Chavetas y Cajeros: Tipos y Aplicaciones en Uniones Mecánicas

¿Qué es una chaveta y un cajero?

Una chaveta y su cajero forman una unión por chaveta para asegurar el cubo y el eje, evitando el movimiento relativo entre un eje de transmisión de potencia y un componente acoplado. Por ejemplo, engranajes, poleas o piñones se conectan firmamente al eje de transmisión mediante chavetas (Figura 1). Las uniones por chaveta son elementos importantes de la transmisión mecánica de potencia en ejes y acoplamientos, garantizando que la conexión transmita carga, potencia y rotación sin deslizamiento y dentro de los requisitos de precisión del diseño.

Una chaveta suele fabricarse en acero y se inserta o monta entre el eje y el cubo del componente en dirección axial para evitar el movimiento relativo. El cajero del eje es la ranura en el eje y el cajero del cubo es la ranura en el cubo para recibir la chaveta y bloquear así el componente de forma segura. En la industria, el término «cajero» se usa comúnmente para ambas ranuras (Figura 2).

Los cajeros en ejes y cubos se mecanizan a menudo en máquinas ranuradoras, pero también pueden realizarse mediante brochado, fresado, cepillado, ranurado o electroerosión (EDM).

Elementos de retención como estrias, acoplamientos flexibles, uniones cónicas, etc., también se utilizan. Para transmisiones de muy baja potencia, se pueden usar tornillos de presión y pasadores. Si se usan tornillos de presión o en algunos casos de uniones por chaveta, debe existir un método de sujeción axial como circlips o anillos de retención.

Ventajas y límites de las uniones por chaveta

Existen diversas ventajas y desventajas en el uso de chavetas, por lo que debe darse la debida consideración a los detalles finos del diseño global para evaluar la idoneidad de la unión por chaveta.

Ventajas de las chavetas y uniones por chaveta

• Bajo coste de fabricación
• Bien estandarizadas (ISO, BS, DIN y ANSI)
• Transmisión de par medio a alto
• Fácil montaje y desmontaje, por lo que son fácilmente reutilizables

Desventajas de las chavetas y uniones por chaveta

• No aptas para cargas alternantes de dirección y golpes
• Posible desplazamiento axial del cubo a menos que se bloquee con un elemento extra (tornillo de presión o anillos de retención)
• Con el tiempo, la unión puede volverse muy difícil de desmontar
• Los cajeros introducen puntos de tensión por efecto muesca y reducen la resistencia del eje
• Introducen desequilibrio en el eje
• Difícil calcular y combinar la capacidad de carga y el análisis de apilamiento de tolerancias, por lo que las uniones se sobredimensionan
• Para transmitir fuerza axial, se necesita un tope de bloqueo

Tipos de chavetas

Las chavetas vienen en una amplia variedad de tipos y formas y pueden dividirse en las siguientes cuatro categorías con sus subcategorías (Figura 3):

1. Chavetas hundidas (Sunk Keys)
   • Chavetas rectangulares y cuadradas
   • Chavetas paralelas
   • Chavetas con cabeza Gib
   • Chaveta deslizante (Feather key)
   • Chaveta Woodruff
2. Chavetas de silla (Saddle Keys)
   • Chavetas de silla planas y huecas
3. Chavetas tangenciales (Tangent Keys)
4. Chavetas redondas/circulares (Round/Circular Keys)

De los tipos anteriores, la chaveta paralela cuadrada y la chaveta Woodruff son probablemente las más utilizadas por su facilidad de uso y coste.

Doble chaveta – Debido a las tolerancias de fabricación y para evitar doble ajuste, normalmente se usa solo una chaveta paralela, pero las dobles chavetas se usan ocasionalmente para cargas muy altas e infrecuentes. Solo debe considerarse si el material es dúctil. Para estos casos, los cálculos deben basarse en una chaveta y media paralela.

Chavetas hundidas (Sunk Keys)

Las chavetas hundidas se insertan en el eje la mitad de su espesor, donde la medición se toma en el lateral de la chaveta, no a lo largo de la línea central del eje (Figuras 4 y 5).

Chavetas rectangulares/cuadradas

Las chavetas rectangulares son más anchas que altas y a veces se llaman chavetas planas. Se usan en ejes de hasta unos 500 mm o 20 pulgadas de diámetro. El ancho extra permite transmitir mayor par sin aumentar la profundidad. Un aumento de profundidad debilita el eje por reducción del área transversal efectiva.

Las chavetas cuadradas, como su nombre indica, tienen sección transversal cuadrada y generalmente se especifican para ejes de hasta unos 25 mm o 1 pulgada. Pueden usarse en ejes mayores cuando se desea mayor profundidad que en las rectangulares. El aumento de profundidad debilita el eje por la reducción del área transversal efectiva.

Las chavetas cuadradas y rectangulares pueden tener una conicidad de 1 en 100 a lo largo de su longitud, como se muestra en la figura 6.

Chavetas paralelas hundidas

Las chavetas paralelas hundidas pueden ser de sección rectangular o cuadrada pero sin conicidad. Son económicas y fácilmente disponibles. Es uno de los tipos más fáciles de instalar. Pero idealmente deben sujetarse con un tornillo de presión a través del cubo, ya que la vibración o la inversión de la dirección de rotación a menudo empujan la chaveta hacia afuera.

Estas chavetas se ajustan generalmente apretadas al fondo del cajero del eje y a los lados de la unión, dejando un juego en la parte superior del cajero del cubo.

Chavetas con cabeza Gib hundidas

Se añade una cabeza Gib a las chavetas hundidas para facilitar su extracción. Como se muestra en la figura 8, son generalmente chavetas rectangulares o cuadradas con conicidad en la superficie superior para asegurar un ajuste apretado.

Chavetas deslizantes (Feather Keys)

Las chavetas deslizantes se fijan al eje o al cubo para permitir el movimiento axial relativo. Como se muestra en la imagen, hay tres tipos principales: de doble cabeza, de pasador (Peg feather) y chaveta deslizante estándar. Esto permite la transmisión de potencia entre el eje y el cubo con sus caras paralelas opuestas, permitiendo al mismo tiempo el deslizamiento.

Chavetas Woodruff

La chaveta Woodruff es un disco semicircular que encaja en una ranura circular en el eje mecanizada con una fresa para cajero Woodruff. Se usan principalmente en herramientas de máquina y ejes de automóvil de ¼" a 2½" (6 mm a 60 mm) de diámetro. No son capaces de soportar la misma carga que las chavetas paralelas largas.

La ventaja de la chaveta Woodruff es que puede adaptarse a cualquier conicidad en el cajero del cubo, es cautiva y su profundidad evita que la chaveta voltee.

Los inconvenientes son que la profundidad del cajero debilita el eje, no pueden usarse como chavetas deslizantes, son difíciles de instalar y al ser cortas no pueden soportar demasiada carga.

Chavetas de silla (Saddle Keys)

Comparadas con las hundidas, las chavetas de silla no se hunden en el eje, solo en el cubo. Se apoyan en la superficie plana o circunferencial del eje. La transmisión de potencia se logra por fricción entre el eje y la chaveta. Como se muestra en la figura, se subdividen en chavetas de silla planas y chavetas de silla huecas y solo son adecuadas para cargas ligeras para evitar deslizamiento sobre el eje.

Una chaveta de silla plana es cónica en la parte superior y plana en la inferior (figura 13). Encaja en un cajero cónico del cubo presionando sobre la cara plana del eje.

Una chaveta de silla hueca es cónica en la superior y curva en la inferior (figura 14). Encaja en un cajero cónico del cubo y presiona sobre la superficie circunferencial curva del eje.

Chavetas tangenciales (Tangent Keys)

Las chavetas tangenciales se montan en par a ángulo recto como se muestra en la figura 15, donde cada chaveta soporta torsión en una sola dirección. Se usan en ejes grandes de servicio pesado.

Chavetas redondas / circulares (Round / Circular Keys)

Las chavetas redondas tienen sección circular y encajan en agujeros taladrados parcialmente en el eje y parcialmente en el cubo. Tienen la ventaja de fácil fabricación ya que sus cajeros pueden taladrarse y reamerizarse después de ensamblar las piezas. Se consideran más apropiadas para transmisiones de baja potencia.

Diseño de cajero y dimensionado de chaveta

La selección de la chaveta es crucial para evitar fallos prematuros en uniones por chaveta. Lea «Guía de selección de chavetas y diseño de cajeros» para entender cómo calcular tensiones de corte y compresión en la chaveta. El artículo también discute factores críticos como material de la chaveta, tipo de carga, ajuste correcto, etc., a considerar durante el diseño de implementación de la unión por chaveta.

Normas y Especificaciones

Consulte las dimensiones y tolerancias tabuladas de cajeros métricos para chavetas paralelas y Woodruff según BS 4235-1:1972. Junto con tolerancias de tamaño de cajero y profundidades, algunas normas también proporcionan información sobre el tamaño recomendado de chaveta, profundidad del cajero en función del diámetro del eje:

• Recomendaciones para tamaño de chaveta, longitud y profundidad de cajero como función del diámetro del eje en ASME B17.1-1967, ASME B17.2-1967
• Especificación para chavetas y cajeros métricos – Paralelas y cónicas BS 4235-1:1972
• Correspondencia de chaveta Woodruff a diámetro de eje en DIN 6888
• Chavetas y cajeros tangenciales para cargas de choque alternantes DIN 268:1974
• Chavetas y cajeros tangenciales para cargas constantes DIN 271:1974

Referencias

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (s.f.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.