Cualquier técnico que se dedique o quiera dedicarse al diseño mecánico deberá, más tarde o más temprano, enfrentarse al diseño de un eje, también denominado árbol en el argot mecánico. Los ejes son elementos de uso muy habitual para transmitir movimientos de rotación (y, por lo tanto, potencia mecánica) entre piezas, tales como engranajes, poleas, ruedas, etc., por lo que prácticamente todos los mecanismos con movimiento circular contienen uno. Es por lo tanto imprescindible conocer las técnicas y la metodología adecuada para obtener un correcto diseño en el menor tiempo posible. El uso de avanzado software de modelado tridimensional, tal como Solid Edge (SIEMENS), será de gran ayuda para ello.
El diseño 3D, imprescindible hoy en día
Hoy en día el diseño mecánico de máquinas se realiza cada vez más mediante software específico de modelado tridimensional, por lo que vamos a mostrar cómo podemos utilizar uno de estos programas de dibujo asistido por ordenador en 3D para obtener el eje que pretendemos.
Es evidente que previamente debemos recopilar la información necesaria respecto al número de apoyos del eje, así como de los elementos que van montados sobre él eje y entre los que se desea transmitir el movimiento circular.
Lo más habitual es que los apoyos de los árboles se materialicen mediante rodamientos (de bolas, de cilindros, etc.) o soportes de rodamientos. Éstos se montan sobre el eje mediante un determinado ajuste, pero es muy recomendable tomar precauciones adicionales para impedir el desplazamiento axial de los mismos, para lo que se usan elementos auxiliares tales como tuercas de fijación, aros roscado, placas de fijación, tapas o anillos elásticos.
Fig.1.- Rodamiento de bolas sencillo.
En cuanto a los elementos que portan el movimiento circular y la correspondiente potencia mecánica, se suelen montar también con un ajuste determinado combinado con una chaveta. De esta forma se asegura el giro solidario de este elemento con el árbol y la transmisión adecuada del par motriz. Tal y como comentábamos antes, su movimiento axial se debe limitar mediante el uso de interfaces auxiliares similares a las empleadas con los rodamientos, como resaltes, anillos elásticos u otros accesorios al uso.
Todo ello implica disponer en el eje de distintas secciones o tramos con diferentes diámetros para albergar los distintos componentes mecánicos. Estos tramos deben diseñarse convenientemente para montar los correspondientes interfaces auxiliares de fijación.
Como vemos, el proceso de diseño del árbol se complica, máxime cuando debe de comprobarse también que el eje será capaz de soportar los esfuerzos mecánicos (tracción, compresión, flexión, fatiga, par) a los que va a estar sometido durante su funcionamiento habitual.
Es por lo tanto de gran ayuda utilizar un software de modelado en 3D que nos facilite al máximo el proceso de diseño. A continuación, vamos a mostrar la utilidad Engineering Reference de Solid Edge, un potente programa paramétrico de diseño asistido por computadora de piezas y conjuntos tridimensionales 3D.
Dicho software pone a disposición del usuario cinco entornos de trabajo totalmente diferenciados: Pieza, Chapa, Conjunto, Soldadura y Plano. La utilidad Engineering Reference la podemos encontrar tanto en el entorno de Pieza como en el de Conjunto, en la ventana de “Herramientas” y permite el diseño de ejes, levas, engranajes rectos y cónicos, tornillos sinfín, transmisiones cremallera-piñón, ruedas dentadas, resortes de compresión, resortes de extensión, poleas, vigas y columnas.
Fig.2.- Ventana desplegable de la utilidad Engineering Reference.
Al elegir la opción “Diseñador de Ejes” se abre el cuadro de diálogo en el que deberemos de comenzar a introducir la información necesaria para definir la geometría del eje a diseñar. En primer lugar, indicaremos el número de tramos de los que consta el eje. En nuestro ejemplo son 7 tramos con diámetros diferentes, pero tenemos dos tramos que tienen tanto chavetero como ranura para anillo, por lo que es conveniente considerar ese tramo como si fueran dos, por lo tanto, tendríamos un total de 9 tramos.
Fig 3.- Cuadro de diálogo del “Diseñador de Ejes”
Debe indicarse también el tipo de tramo del que se trata y sus dimensiones. Nos encontraremos con las siguientes opciones disponibles: simple, ranura anular, chavetero, ranura de contratuerca y cono. Es este ejemplo utilizaremos las tres primeras.
Fig 4.- Tipos de tramos disponibles.
El siguiente paso será introducir los datos correspondientes a los apoyos: número de apoyos, posición, distancia y rigidez axial. Por ejemplo, en la figura 5, se indica que el segundo apoyo se sitúa en el tramo 9, a una distancia de 15 mm del borde izquierdo del mismo y es axialmente rígido.
Fig 5.- Entrada de los datos de los apoyos del eje.
Para terminar, deberemos indicar las cargas aplicadas al eje debido a los componentes que porta (poleas, engranajes, ruedas, etc.). Los datos a definir son el tramo en el que actúa cada carga, la distancia a la que se sitúa, las fuerzas radiales, momentos flectores, fuerza axial y par. Así mismo, es imprescindible especificar el material con el que se va a fabricar el eje.
Fig 6.- Entrada de los datos de las cargas sobre el eje.
Una vez hecho lo anterior, ya podemos pulsar sobre “Calcular” para obtener, entre otros, los resultados respecto al momento flector, cortante, torsión, deflexión (flecha) del eje y las reacciones en los apoyos. Todo ello nos permitirá utilizar estos valores para deducir si el eje es capaz de resistir las acciones a las que va a estar sometido durante su funcionamiento o, por el contrario, existe la posibilidad de que rompa.
Fig 7.- Resultados de cálculo.
Para obtener el modelo tridimensional del eje, bastará con pulsar en “Crear”, obteniendo el sólido correspondiente en la pantalla de trabajo de Solid Edge. A la pieza obtenida se le podrán añadir otras e incluirla en el conjunto de nivel superior de la máquina que estemos diseñando.
Fig 8.- Modelo 3D del eje diseñado.
Tener conocimientos de Solid Edge te ayudará laboralmente
Como ves, Solid Edge se trata de una utilidad tremendamente útil que nos permite agilizar al máximo el proceso para el diseño eficiente de la mayor parte de los ejes a los que nos podamos enfrentar durante nuestra actividad profesional.
Si ha gustado este artículo de nuestro profesor del área industrial, Luis Carlos Gracia, Graduado en Ingeniería Mecánica y especialista en modelado 3D, no dudes en visitar nuestra web para ver nuestros programas formativos relacionados con el diseño mecánico industrial.
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Graduado en Ingeniería Mecánica y Máster Universitario en Gestión y Diseño de Proyectos e Instalaciones Industriales. Ingeniero Europeo de Soldadura, Inspector de Construcciones Soldadas y Proyectista Instalador de Energía Solar. Profesor de las áreas de Energías Renovables, Soldadura y Diseño Mecánico en SEAS, Estudios Superiores Abiertos, centro de formación online del Grupo San Valero.
