Guía Completa de Chavetas y Cajeas en Ingeniería Mecánica

En ingeniería mecánica, las uniones por chaveta están formadas por chavetas y cajeas. Estas chavetas pueden mecanizarse en diversas formas según el tipo de unión requerido. Las cajeas son superficies mecanizadas en el eje con las dimensiones de la chaveta. Se ajustan conjuntamente para impedir la separación de componentes y evitar el movimiento relativo entre un eje.

Hoy conocerás la definición, funciones, aplicaciones, componentes, diagrama, tipos y funcionamiento de chavetas y cajeas, así como las ventajas e inconvenientes de una unión por chaveta.

Definición de chaveta y cajea

Una chaveta es un elemento de máquina que une un elemento giratorio a un eje. Para que funcione, debe existir una cajea en el eje y una ranura (chavetero) en el elemento giratorio. La chaveta se ajusta firmemente entre la cajea y la ranura, constituyendo lo que se denomina unión por chaveta.

La función principal de chavetas y cajeas es formar uniones por chaveta que aseguren el cubo y el eje, impidiendo el movimiento relativo entre un eje transmisor de potencia y el componente acoplado. Una unión por chaveta suele permitir movimiento axial relativo entre los componentes. La chaveta evita la rotación relativa entre las dos partes y puede permitir la transmisión de par.

Aplicaciones

La unión por chaveta es parte esencial de elementos de transmisión mecánica como ejes y acoplamientos. Garantiza la transmisión eficiente de carga, potencia y rotación sin deslizamiento. Un ejemplo típico son engranajes, poleas o piñones fijados firmemente al eje transmisor mediante chaveta.

En el ámbito mecánico, las uniones por chaveta son un método cómodo para crear conexiones seguras entre ejes y piñones. También se usan como alternativa en otras aplicaciones de ejes donde la carga debe traccionarse o empujarse, frecuentes en maquinaria agrícola, herramientas de máquina, equipos industriales, etc.

Fresadoras, ranuradoras y cepilladoras son las herramientas habituales para crear cajeas y ranuras. Existen máquinas especiales para ranuras en cubos.

Componentes de las uniones por chaveta

Dado que existen diversos tipos de uniones por chaveta, los componentes variarán según el tipo y características adicionales. No obstante, los componentes principales son: chaveta, ranura (chavetero) y cajea.

• Chaveta – suele ser de acero, mecanizada en forma rectangular, cuadrada o circular. Se inserta entre el eje y el cubo del componente en dirección axial para impedir el movimiento relativo.
• Ranura (chavetero) – nombre técnico del alojamiento en el eje. Suele hacerse en cepilladora.
• Cajea – alojamiento en el cubo que recibe la chaveta y bloquea el mecanismo. La ranura y la cajea comparten cada una la mitad de la altura de la chaveta. Esto se explicará en el principio de funcionamiento.

Diagrama de chaveta, cajea y ranura (unión por chaveta)

Tipos de chavetas

A continuación, los diversos tipos de chavetas para ejes usados en uniones por chaveta:

Chavetas hundidas (sunk keys):

Están diseñadas para que la mitad del espesor de la chaveta quede hundida en el eje y la otra mitad en la ranura del cubo. La precisión es crucial. Por ejemplo, si la chaveta mide 8 mm, la cajea en el eje se mecaniza a 4,1 mm de profundidad, lo mismo que la ranura. Existen varios subtipos:

• Chavetas rectangulares / planas

A veces llamadas chavetas planas, son más anchas que altas. Se usan en ejes de ~500 mm (20 pulg.) de diámetro. El ancho restante permite mayor transmisión de par sin aumentar la profundidad, lo que debilitaría el eje al reducir su sección eficaz.

• Chavetas cuadradas

Tienen sección cuadrada y se usan en ejes de ~25 mm (1 pulg.). Se emplean en ejes mayores cuando se requiere mayor profundidad que con chavetas rectangulares. Sin embargo, mayor profundidad implica eje más débil por reducción de sección eficaz. Pueden tener conicidad 1:100 a lo largo de su longitud.

• Chavetas paralelas hundidas

Son de sección rectangular o cuadrada, sin conicidad. Son baratas y fáciles de conseguir. Fáciles de instalar, pero deben fijarse al cubo con tornillos de presión, ya que la vibración o la inversión de giro tienden a expulsarlas.

La chaveta suele ajustarse a presión en el fondo de la cajea del eje y en los laterales de la unión, dejando holgura en la parte superior de la ranura del cubo.

• Chaveta hundida con cabeza Gib

Es rectangular o cuadrada con conicidad en la cara superior para lograr un ajuste apretado y facilitar su extracción.

• Chavetas de lengüeta (feather keys)

Tienen tres variantes: de doble cabeza, de clavija y lengüeta simple. Se fijan al eje o al cubo para permitir movimiento axial relativo. Así transmiten potencia entre eje y cubo con sus caras paralelas opuestas, permitiendo el deslizamiento.

• Chavetas Woodruff

Son discos semicirculares que encajan en una cajea circular del eje, mecanizable solo con fresa Woodruff. Usadas en herramientas de máquina y ejes de automóvil de ¼" a 2½" (6-60 mm). Su capacidad de carga difiere mucho de las chavetas paralelas largas, por lo que no soportan las mismas cargas.

Chavetas de silla (saddle keys):

A diferencia de las hundidas, no se hunden en el eje, sino solo en el cubo. Se apoyan sobre una zona plana o sobre la circunferencia del eje, transmitiendo potencia por rozamiento entre eje y chaveta. Se subdividen en chaveta de silla plana y hueca. Solo sirven para cargas ligeras para evitar deslizamiento.

• Chaveta de silla plana

Es cónica arriba y plana abajo, encajando en ranura cónica del cubo y apoyándose en la cara plana del eje.

• Chaveta de silla hueca

Cónica arriba y curva en el borde inferior. Encaja en ranura cónica del cubo y apoya sobre la superficie circunferencial curva del eje.

Chavetas tangenciales (tangent keys):

También llamadas chavetas tangenciales. Se montan en par a ángulo recto, de modo que cada chaveta resiste torsión en un solo sentido. Usadas en ejes de gran servicio pesado.

Chavetas redondas / circulares

De sección circular, se insertan en taladros parciales en eje y cubo. Son fáciles de fabricar, pues las cajeas pueden taladrarse o escariarse tras ensamblar las partes. Aptas para transmisiones de baja potencia.

Principio de funcionamiento

El funcionamiento de chaveta y cajea es sencillo. Al haber diversos tipos, el principio varía según el tipo. El vídeo siguiente explica el mecanismo de la unión por chaveta más común.

Mira el vídeo:

Ventajas e inconvenientes de chavetas y cajeas (uniones por chaveta)

Ventajas:

Beneficios de las uniones por chaveta en sus aplicaciones:

• Coste de producción muy bajo.
• Transmisión de par media a alta.
• Fáciles de montar y desmontar.
• Reutilizables en otros componentes del mismo tipo.
• Método normalizado (ISO, BS, DIN, ANSI).

Inconvenientes:

Limitaciones a pesar de sus beneficios:

• No aptas para cargas alternantes y choques.
• Uniones muy apretadas pueden dificultar el desmontaje.
• Provocan desequilibrio del eje.
• Introducen concentraciones de tensiones (efecto muesca) y reducen la resistencia del eje.
• Posible desplazamiento axial del cubo salvo bloqueo extra (anillo elástico, tornillo de presión).
• Difícil cálculo y análisis de tolerancias combinadas con la capacidad de carga.

Conclusión

Las uniones por chaveta son uno de los grandes medios mecánicos de transmisión de potencia. Se usan mayormente en ejes de motor. En este artículo hemos cubierto definición, función, aplicaciones, componentes, tipos y funcionamiento de chavetas y cajeas que componen una unión por chaveta, así como sus ventajas e inconvenientes.

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