Consideraciones relativas a los acoplamientos para el proyectista de maquinaria

Para el proyectista de maquinaria, el tiempo disponible para la selección del acoplamiento idóneo puede ser relativamente reducido. Sin embargo, asegurar una conexión eficaz y fiable entre dos ejes es esencial para la fiabilidad de toda la transmisión y para evitar los costes de modificaciones posteriores. 

David Lockett, director gerente de Huco, examina los criterios que el proyectista debe tener en cuenta a la hora de seleccionar acoplamientos.

El mejor momento para considerar los acoplamientos

A veces ignorados frente a otros elementos como los motores, los reductores y los embragues, una correcta selección de los acoplamientos tiene un efecto importante en las buenas prestaciones de un sistema de transmisión. Una vez seleccionados los principales elementos de una transmisión, es importante examinar las opciones para los acoplamientos, comparando cómo las prestaciones relativas de diferentes tipos de acoplamiento pueden complementar toda la transmisión.

Cuando los plazos para la realización de un proyecto son reducidos, el proyectista puede a veces recurrir simplemente al acoplamiento de más fácil disponibilidad. Esto puede llevar a un mal ahorro, porque un acoplamiento equivocado podría producir problemas como el desgaste prematuro de piezas, un rendimiento deficiente, vibraciones o un par inadecuado para accionar el eje. En cualquier caso, la modificación que se necesitará posteriormente será además costosa en dinero y tiempo.

Compensar los errores de alineamiento

Un error de alineamiento es la diferencia entre las posiciones relativas ideales o teóricas de dos ejes y las posiciones reales de estos ejes. Dependiendo de la aplicación, los acoplamientos deben compensar o absorber errores de alineamiento angular, axial o radial. Con frecuencia, la causa de estos errores son las tolerancias geométricas de fabricación de determinados elementos, pero las variaciones térmicas, el desgaste, el asentamiento con el uso y la fluencia pueden también producir errores de alineación.

El procedimiento óptimo para un control metrológico del montaje de dos ejes de una transmisión es realizar un control con el sistema en frío, y otro con el sistema a la temperatura de trabajo. Evaluar las tolerancias de otros componentes de la transmisión es también útil e informativo. Cuando no se compensan estos errores de alineamiento, puede producirse un mayor desgaste en elementos como los rodamientos del motor, además de reducir la vida útil del acoplamiento.

Generalmente, cuanto mayor el error de alineamiento, menores son la capacidad de par y la vida útil del acoplamiento. Compensar mayores errores de alineamiento exige generalmente un acoplamiento de mayor longitud. Por ejemplo, un acoplamiento de fuelle con un mayor número de pliegues podrá compensar un mayor error angular. Los errores radiales –excentricidad relativa entre los dos ejes– tienen gran influencia en la longitud del acoplamiento, ya que debe permitir dos desviaciones angulares para conectar los dos ejes. Sin embargo, algunos acoplamientos no se atienen a estas reglas generales. Los acoplamientos tipos Oldham y UniLat de Huco ofrecen al proyectista la posibilidad de compensar grandes errores de alineamiento en un espacio reducido.

En general, el incremento de la elasticidad en el acoplamiento para compensar los errores de alineamiento reduce la precisión de la posición. La clave para el proyectista es encontrar el equilibrio entre estos dos factores en función de las exigencias de la aplicación.

Entender cómo actúa el par

Para mejorar la capacidad de par de un acoplamiento, generalmente se tiene que incrementar su tamaño. Naturalmente, sus materiales y construcción influyen también. Respecto a un acoplamiento de plato oscilante tipo Oldham, un acoplamiento de fuelle de acero inoxidable de tamaño similar ofrece una mayor capacidad de par. Esto se debe a que el acoplamiento tipo Oldham incorpora un plato deslizante de plástico que limita la capacidad de par.

Otra consideración es cómo actúa el par en el tren de transmisión. La capacidad de par nominal de un acoplamiento que se indica en los catálogos se basa en condiciones de trabajo a velocidad y sentido de giro constantes. Sin embargo, si se introducen aceleraciones, deceleraciones y cambios de sentido de giro en la aplicación, la capacidad de par del acoplamiento se reduce. Por ejemplo, un acoplamiento con capacidad de par nominal de 10 Nm verá su capacidad de par reducida a 3 o 4 Nm cuando haya aceleraciones y deceleraciones con inversiones del sentido de giro. En tales aplicaciones, como los robots y otras máquinas manipuladoras, son necesarios acoplamientos de mayor tamaño.

Rigidez a la torsión

La rigidez a la torsión da la medida de la resistencia a la torsión de un acoplamiento. Una elevada rigidez a la torsión es importante para aplicaciones en las que se exige elevada integridad de las señales o precisión de la posición. Inversamente, una baja rigidez a la torsión es importante para compensar mayores errores de alineamiento o cuando se busca amortiguar cargas de choque.

Igualmente, el proyectista debe considerar las exigencias de la aplicación y encontrar un equilibrio entre precisión y compensar los errores de alineamiento. Un acoplamiento de fuelle ofrece una elevada rigidez a la torsión, lo que hace que sea idóneo para las aplicaciones de precisión, pero tiene poca capacidad para compensar errores de alineamiento. Por otro lado, un acoplamiento elástico constituido por dos platos conectados mediante dos bucles moldeados de plástico puede compensar grandes errores de alineamiento, pero tiene una reducida rigidez a la torsión, por lo que no está indicado para las aplicaciones de precisión.

La rigidez a la torsión de un acoplamiento no es importante en las aplicaciones en las que el rozamiento interviene (por ejemplo, bombas, accionamiento de puertas, maquinaria...), ya que la sincronización de los ejes no es esencial. Sin embargo, con cargas de inercia, la rigidez a la torsión es importante, ya que evita que la masa accionada se desfase. Cuando el acoplamiento no tiene rigidez a la torsión bajo carga, puede comportarse como un resorte. Esto introduce un ligero retraso en la transmisión del movimiento, lo que es perjudicial para la integridad de las señales o la precisión de la posición.

Por ejemplo, la inercia entre el motor y la carga conducida puede en algunos casos producir inestabilidad en un acoplamiento, lo que influye en la rigidez a la torsión. Un acoplamiento montado entre el rotor de un motor y el rotor de una bomba –constituyendo ambos cargas de inercia– actuará como un resorte. Al arrancar el motor, el acoplamiento se deformará a la torsión antes de iniciar la transmisión del movimiento, produciendo un desfase que causará inestabilidad si el efecto es demasiado elevado. Con el incremento de las cargas de inercia, este efecto es más pronunciado.

Estas inestabilidades pueden acumularse y llegar a generar resonancia, la cual puede reducir significativamente la vida útil de toda la transmisión, ya que las vibraciones imponen elevadas cargas en los componentes críticos. A pesar de que es imposible eliminar por completo este fenómeno, mediante una adaptación cuidadosa de la rigidez a la torsión del acoplamiento a la carga, considerando diferentes construcciones, materiales y tamaños, puede minimizarse el problema. El proyectista deberá tener en cuenta estos factores durante la selección de los elementos de una transmisión para obtener un diseño equilibrado.

El volumen ocupado

Parecerá obvio, pero reservar un espacio suficiente para un acoplamiento es vital. Cada acoplamiento tiene una construcción particular, pero su diámetro exterior es generalmente al menos el doble del diámetro de los ejes. La longitud dependerá del tipo de acoplamiento y del error de alineamiento que debe compensarse. En el caso de nuestros acoplamiento de plato oscilante tipo Oldham, la longitud es normalmente tres veces el diámetro de los ejes. Naturalmente, el tamaño del acoplamiento dependerá también de la capacidad de par máximo que se requiere.

Por ejemplo, conectar dos ejes de 3 mm de diámetro con un error angular de alineamiento de 0,5° necesitará un acoplamiento de aproximadamente 12,7 mm de longitud.