material clave, o mecanizarse a medida para adaptarse a la aplicación.

Generalmente, el diámetro nominal del eje se usa para especificar el tamaño de la llave de acuerdo con varios estándares, como BS4235, y la llave rectangular ampliamente disponible se usa para la mayoría de las aplicaciones. De esta forma, una junta enchavetada está sobredimensionada para soportar todas las cargas y las normas no especifican el material de la llave ni las limitaciones de la junta. Pero se debe tener cuidado, ya que a veces incluso la llave más grande falla debido a un error de cálculo imprevisto, sin mencionar que una llave más larga o más grande también debilita el eje.

Asumiendo que el tamaño del eje y el elemento han sido diseñados para adaptarse al par y la resistencia a la flexión, entonces asegurarse de que la llave seleccionada se adapte a esa especificación es crucial para una transmisión mecánica segura. A veces, la chaveta del eje se selecciona para fallar en un límite que protege el eje, el engranaje y otros elementos. En este caso, la junta enchavetada funciona como un fusible escarificador.

Criterios de selección de llave de eje

Profundicemos en los criterios de selección importantes a tener en cuenta al elegir una articulación enchavetada. Los siguientes 8 factores críticos deben ser considerados durante el diseño y selección de una llave de eje.

El tipo de llave o el tipo de junta generalmente se elige durante la etapa conceptual tardía o la etapa de diseño de realización temprana del diseño del producto. Pero durante la configuración del diseño o las etapas de diseño detallado del diseño del producto, se debe evaluar la unión enchavetada para detectar fallas por esfuerzo cortante y de compresión.

Tipos de clave

Hay cuatro grupos principales de llaves de eje disponibles, a saber, llave hundida, llave de asiento, llave tangente y llaves redondas . Cada uno tiene diferentes características y capacidades de carga; por lo tanto, se debe seleccionar la chaveta de eje correcta para la aplicación en función de sus características y beneficios.

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• A veces, el diámetro del eje lo dictan otros elementos, como la resistencia a la flexión, la instalación de los rodamientos, etc. En ese caso, la chaveta se puede dimensionar más pequeña para adaptarse al par en lugar del diámetro del eje.

Material clave

Por lo general, las llaves del eje están hechas de acero al carbono medio o acero inoxidable . Pero se pueden fabricar con muchos tipos diferentes de materiales, como aleación de aluminio, bronce, cobre y latón, para adaptarse a diferentes entornos de aplicación. Por ejemplo, chavetas de latón o bronce para ejes de hélice marinos y grado de acero inoxidable para uso en equipos de servicio de alimentos.

Generalmente, el acero clave se suministra según BS46 y BS4235 y es un acero al carbono medio sin alear con una resistencia a la tracción razonable. Se utilizan aceros al carbono medio sin alear con un contenido de carbono que oscila entre el 0,25 % y el 0,60 % debido a sus combinaciones ideales de resistencia, tenacidad y buenas características de mecanizado. La siguiente tabla proporciona una lista de algunos materiales comunes de la llave del eje con su máxima resistencia a la tracción (UTS).

Por lo general, durante los cálculos, la resistencia a la compresión y al corte admisibles se calculan a partir de UTS utilizando un factor de seguridad apropiado y teorías de falla, como la teoría del esfuerzo cortante máximo.

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• El acero de grado más popular es AISI 1045 (equivalente a C45, EN8, 080M40), que se puede endurecer calentando el material a aproximadamente 820-850C (1508 -1562 F) para aumentar la UTS.
• Asegúrese de que se tenga en cuenta la corrosión galvánica si utiliza otros materiales.
• Las llaves fabricadas según los estándares británicos deben fabricarse con acero que cumpla con BS 970 con una resistencia a la tracción de no menos de 550 MN/m2.

Tipo de carga

A veces ocurren fallas prematuras incluso cuando la chaveta del eje está sobredimensionada para el par máximo transferido. Esto se debe a tipos de carga imprevistos, como golpes, impactos o fuerzas inducidas debido a la rotación bidireccional. Los motores de velocidad variable también experimentan fluctuaciones de carga durante sus fases de aceleración y desaceleración en las que cambian las fuerzas sobre la llave.

Aunque la mayoría de las chavetas no son adecuadas para cargas direccionales alternas (cambios de dirección rotacional de CW a CCW o viceversa), las chavetas todavía se usan en tales aplicaciones. Si la dirección no cambia con frecuencia, el chavetero se puede usar de manera segura, pero se debe prestar especial atención a las cargas de fatiga y los pares de aceleración.

\(T_m =(T_L + T_a) \)

\(T_a =JA\)

• \(T_m \) – Torque total requerido
• \(T_L \) – Par de carga
• \(T_a \) – Par de aceleración
• \(J \) – Momento de inercia
• \(A \) – Tasa de aceleración

Si hay alguna carga de choque axial o radial en el elemento que se conecta, se debe tener cuidado para soportar las cargas de choque axial y radial externas. Esto es para garantizar que la llave solo transfiera el par en la dirección de rotación.

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• • Coloque el chavetero en línea con la fuerza radial que actúa sobre el elemento.
  • La mayoría de las llaves no son adecuadas para alternar cargas direccionales y golpes.

Ajuste correcto

Es vital tener el ajuste correcto entre el chavetero del eje, la chaveta y el chavetero del cubo. Normas como BS 46, ANSI B17.1-1967 o JIS B 1301-1996 especifican tamaños y tolerancias de las chavetas y ranuras.

En general, hay dos clases de stock disponibles para llaves hundidas, principalmente llaves paralelas. Todos los estándares reconocen esto y especifican tolerancias para el chavetero, de modo que uno podría tener de dos a cuatro clases de ajustes.

Las cuatro clases de ajuste tratadas en esta norma están destinadas a cumplir con los siguientes requisitos:

Espacio libre/Ajuste libre – Este es un ajuste relativamente libre en el que se requiere que el concentrador se deslice sobre la tecla cuando está en uso y solo se aplica a las teclas paralelas. (Usando llaves de material en barra y tolerancias de asiento de llave)

Ajuste normal/lateral: Este es un ajuste relativamente apretado donde la chaveta debe insertarse en el chavetero con un ajuste mínimo, como se requiere para el ensamblaje de producción en masa.

Corte ajustado – Donde se requiere un ajuste preciso de la llave. En esta clase, se requerirá el montaje en condiciones máximas del material, y si se requiere para obtener estas condiciones, puede ser necesaria alguna selección de componentes.

Ajuste de interferencia – donde se requiera un ajuste tal que no haya posibilidad de juego entre la chaveta y el chavetero en el eje y el cubo. En esta clase de ajuste, será necesario ajustar a mano.

Especificación de llaves y chaveteros

El ajuste afectará la vida útil del chavetero y se debe considerar el siguiente factor durante el cálculo. La corrosión por fricción debida a la flexión giratoria y/o la oscilación torsional se ha demostrado en numerosas pruebas de resistencia y suele ser el factor crucial que provoca el fallo de la conexión eje-cubo.

Factor de fatiga y seguridad humana

Como cualquier otro cálculo mecánico, el factor de seguridad es un elemento clave para calcular, especificar y diseñar una junta enchavetada en la transmisión de potencia mecánica. La relación entre la tensión admisible y el límite elástico mínimo especificado según el código AISC es Tensión