Introducción
En el duro entorno de la maquinaria industrial y la transmisión de potencia mecánica de alta resistencia, la transferencia de un par elevado entre dos ejes giratorios difícilmente es cuestión de una relación simple y lineal. La transmisión de par está sujeta a variables físicas, como la dilatación térmica, la desviación estructural y las tolerancias de fabricación, que hacen que la alineación precisa sea un ideal poco realista.
La cadena cinemática industrial es un ecosistema sensible en el que cualquier variación microscópica puede provocar el fallo del sistema a menos que esté bien controlada. Es aquí donde el acoplamiento flexible es un elemento esencial. El acoplamiento flexible es mucho más que un conector, la compleja interfaz que permite el flujo de potencia y permite acomodar las imperfecciones del mundo físico. Los tipos de acoplamiento flexible son variados y es importante que cualquier ingeniero u operador conozca los distintos tipos de acoplamiento flexible para maximizar la longevidad y el funcionamiento fiable de sus equipos.
Qué es un acoplamiento elástico
Para definir un acoplamiento flexible, es necesario identificar la diferencia entre éste y uno rígido. Mientras que un acoplamiento rígido forma una unión indestructible entre dos ejes, que deben ser casi perfectamente colineales, un acoplamiento flexible de ejes está hecho para permitir una cantidad calculada de movimiento relativo. En concreto, es un mecanismo mecánico que se emplea para unir los extremos de dos ejes con el fin de transmitir potencia a una velocidad de rotación constante y, al mismo tiempo, corregir la desalineación y absorber los golpes.
Cinemáticamente, un acoplamiento flexible añade grados de libertad a una cadena cinemática. Estos dispositivos permiten transmitir el par sin provocar fuerzas de reacción excesivas en los rodamientos del motor o del equipo accionado, ya sea por la deformación elástica de los materiales o por la holgura estratégica entre los componentes mecánicos. Estos acoplamientos no tienen una estructura débil, sino que son más bien una reacción muy cuidadosamente diseñada a las tensiones rotacionales. El acoplamiento elástico cuida la realidad geométrica del conjunto, ya sea una araña de poliuretano en un acoplamiento de mordazas o las hojas de acero inoxidable de un paquete de discos, para garantizar que los componentes no se fatiguen prematuramente.
Funciones básicas: Más allá de unir dos ejes
La utilidad de un acoplamiento flexible es multidimensional, ya que resuelve una serie de importantes problemas de ingeniería en una sola unidad. Aunque la tarea principal es transmitir el par, las funciones secundarias determinan el rendimiento fiable de todo el sistema mecánico.
Compensación de desalineación
Los tres tipos principales de desalineación del eje que puede solucionar un acoplamiento flexible son:
- Desalineación paralela (Offset): Los ejes de los dos árboles son paralelos, pero no están en la misma línea recta.
- Desalineación angular: Esto ocurre cuando los ejes no están paralelos entre sí, lo que afecta a la transmisión del movimiento giratorio.
- Axial Desplazamiento: Cuando los ejes se acercan o se alejan, normalmente como consecuencia de la dilatación térmica o del empuje hidráulico.
El acoplamiento elástico es un fusible mecánico que sacrifica sus propias piezas de desgaste o utiliza su propia elasticidad para absorber los momentos de flexión de estos desajustes en los ejes y rodamientos más costosos.
Amortiguación de vibraciones y absorción de impactos
Las cargas no lineales o resonancias armónicas son habituales en los sistemas mecánicos. Por ejemplo, un motor que se utiliza para accionar un compresor alternativo tendrá picos de par periódicos. Los acoplamientos elásticos, especialmente los que utilizan componentes elastoméricos, son amortiguadores. Absorben la energía cinética mediante la fricción molecular interna (histéresis), de modo que las vibraciones de alta frecuencia no se propagan entre la carga accionada y el motor, ni a la inversa. Esto minimiza el ruido mecánico y elimina las vibraciones que pueden dañar los componentes de precisión, como los codificadores.
Ajuste torsional y protección
En algunas aplicaciones de alta velocidad o alta precisión, la frecuencia natural del tren motriz se ajusta mediante el acoplamiento. Los ingenieros pueden desplazar la frecuencia de resonancia del sistema fuera de la gama de velocidades de funcionamiento eligiendo un acoplamiento con la rigidez torsional deseada y una gran capacidad de par, evitando así vibraciones desastrosas. Además, cuando se produce un atasco o una sobrecarga repentina, numerosos acoplamientos elásticos están fabricados para fallar de forma segura, rompiendo el accionamiento y evitando que el motor experimente una explosión inmediata de par.
Clasificación de los tipos de acoplamientos elásticos: Material flexible frente a mecánico flexible
El amplio mercado de tipos de acoplamientos flexibles puede clasificarse de forma sistemática en dos grandes filosofías de diseño: Flexión por material y Flexión mecánica.
Material Acoplamientos elásticos
Los acoplamientos de flexión de materiales se basan en la deformación física de los componentes para proporcionar flexibilidad operativa. Estos elementos suelen estar compuestos por elastómeros (p. ej., caucho natural, nitrilo o poliuretano) o piezas metálicas finas (p. ej., acero inoxidable o acero para muelles).
Los diseños de flexión de material se caracterizan porque no suelen contener piezas móviles. Dado que la compensación de la desalineación no implica ningún contacto o deslizamiento metal con metal, estos acoplamientos no necesitan lubricación. Suelen denominarse libres de mantenimiento, ya que se utiliza el límite de fatiga del material para determinar su vida útil, en contraposición al desgaste mecánico. Son los más adecuados para entornos limpios, aplicaciones de alta velocidad sin holgura y lugares con acceso restringido al mantenimiento.
Acoplamientos de flexión mecánica
Los acoplamientos mecánicos de flexión, por el contrario, consiguen la flexibilidad mediante la holgura táctica entre los componentes entrelazados. Estos componentes se deslizan, ruedan o pivotan unos sobre otros para permitir desviaciones en los ejes. Dado que estos diseños requieren el movimiento de superficies, casi siempre necesitan lubricación periódica (grasa o aceite) para reducir la fricción y eliminar el gripado.
La principal ventaja de los acoplamientos mecánicos de flexión es la densidad de par. Dado que se basan en la resistencia estructural del contacto acero-acero, son capaces de transmitir un par mucho mayor en un espacio físico más reducido que los de tipo elastomérico. Se utilizan en aplicaciones industriales pesadas, donde las cargas son extremas y el entorno puede ser duro, por ejemplo, la minería, la producción de acero y el bombeo a gran escala.
En profundidad: Tipos populares de acoplamientos elásticos y sus aplicaciones
Para elegir el componente adecuado, es necesario examinar más detenidamente las características particulares de los tipos de acoplamientos flexibles más extendidos que se utilizan en la industria moderna.
| Acoplamiento Tipo | Desalineación (angular/paralela) | Contragolpe | Lubricación necesaria | Par de apriete Densidad | Coste relativo | Mejor caso práctico |
| Mandíbula | Bajo / Bajo | No* | Ninguno | Moderado | $ | Bombas y ventiladores industriales generales |
| Disco | Moderado / Bajo | Cero | Ninguno | Alta | $$ | Turbinas de alta velocidad, bombas API 610 |
| Engranaje | Alta / Moderada | Sí | Grasa/aceite | Extremo | $$$ | Acerías y transportadores pesados |
| Rejilla | Moderado / Bajo | Sí | Grasa | Alta | $$ | Sistemas con cargas de choque severas |
| Fuelle | Moderado / Moderado | Cero | Ninguno | Bajo | $$$ | Servosistemas y CNC de alta precisión |
| Neumático | Alta / Alta | No | Ninguno | Bajo | $$ | Motores de combustión, golpes/vibraciones fuertes |
| Cadena | Moderado / Bajo | Sí | Grasa | Moderado | $ | Accionamientos robustos de alta torsión y baja velocidad |
| Oldham | Bajo / Alto | Sí | Ninguno | Bajo | $ | Desplazamiento paralelo preciso en los actuadores |
Acoplamientos de mordaza
La forma más típica de acoplamiento de mordazas es la que se aplica en ferretería industrial en general. Está formado por dos cubos metálicos (normalmente de aluminio, acero sinterizado o hierro fundido) con tres o más mordazas salientes. Entre estas mordazas se coloca un inserto elastomérico en forma de estrella, llamado araña. El par de apriete se transmite comprimiendo las patas de la araña entre las mordazas de un cubo y las del otro.
- Aplicaciones: Adecuado para bombas centrífugas, ventiladores, soplantes y mezcladoras industriales ligeras y medianas.
- Ventaja clave: Se trata de un diseño a prueba de fallos. En caso de desgaste de la araña, las mordazas metálicas se enclavan y la alimentación sigue conectada, lo que permite un apagado controlado en lugar de un fallo sistémico instantáneo.
Acoplamientos de disco/diafragma
Los acoplamientos de disco utilizan una pila de discos finos de acero inoxidable (normalmente en un paquete) que se atornillan a los cubos motriz y conducido alternativamente. Estos discos metálicos se doblan para proporcionar flexibilidad.
- Aplicaciones: Se utiliza en turbomaquinaria de alto rendimiento, turbinas de gas y compresores de alta velocidad en los que la precisión no es un compromiso.
- Ventaja clave: Proporcionan una rigidez torsional muy elevada y no tienen holgura. Están muy adaptados a la rotación rápida y pueden sobrevivir a condiciones químicas severas que destruyen las arañas elastoméricas.
Acoplamientos de engranajes
El peso pesado del mundo de la flexión mecánica son los acoplamientos de engranajes. Están formados por dos cubos con dientes de engranaje externos y un manguito (o dos manguitos) con dientes de engranaje internos. Los dientes suelen estar abombados o redondeados para permitir la desalineación angular.
- Aplicaciones: Acerías, máquinas papeleras y transportadores de cargas pesadas.
- Ventaja clave: Densidad de potencia. Un acoplamiento de engranajes tiene la capacidad de transmitir un par mayor que cualquier otro tipo de acoplamiento de tamaño similar. Son duros y, con una lubricación adecuada, su vida útil es muy elevada.
Acoplamientos de rejilla
Un acoplamiento de rejilla tiene dos cubos ranurados y está unido por una rejilla elástica en forma de serpentín de acero de aleación de alta resistencia. La rejilla puede deslizarse por las ranuras de los cubos para permitir la desalineación.
- Aplicaciones: Se utilizan ampliamente en trituradoras de rocas, cribas vibratorias y aplicaciones de cargas de choque severas.
- Ventaja clave: La rejilla tiene la capacidad de doblarse y deslizarse, por lo que es un gran amortiguador. Con cargas elevadas, la rejilla hace contacto con las ranuras del buje de forma más completa, lo que hace que el sistema sea más rígido y lo protege.
Acoplamientos de fuelle
Los acoplamientos de fuelle están formados por un tubo metálico flexible de pared fina (el fuelle) soldado o unido a dos cubos. Este diseño es muy flexible en todas las direcciones y rígido a la torsión.
- Aplicaciones: Máquinas CNC, robótica de alta precisión y servomotores.
- Ventaja clave: 100% funcionamiento sin holgura y alta precisión. Son la referencia del control de movimiento en el que la salida debe ser un reflejo exacto de la entrada.
Acoplamientos de neumáticos
Estos acoplamientos de neumáticos son muy flexibles y se reconocen por su elemento de caucho o poliuretano que parece un neumático de vehículo en miniatura. El neumático se sujeta a dos cubos y gestiona la desalineación mediante el cizallamiento del material elastomérico.
- Aplicaciones: Accionamientos de motores de combustión interna, compresores de gran potencia y aplicaciones con gran desalineación paralela.
- Ventaja clave: Son capaces de gestionar enormes desplazamientos paralelos (hasta 6 mm o más) y ofrecen el mejor aislamiento de vibraciones de cualquier tipo de acoplamiento.
Acoplamientos de cadena
El acoplamiento de cadena es un diseño sencillo pero resistente que consta de dos ruedas dentadas unidas por una cadena de rodillos de doble ramal. La holgura entre los eslabones de la cadena y los dientes de los piñones proporciona la flexibilidad.
- Aplicaciones: Motores industriales de baja velocidad y alto par y sistemas básicos de toma de fuerza (TDF).
- Ventaja clave: Facilidad y sencillez de sustitución. La cadena se desmonta y desengancha sin que el motor o la máquina accionada se muevan.
Acoplamientos Oldham
El acoplamiento Oldham es un diseño de tres partes que consta de dos cubos y un disco flotante central (normalmente de plástico o bronce) que se mueve en las ranuras de los cubos.
- Aplicaciones: Motores paso a paso, actuadores y sistemas de posicionamiento de alta precisión.
- Ventaja clave: Se ha fabricado específicamente para adaptarse a altos niveles de desalineación paralela sin generar elevadas cargas radiales en los rodamientos.
Cómo elegir el tipo adecuado y los errores más comunes que hay que evitar
La elección del tipo de acoplamiento flexible debe ser sistemática y basarse en pruebas. El objetivo es identificar un componente que satisfaga las necesidades de torsión sin añadir peso o complejidad injustificados.
Lista de selección
- Calcule Par de apriete Requisito: Utilice la fórmula estándar para hallar el par nominal (T):
Dónde P es la potencia en kilovatios y n es la velocidad en RPM.
Para unidades imperiales:
- Aplicar factores de servicio: Las cargas industriales rara vez son constantes. En función de la gravedad de la aplicación, debe aplicarse un factor de servicio. Una bomba centrífuga puede tener un factor de 1,25, y una trituradora alternativa puede tener un factor de 3,0.
- Analizar la desalineación: Mida los desplazamientos paralelos, angulares y axiales previstos. Asegúrese de que el tipo de acoplamiento seleccionado se ajusta a estos valores.
- Medio ambiente Factores: Tenga en cuenta la temperatura de funcionamiento y el contacto con aceites o productos químicos. Los elastómeros como el nitrilo tienen un límite de temperatura más bajo que los paquetes de discos de acero inoxidable.
- Rigidez torsional: Decida si su sistema debe ser de alta precisión (holgura cero) o si debe ser amortiguado (elasticidad).
Errores comunes
- Sobredimensionamiento: Los ingenieros tienden a elegir un acoplamiento mucho mayor de lo necesario para ir sobre seguro. Esto introduce una inercia rotacional no deseada en el sistema que puede introducir retrasos en la respuesta de los servosistemas y una carga adicional en el motor durante el arranque.
- Tratamiento de la Acoplamiento como Junta universal: Estos dispositivos son flexibles, pero no deben sustituir a una alineación correcta del eje. Un acoplamiento que se utilice con la máxima desalineación permitida tendrá una vida útil muy corta debido a la acumulación de calor y a la fatiga.
- Sin tener en cuenta la facilidad de Mantenimiento: En los sistemas de alto tiempo de funcionamiento, la elección de un acoplamiento que implique el movimiento completo del motor para sustituir una simple araña es un error costoso.
Por qué Kunlong es su socio de confianza para acoplamientos de alto rendimiento
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Mantenimiento y resolución de problemas: Prolongación de la vida útil
El primer elemento que tiende a presentar problemas sistémicos es un acoplamiento flexible. No sólo el acoplamiento necesita un mantenimiento adecuado, sino también la salud de toda la cadena cinemática.
Protocolos de inspección de rutina
- Comprobación visual de la degradación: En el caso de los tipos elastoméricos (mandíbula, neumático), observe el caleo (polvo fino), las grietas o el endurecimiento del elemento flexible. Son indicios de ataque por ozono, envejecimiento por calor o incompatibilidad química.
- Gestión de la lubricación: En los tipos de flexión mecánica (Engranaje, Rejilla), el lubricante debe estar limpio y en el nivel adecuado. Las fugas de grasa suelen significar que la junta no funciona correctamente y provocarán un rápido desgaste de los dientes.
- Estanqueidad de los herrajes: Inspeccione los tornillos de fijación o los pernos de sujeción. Un acoplamiento deslizado en el eje puede provocar graves daños en el chavetero y en la superficie del eje.
Señales de avería
- Ruido anormal: Un chasquido rítmico suele significar que un acoplamiento de engranajes está seco o que un acoplamiento de mordazas está desgastado totalmente por la araña, especialmente cuando funciona a altas velocidades.
- Calor excesivo: Cuando los cubos de acoplamiento están demasiado calientes, es probable que el acoplamiento se esté forzando en exceso para corregir una desalineación extrema, lo que provoca fricción interna y pérdida de energía.
- Picos de vibración: Cuando un sistema antes liso empieza a vibrar, puede deberse a que el elemento flexible del acoplamiento pierda su simetría o a que la posición del eje cambie como consecuencia del asentamiento de los cimientos.
Conclusión: Cómo elegir fiabilidad para su sistema de accionamiento
Una de las decisiones más importantes en el diseño mecánico es la elección de los distintos tipos de acoplamientos flexibles. Puede elegir la facilidad de un diseño Material Flexing o la potencia de un sistema Mechanical Flexing, pero la decisión debe basarse en una comprensión clara de sus condiciones de trabajo.
El conector blando es el guardián silencioso de su propiedad industrial. Permite la desalineación, la absorción de impactos y la protección de rodamientos para que sus líneas de producción estén siempre en funcionamiento y sus costes de mantenimiento sean siempre previsibles. Cuando colabora con un fabricante especial como Kunlong, puede estar seguro de que sus acoplamientos se fabrican con los máximos estándares de precisión y longevidad. La fiabilidad en el contexto de la transmisión de potencia industrial no es una casualidad, sino más bien el producto de una elección informada y un diseño de calidad.
