Chavetas 2008

Elementos de máquinas

Docente: Armando Pons Duarte Chavetas, pasadores Página 1

CHAVETAS O CUÑAS Introducción Las chavetas se usan en el ensamble de partes de máquinas 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, y otros similares, están montados con un ajuste de interferencia, es aconsejable usar una cuña diseñada para transmitir el momento torsionante total. Cuando las fuerzas relativas no son grandes, se emplea una cuña redonda, una cuña de silleta o una cuña plana. Para trabajo pesado son más adecuadas las cuñas rectangulares Chavetas 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.

La chaveta también puede definirse como una máquina simple de madera o metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar algún espacio o ranura. Actúa como un plano inclinado móvil. El filo de un hacha es, en realidad, una cuña afilada. Tal como lo haría una rampa, permite desplazar un peso con mayo facilidad. Tipos de Chavetas o Cuñas - FORMAS. Las normas Din para chavetas contemplan todas estas variaciones de formas y numeración Din



Todas ellas pueden ser fabricadas con aceros de: cementación, temple, aceros inoxidables ferríticos y martensíticos, así como aceros austeníticos resistentes al ácido y al óxido. Cuñas paralelas cuadradas y rectangulares. El tipo mas común de las cuñas para ejes de hasta 6 ½” de diámetro es la cuña cuadrada. La cuña rectangular se sugiere para ejes largos y se utiliza en ejes cortos donde puede tolerarse una menor altura. Tanto la cuña cuadrada como la rectangular se denominan cuñas paralelas porque la parte superior, la inferior y los lados de la cuña son todos paralelos.

Los chaveteros y la maza en el eje se diseñan de tal manera que exactamente la mitad de la altura de la cuña se apoye en el lado del chavetero del eje, y la otra mitad en el lado del chavetero de la maza El ancho de la chaveta cuadrada plana es generalmente una cuarta parte del diámetro del eje. Estas cuñas pueden ser rectas o ahusadas aproximadamente 1/8” por pie. Cuando es necesario tener movimiento

axial relativo entre el eje y la parte acoplada se usan chavetas y ranuras. Existen normas ASME, DIN y ASA para los dimensionamientos de la chaveta y de la ranura



Chavetas de Woodruff o de Media Luna

Una chaveta Woodruff o de Media Luna es un segmento de disco plano con un fondo que puede ser plano o redondeado. Se le especifica siempre mediante un numero, cuyo dos últimos dígitos indican el diámetro nominal en octavos de pulgadas, mientras que los dígitos que preceden a los últimos dan el ancho nominal en treintaidosavos de pulgada.

Fresado de chavetero tipo Media Luna

Chavetas ahusadas y chavetas de cabeza o de talón

Las chavetas ahusadas están diseñadas para insertarse desde el extremo del eje después que la maza está en su sitio en lugar de instalar la chaveta primero y después deslizar la maza sobre la chaveta, como sucede en las chavetas paralelas. El ahusado se extiende, cuando menos, a lo largo de la longitud de la maza y la altura medida desde el extremo de la maza es la misma que para la chaveta paralela. Por lo general el ahuesado es de 1/8” por pie.



La chaveta de cabeza o de talón tiene una geometría ahusada dentro de la maza que es la misma que la chaveta ahusada simple, pero la cabeza alargada permite extraer la chaveta desde el mismo extremo en que se instaló. Esto es muy deseable si el extremo expuesto no está accesible para extraer la chaveta.

Chavetas tangenciales Son dos chavetas instaladas juntas, ambas con igual inclinación. Se instalan una en contra de la otra, lo que evita el desplazamiento relativo axial entre ellas.

Donde se desean ensamble y desarmado relativamente sencillos así como una carga ligera debe considerarse una chaveta Woodruff. La ranura circular en el eje mantiene la chaveta en su sitio en tanto la pieza que arrastra, se desliza sobre la chaveta.



La chaveta cuadrada y la cuña Pratt & Whitney son las mas utilizadas en diseño de máquinas. La chaveta de cabeza acodada se diseña de modo que la cabeza permanezca fuera del elemento para permitir que una clavija pueda impulsarla para remover la chaveta Selección e instalación de chavetas y chaveteros La chaveta y el chavetero (cuñero) para una aplicación específica, casi siempre se diseñan después que se ha especificado el diámetro del eje. Por lo general la longitud de la chaveta se especifica como una parte sustancial de la longitud de la maza de la pieza que se instala, para dar margen a una alineación satisfactoria y una operación estable. Pero si el chavetero en el eje debe estar cerca de otros cambios geométricos como chaflanes de los hombros y ranuras para anillos de sujeción, es importante prever cierto espaciamiento axial entre ellos, de manera que las concentraciones de tensión no se multipliquen. La chaveta puede cortarse a escuadras en los extremos, o bien, se le asigna un radio en cada extremo cuando se instala en un chavetero de perfil para mejorar su ubicación. Las chavetas que se cortan a escuadra se utilizan, por lo general, con el tipo de chavetero de corredera deslizable.

En ocasiones la cuña se mantiene en su sitio mediante un tornillo de ajuste en la maza sobre la cuña. Sin embargo, la confiabilidad de este método es cuestionable debido a la posibilidad de que el tornillo de ajuste presente retroceso con la consecuente vibración del ensamble. Es necesario prever la ubicación axial del ensamble por medios más positivos como hombros, anillos de sujeción o separadores. Las chavetas Kennedy se fabrican generalmente en forma de cuña y se aprietan en posición de montaje. Son adecuadas para trabajo muy pesado. Las chavetas Woodruff se emplean mucho en las industrias de vehículos automóviles y de las máquinas herramientas. Para construcción de alta calidad y en casos en que es necesario el movimiento axial entre eje y cubo de acoplamiento, se evita la rotación relativa mediante estrías mecanizadas en el eje y el cubo. Un tipo de estrías utiliza como directriz la curva involuta. El estriado del eje puede realizarse mediante un proceso de fresado similar al utilizado en el tallado de engranajes. Materiales de fabricación de cuñas Las cuñas se fabrican en su mayoría, de acero extruído en frío a bajo carbono. Si el acero a bajo carbón no es lo suficientemente resistente, puede emplearse acero con un contenido mas alto de carbón, también del tipo extruído en frío. Los aceros a los que se les da tratamiento térmico pueden utilizarse para obtener una resistencia aun mayor. No obstante, el material debe conservar una buena ductilidad como lo indica un valor de elongación porcentual mayor del 10% aproximadamente, en particular cuando es probable que se presenten cargas de choque o de impacto. Diseño de chavetas Factores que influyen en el diseño de chavetas La distribución de los esfuerzos en la superficie de las chavetas es muy complicado. Depende del ajuste de la chaveta y de las ranuras del eje y el cubo en los cuales existen fuerzas distribuidas.



Además las tensiones no son uniformes a lo largo de la chaveta en dirección axial, siendo máximas en los extremos. Como consecuencia de las muchas indeterminaciones, generalmente no puede hacerse un estudio exacto de las tensiones. Los ingenieros suponen usualmente que todo el par es absorbido por una fuerza tangencial F situada en la superficie del eje. Esto es, T = Fr Las tensiones de cortadura y de compresión en la chaveta se calculan a partir de la fuerza F y se emplea un coeficiente de seguridad suficientemente grande. Diseño de cuñas cuadradas y planas Puede basarse en los esfuerzos cortantes y de compresión producidos en la chaveta como resultado del momento de torsión transmitido. Las fuerzas que actúan sobre la cuña se muestran en la figura. Las fuerzas F´ actúan como un par resistente para prevenir la tendencia de la chaveta a rotar en el chavetero (cuñero). La localización exacta de la fuerza F no es conocida y es conveniente suponer que actúa tangencialmente a la superficie del eje. Esta fuerza produce esfuerzos cortantes y de compresión en la chaveta.

Figura: Distribución de esfuerzos en una chaveta sobre un eje

La resistencia al momento de torsión del eje T puede aproximarse por T=Fr, donde r es el radio del eje. El esfuerzo cortante Ss en la chaveta es:

rLbT

rLbrF

LbFS S ····

··

donde L es la longitud de la chaveta.

El momento de torsión Ts del eje que puede soportar la chaveta, desde el punto de vista del corte es:

Ts = Ss b L r



El esfuerzo de compresión Sc en la chaveta es:

rLtT

rLtrF

LtFS c

··2

·"2

·

·2

El momento de torsión del eje que puede soportar la cuña, desde el punto de vista de la compresión, es:

rLtST cc ··2

·

Una chaveta cuadrada puede soportar el mismo momento de torsión del eje tanto desde el punto de vista del corte como el punto de vista de la compresión. Esto es fácilmente comprobable si se igualan las dos ecuaciones del momento y usando la relación aproximada Sc = 2Ss para aceros dúctiles. Sobre la misma base, las chavetas planas mas anchas que profundas, fallan en compresión, y las que son más profundas que anchas fallan en corte. Fallas en las chavetas En los cuerpos sometidos a esfuerzos torsionales es típico que los materiales dúctiles fallen por corte, en sus fibras internas, y en los materiales esforzados a compresión, por lo regular fallan por aplastamiento de su estructura y se deforman debido a su relación ancho/altura. En las chavetas claramente se inducen estos dos tipos de esfuerzo, por lo que la altura o espesor dentro del eje y su ancho producen resultados distintos. Entonces, de una manera sencilla de decirlo, se puede asegurar que sobre la misma base, las chavetas planas mas anchas que profundas fallan en compresión, y las que son más profundas que anchas fallan en corte. EJES ESTRIADOS (Ranurados) Para eliminar las chavetas, se procede a instalar ejes con estrías (ranuras) que permiten un mayor torque, dado que reemplazan a múltiples chavetas (tantas chavetas como estrías tengan el eje y el cubo), especialmente en ejes que pueden tener movimiento relativo axial con el cubo Si el eje debe llevar una posición única con el cubo, entonces existe un diente engarzado en el eje, que penetra solo en un espacio diferente del cubo (ranura). En la imagen:

A: Dientes engarzados del eje estriado B: Ranura



PASADORES Son elementos que permiten fijar partes y piezas en ejes. Deben además, asegurar que estos elementos no se muevan o no se salgan de su posición, por lo que el pasador debe cumplir además la función de “seguro”. Pasadores de aletas partidas o de tijera fabricados según normas IRAM 5146 - ISO 1234 (ex DIN 94). . Se construyen en hierro, latón, acero inoxidable, cobre, aluminio u otros materiales , según sean las solicitudes mecánicas y las necesidades técnicas y ambientales.

Pasadores elásticos para pernos de acero

Pasadores elásticos para pernos de acero SAE 1070. Tipo alfiler de acero. Tipo traba para ejes ranurados. Seguro de pasador con anillos.

Pasadores elásticos tipo alfiler Pasadores elásticos tipo alfiler. Pasadores elásticos tipo traba



Pasadores cilíndricos y cónicos:

Son piezas que fijan a un elemento y un eje, sin permitir movimiento relativo entre ellos. Se denomina cónico si el diámetro es constante o, de lo contrario, es un pasador cónico. Algunos pasadores cónicos llevan hilo en el diámetro menor, para la instalación de tuercas.

Cilíndrico Cónico Cónico con hilo

El conjunto nos muestra un eje que es fijado por medio de un pasador cónico, y le transmite movimiento a una rueda (polea, engranaje u otro) por medio de una chaveta de media luna.



Anexo 1. Tabla de materiales para construcción de chavetas.

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