Elementos mecánicos de fijación o sujeción

El ensamble mecánico implica el uso de diferentes métodos de sujeción para

sostener juntas en forma mecánica. En la mayoría de los casos, los métodos

de sujeción implican el uso de componentes de equipo separados, llamados

sujetadores, que se agregan a las partes durante el ensamblado. En otros

casos, el mecanismo de sujeción implica el formado o reformado en uno de los

componentes que se van a ensamblar y no se requieren sujetadores

separados. Muchos productos se ensamblan principalmente (si no es

exclusivamente) mediante métodos de sujeción mecánica: automóviles,

aparatos eléctricos, teléfonos, muebles, utensilios e incluso vestidos se

ensamblan por medios mecánicos. Además de los productos industriales, que

van desde aparatos electrónicos hasta equipos de construcción, casi siempre

implican cierto ensamble mecánico.

Los métodos de sujeción mecánica se dividen en dos clases principales:

1. Los que permiten un desensamble.

2. Los que crean una unión permanente.

Chavetas, cuñas, resortes y remaches.

Chavetas

Se denomina chaveta a una pieza de sección rectangular o cuadrada que se

inserta entre dos elementos que deben ser solidarios entre sí para evitar que se

produzcan deslizamientos de una pieza sobre la otra. El hueco que se mecaniza

en las piezas acopladas para insertar las chavetas se llama chavetero. La chaveta

tiene que estar muy bien ajustada y carecer de juego que pudiese desgastarla o

romperla por cizallamiento.

Ejemplo de mecanismos que tienen insertada una chaveta, son ejes de motores

eléctricos y la polea que llevan acoplada, los engranajes que no son locos también

llevan insertada una chaveta que les fija al eje donde se acoplan.

El volante de dirección de los vehículos también lleva insertados una chaveta que

les une al árbol de dirección.

Cuando se trata de transmitir esfuerzos muy grandes se utiliza un sistema que

puede considerase de chavetas múltiples y es que se mecaniza un estriado en los

ejes que se acoplan al estriado que se mecaniza en los agujeros.

El chavetero en los agujeros se realiza con máquinas mortajadoras o brochadoras

si se trata de fabricación de grandes series, y los chaveteros en los ejes se

mecanizan en fresadoras universales con fresas circulares.

Fresa con chavetero paramecanizar chaveteros en ejes.

Eje con chavetero para lengüeta de ajuste.

Chaveta longitudinal

1. Las chavetas longitudinales son unos elementos de forma más o menos

prismática que se intercalan entre las dos piezas que se van a inmovilizar,

paralelamente al eje de ambas, consiguiéndose una unión perfecta

respecto a la rotación entre ambas.

1.

Es un prisma de acero en forma de cuña de sección

rectangular con una inclinación de 1:100 en su cara

superior. Puede tener los extremos redondeados

(forma A) o rectos (forma B).

Se utiliza para hacer solidaria una pieza sobre un

árbol motriz sin posibilidad de desplazamiento

relativo entre ambas piezas, pudiendo transmitir un

gran par motriz.

Chaveta longitudinal con cabeza

Es un prisma de acero en forma de cuña de sección rectangular, con una

inclinación de 1:100 en su cara superior. Está dotada de cabeza en uno de sus

extremos para facilitar su montaje y extracción.

Al igual que la anterior, se utiliza para hacer solidaria una pieza sobre un árbol

motriz sin posibilidad de desplazamiento relativo entre ambas piezas, pudiendo

transmitir un gran par motriz.

DESIGNACION: Chaveta con cabeza 16 x 10 x 160 DIN 6887

Chaveta longitudinal plana

Es un prisma de acero en forma de cuña con una inclinación de 1:100. A

diferencia de las anteriores, para el montaje de esta chaveta no se practica un

chavetero en el árbol, mecanizando en su lugar un rebaje para conseguir un

asiento plano sobre el que se apoya la chaveta.

Se utiliza para hacer solidaria una pieza sobre un árbol motriz de pequeño

diámetro, permitiendo transmitir un par mecánico no muy elevado.

DESIGNACION: Chaveta plana 16 x 10 x 160 DIN 6883

Chaveta longitudinal mediacaña

Es un prisma de acero en forma de cuña con una inclinación de 1:100. A

diferencia de las anteriores, la superficie inferior de la chaveta es cilíndrica

(cóncava), pudiendo asentar el mismo directamente sobre la superficie cilíndrica

del árbol motriz, de esta forma, no será necesario mecanizar un chavetero en el

árbol para alojar la chaveta.

Se utiliza para hacer solidaria una pieza sobre un árbol motriz de pequeño

diámetro, permitiendo transmitir únicamente un pequeño par mecánico.

DESIGNACION: Chaveta mediacaña con cabeza 16 x 10 x 160 DIN 6881

Chaveta paralela o lengueta

Es un prisma de acero de sección cuadrada o rectangular y caras paralelas;

aunque puede presentar diferentes variantes, atendiendo a su forma y al modo de

sujeción al chavetero del árbol: con extremos redondos, con extremos rectos, con

uno o varios taladros para alojar tornillos de retención, con chaflán para facilitar su

extracción, etc.

Al igual que la chaveta, se utiliza para hacer solidaria una pieza sobre un árbol

motriz, pero en este caso, dependiendo del tipo de ajuste adoptado entre la

lengüeta y el chavetero practicado en la pieza, puede existir la posibilidad de

desplazamiento axial de la pieza sobre el árbol.

DESIGNACION: Lengüeta forma A 14 x 9 x 50 DIN 6885

Lengüeta redonda

Es un segmento circular de acero con un espesor determinado. Su forma

semicircular facilita la mecanización del chavetero en el árbol y el posterior

montaje de la lengüeta en el mismo, pero la excesiva profundidad de este

chavetero puede comprometer la resistencia del árbol; en consecuencia, se utiliza

cuando se desea transmitir un pequeño par motriz.

DESIGNACION: Lengüeta redonda anchura b x altura h norma; por ejemplo

Lengüeta redonda 6 x 9 DIN 6888.

Diseño de chavetas

Cuñas

Una cuña es un elemento de máquina que se coloca en la interface entre el eje y

la maza de una pieza que transmite potencia con el fin de transmitir torque. La

cuña 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 cuñero. A una ranura similar en la maza de la pieza que transmite

potencia se le da el nombre de asiento de la cuña, si bien, propiamente es también

un cuñero.

Las cuñas se usan para evitar el movimiento relativo entre una flecha y elementos

de máquinas tales como engranes, poleas, ruedas dentadas, levas, palancas,

volantes, impulsores, etc. Hay muchas clases de cuñas (algunas de las cuales se

han estandarizado) para diferentes necesidades de diseño. El tipo particular de

cuña especificada dependerá de la magnitud del par de torsión transmitido, del

tipo de carga (estable, variable u oscilatoria), ajuste requerido, esfuerzo limitante

en la flecha y costo. En la Figura se muestran diferentes tipos de conexiones con

cuñas.

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.

Cuña cuadrada estándar

El tipo más 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.

Cuña estándar plana

La cuña estándar plana se usa para el caso de que el cubo del engrane, polea,

etc., sea de poco espesor. En la flecha la altura del cuñero es estándar, mientras

que la altura es menor en el cubo. La cuña extradelgada plana tiene cuñero de

poca altura tanto en la flecha como en el cubo. Esto se aplica para la flecha hueca

y para el cubo de poco espesor. Para las cuñas cónicas, el par de torsión que se

transmite depende del contacto friccional entre el cubo y la flecha. El tipo más

común de cuña cónica es cualquiera de los tipos de cuña con cabeza o de tipo

plano . Esta cuña (cónica) se usa para transmitir pares de torsión de nivel medio y

se "fija" en su lugar radias y axialmente por el efecto de cuña de la cuña entre el

cubo y la flecha. Algunas veces, las cuñas cónicas se usan también para soportar

presiones por aplastamiento en los lados cuando están ajustadas en el cuñero, la

superficie superior de la cuña tiene pendiente estándar de á plg/pie de longitud,

para aparearse con la inclinación tenida en el cubo. La parte inferior de la

superficie de la cuña es plana y está en contacto contra la flecha. El tipo de cuña

con cabeza permite extraerla fácilmente por la acción de una herramienta (por

ejemplo, un destornillador) entre el cubo y la cabeza de la cuña. Sin embargo, es

prudente cuando se especifica una cuña que la cuña con cabeza que sea

colocada en tal forma que no salga más allá del extremo de la flecha por razones

obvias de seguridad. De ser posible, debe usarse cuña cónica plana estándar.

Cuña 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 número, 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

Cuñas para servicio pesado

Son cuñas para servicio pesado la cuña Nordberg, la cuña Kennedy, la cuña Lewis

y la cuña Barth.

La cuña Nordberg (Nordberg Manufacturing Company)

Es una cuña tipo perno o pasador disponible en formas tanto recta como ahusada.

Para servicio pesado se usa la forma ahusada. La cuña se introduce en un agujero

rimado colocado al final de la flecha. Al igual que col el perno ahusado Morse, la

mitad del diámetro del perno queda localizado en la flecha, y la otra mitad en el

cubo.

Las cuñas ahusadas están diseñadas para insertarse desde el extremo del eje

después que la maza está en su sitio en lugar de instalar la cuña primero y

después deslizar la maza sobre la cuña, como sucede en las cuñas 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 cuña

paralela.  Por lo general el ahuesado es de 1/8” por pie.

La cuña lengüeta

Se usa cuando es necesario que el cubo tenga movimiento axial a lo largo de la

flecha y para prevenir cualquier rotación entre la flecha y el cubo. La cuña podrá

estar atornillada a la flecha con cierto ajuste de rotación libre en el cubo o

permanecer en el cubo con cieno ajuste de rotación libre en la flecha.

Generalmente se prefiere al primer diseño. Cuando se utilizan dos cuñas

separadas 180°, el análisis indica que la fuerza de fricción axial necesaria para

mover al cubo a lo largo de la flecha es igual a la mitad de la fuerza requerida

cuando sólo se usa una cuña. Como una guía para el dimensionado de las cuñas

lengüetas, la presión por aplastamiento en cada lado no debe exceder a 1000

lb/plg2.

La diferencia entre chaveta y lengüeta radica en su forma de ajustar. La chaveta

actúa en forma de cuña, logrando una fuerte unión entre las piezas, tanto respecto

a la rotación como a la traslación, por la presión que ejercen las caras superior e

inferior de la chaveta; sin embargo, pueden presentar el problema de originar una

ligera excentricidad entre las piezas; además, no se pueden utilizar en caso de

árboles cónicos.

Por su parte, la lengüeta es de caras paralelas y ajusta lateralmente, pero sin

ejercer presión radial, permitiendo en determinados casos el desplazamiento axial

entre las piezas.

Selección e instalación de cuñas y cuñeros

La cuña y el 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

cuña 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 cuñero 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 cuña puede cortarse a escuadras en los

extremos, o bien, se le asigna un radio en cada extremo cuando se instala en un

cuñero de perfil para mejorar su ubicación. Las cuñas que se cortan a escuadra se

utilizan, por lo general, con el tipo de cuñero 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 más 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 aún 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 cuñas cuadradas y planas

Puede basarse en los esfuerzos cortantes y de compresión producidos en la cuña

como resultado del momento de torsión transmitido. Las fuerzas que actúan sobre

la cuña se muestran en las imágenes anteriores. Las fuerzas F´ actúan como un

par resistente para prevenir la tendencia de la cuña a rotar en el 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 cuña.