Introducción

Las cuñas 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, etc., 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.

Un eje es un elemento constructivo destinado a guiar el movimiento de rotación a una pieza o de un conjunto de piezas, como una rueda o un engranaje. Un eje se aloja por un diámetro exterior al diámetro interior de un agujero, como el de cojinete o un cubo, con el cual tiene un determinado tipo de ajuste. En algunos casos el eje es fijo —no gira— y un sistema de rodamientos o de bujes inserto en el centro de la pieza permiten que esta gire a alrededor del eje. En otros casos, la rueda gira solidariamente al eje y sistema de guiado se encuentra en la superficie que soporta el eje.

Chavetas

Cuñas

Una cuña es un elemento de maquina que se coloca en la interfase del eje y lamasa de una pieza que transmite potencia con el fin d 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 cuña, si bien. Propiamente es también un cuñero. La cuña 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 alguna raja o hueco.  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.

Cuñas paralelas cuadradas y rectangulares.El tipo mas común de las cuñas para ejes de hasta 6 ½” de diámetro es la cuñacuadrada. 

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 cuñeros y la maza en el eje se diseñan de tal manera que exactamente lamitad de la altura de la cuña se apoye en el lado del cuñero del eje,  y la otra mitad en el lado del cuñero de la maza.

El ancho de la cuña cuadrada es o plana es generalmente una cuarta parte deldiámetro 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 cuñas y ranuras.  Existen normas ASME y ASA  para los dimensionamientos  de la cuña y de la ranura.

Cuñas de Woodruff

Una cuña Woodruff es un segmento de disco plano con un fondo que puede serplano 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.

Figura 1. Corte transversal de eje con cuña WoodruffFigura 2. Ensamble de un eje con pasador y una chaveta Woodruff

Cuñas ahusadas y cuñas de cabeza

Las cuñas ahusadas están diseñadas para insertarse desde el extremo del ejedespués 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 o chaveta de cabeza tiene una geometría ahusada dentro de la mazaque es la misma que la cuña ahusada simple.  Pero la cabeza alargada permiteextraer la cuña desde el mismo extremo en que se instaló.  Esto es muy deseable si el extremo expuesto no está accesible para extraer la cuña.

Donde se desean ensamble y desarmado relativamente sencillos así como unacarga ligera debe considerarse una cuña Woodruff.  La ranura circular en el ejemantiene la cuña en su sitio en tanto la pieza que embona se desliza sobre la cuña.La cuña cuadrada y la cuña Pratt & Whitney son las mas utilizadas en diseñode maquinas.  La cuña de cabeza acodada se diseña dé modo que la cabezapermanezca fuera del mamelón para permitir que una clavija pueda impulsarla para remover la cuña.

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 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. 

Las tensiones de cortadura y de compresión en la chaveta se calculan a partirde 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 lacuña 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 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.

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 flambean en 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 cuñas planas mas anchas que profundas fallan en compresión, y las que son más profundas que anchas fallan en corte.

EjeEjes de un vehículo

Se denominan ejes de un vehículo a las líneas imaginarias de dirección transversal respecto a las cuales giran las ruedas cuando el vehículo avanza recto. En los ciclos, estos ejes coinciden con los ejes de las ruedas y en los vehículos con ruedas a cada lado, se denomina eje a la recta transversal que une los centros de dos ruedas.

Los ejes son componentes del mecanismo de un vehículo. Los ejes mantienen la posición relativa de las ruedas entre sí y estas respecto al chasis del vehículo. En la mayoría de los vehículos las ruedas son la única parte que toca el suelo y los ejes deben soportar el peso del vehículo así como cualquier carga adicional que este transporte, junto con otros esfuerzos como las fuerzas de aceleración y frenado. Además del objetivo de componente estructural, los ejes deben cumplir con una o más de las siguientes funciones dependiendo del diseño del vehículo:

Transmisión: uno o más ejes deben formar parte del sistema de transmisión. Un sistema mecánico ejerce un fuerza descentrada sobre el eje que, con la reacción del apoyo del eje, da lugar a un momento de fuerzas sobre el eje que es transferido hacia las ruedas para la aceleración del vehículo.

Frenado : para disminuir la velocidad de un vehículo se aplica una fuerza descentrada de forma que, con la reacción del apoyo del eje, se forma un momento de fuerzas en sentido contrario a la rotación de la rueda. Tanto los frenos de disco como los freno de tambor, ejercen esta fuerza descantrada. Además puede aplicarse el freno motor a través de la transmisión, que tiene un efecto más significativo en vehículos pesados y con relativamente poca deceleración máxima.

Guía : el eje de una rueda debe además guiar la rueda para que no se desplace axialmente, así como que no gire involuntariamente respecto a un eje perpendicular al eje de giro. El sistema de dirección controla el ángulo de guiado de las ruedas respecto al chasis, en la mayoría de los casos solo las del el eje delantero.

Características estructurales

Rueda de la 0 Series Shinkansen

Un eje rígido es una barra rígida que une una rueda de un lado con otra rueda del otro lado. Este elemento puede ser o no concéntrico con el eje de giro de las ruedas. Este tipo de diseño es más simple que el de eje independiente y proporciona una mayor rigidez y resistencia al guiado de las ruedas, pero normalmente proporciona menos confort y maniobrabilidad al circular por baches a alta velocidad. Los ejes rígidos son utilizados trenes y en los ejes traseros de camiones y vehículos todo terreno. El eje rígido puede no transmitir el movimiento de rotación, siendo posible así el uso de un mecanismo diferencial que permita que la rueda de un lado gire a una velocidad diferente a la del otro lado, lo cual es necesario en las curvas para disminuir el deslizamiento.

En los ejes independientes o de suspensión independiente, cada rueda está unida a un eje por separado. Los vehículos de pasajeros modernos generalmente tienen este tipo de eje delante y detrás. Con este tipo de eje la masa no suspendida es menor y cada rueda tiene suspensión por separado y por consiguiente reaccionan de forma diferente que con un eje rígido, proporcionando más confort y maniobrabilidad a circular sobre baches.

Semi remolque con 3 ejes en tándem

Los ejes en tándem son grupos de dos o más ejes próximos. Los camiones usan este tipo de configuración para proveer una mayor capacidad de carga, dadas las limitaciones de carga sobre un único eje.

Eje motriz

Un eje que es propulsado por el motor se llama eje de propulsión.

Los automóviles modernos con tracción delantera típicamente combinan la caja de cambios y el eje delantero en una sola unidad llamada transaxle o conjunto motriz. El eje motriz se divide con un mecanismo de diferencial y juntas universales entre los dos semiejes. Cada eje está conectado a las ruedas mediante juntas homocinéticas que permiten a la rueda moverse libremente en sentido vertical y guiar las ruedas en las curvas mediante el sistema de dirección.

En vehículos con tracción trasera, es posible utilizar juntas cardan, ya que los ejes de las ruedas no cambian de orientación y no se varía la relación de transmisión con el desplazamiento vertical de las ruedas.

Algunos diseños simples, tal como en los karts, a veces se utiliza una sola rueda motriz. El eje de propulsión es un eje dividido que sólo conduce a una rueda.

Eje libre

Camión de basura con eje portador levantado y controlado por un sistema neumático.

Un eje libre es aquel que no forma parte del sistema de transmisión y gira libre. El eje trasero en un automóvil con tracción delantera se puede considerar un eje libre. Los camiones y remolques utilizan tracción trasera debido a su reparto de cargas, a las ventajas del eje rígido para estos vehículos, lo que permite el uso de ruedas libres delanteras.

Algunos camiones y remolques tienen un eje portador, que es un eje libre en tándem que puede subirse o bajarse con mecanismos neumáticos para que soporte o no parte del peso del vehículo. El eje se pude bajar para incrementar la capacidad de carga o para distribuir el peso sobre más ruedas, por ejemplo para cruzar un puente con restricciones de peso por eje. Cuando no se utilizan se levantan del suelo para disminuir el desgaste en los neumaticos debido a la deriva en las curvas. Varios fabricantes ofrecen sistemas neumáticos controlados por computadora para que el eje portador baje automáticamente cuando se alcanza un determinado nivel de carga.

Bibliografía

1. Hall, Allen: “Teoría y problemas de diseño de máquinas”. Serie Schaum, editorial McGraw Hill, México 1,988.

2. Joseph E. Shigley: “Diseño en Ingeniería Mecánica”. Editorial McGraw Hill

3. http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/405989#sel=3:1,38:109