Eje de junta universal: diseño, selección y mantenimiento

Este artículo se centra en una guía práctica a nivel de ingeniería para ejes de junta universal (ejes de junta universal). Cubre definiciones, opciones de configuración, fórmulas de tamaño, recomendaciones de materiales y tratamientos térmicos, procedimientos de montaje y fases, listas de verificación de inspección, modos de falla comunes y tolerancias de acabado/fabricación, todo escrito para que un ingeniero de diseño o mantenimiento pueda aplicarlo directamente.

Qué es un eje de junta universal y cuándo usarlo

Un eje de junta universal transmite torsión entre ejes no colineales utilizando una o más juntas universales (tipo Hooke). A diferencia de las juntas de velocidad constante, una junta en U básica permite una desalineación angular pero produce fluctuaciones de velocidad cuando se usa sola. Utilice ejes con junta universal cuando:

• La desalineación angular es moderada (normalmente hasta 25-30° por junta para diseños de servicio pesado).
• La simplicidad, el coste y la facilidad de mantenimiento son prioridades.
• El sistema puede aceptar fluctuaciones de velocidad o utilizar juntas universales emparejadas (dobles) para cancelarlas.

Tipos y configuraciones de ejes de junta universal.

Ejes con junta universal simple o doble (cardán)

Una sola junta universal transmite torsión entre ejes desalineados pero introduce una velocidad angular no uniforme. Una junta universal doble en fase adecuada (dos juntas universales con un eje central) cancela las variaciones de velocidad si ambas juntas operan en ángulos iguales y están en fase correcta; esta es la solución más común en aplicaciones de transmisión.

Cojinetes transversales (cuatro pernos) versus trípode e híbridos de velocidad constante

Las juntas con cojinete transversal (con una cruz con cojinete de agujas) son compactas y robustas para cargas radiales pesadas. Las juntas tipo trípode o híbridas CV reducen la vibración en ángulos más altos, pero son más complejas y costosas. Elija según la desalineación requerida, el ciclo de trabajo, el acceso a la lubricación y las necesidades de equilibrio dinámico.

Principios de diseño y dimensionamiento (fórmulas prácticas)

Selección básica de par y diámetro del eje.

Comience con el par transmitido. Si conoce los caballos de fuerza (HP) y la velocidad del eje (RPM):

• Torque (libras·pie) = (HP × 5252) / RPM.
• Para unidades métricas: Torque (N·m) = (HP × 745,7) / (2π × RPM/60): es más fácil convertir HP a kW y usar T (N·m) = (kW × 9550) / RPM.

Una vez que se conoce el par (T), determine el módulo de sección del eje y el diámetro requeridos utilizando la tensión cortante permitida (τ_allow). Para un eje circular macizo sometido a torsión:

• Momento polar J = π·d⁴ / 32
• Esfuerzo cortante τ = T·c / J = (16·T) / (π·d³)
• Reorganice para resolver d: d ≥ ( (16·T) / (π·τ_allow) )^(1/3)

Utilice un factor de seguridad apropiado para la aplicación: los ejes típicos de fatiga/rotación utilizan entre 1,5 y 3,0 dependiendo de la carga de impacto y los ciclos de trabajo desconocidos. Para ejes con chaveta o estriados, tenga en cuenta las concentraciones de tensión y reduzca la tensión permitida en consecuencia.

Selección de materiales, tratamiento térmico y acabados superficiales.

Materiales y tratamientos comunes para ejes con juntas universales:

• Aceros de medio carbono (AISI 1045/EN C45): buena maquinabilidad; Adecuado para cargas moderadas después de aliviar tensiones o endurecer la superficie.
• Aceros aleados (4140/42CrMo): preferidos para aplicaciones de mayor torque/fatiga; endurecidos o templados y revenidos a > 800–1000 MPa de tracción según sea necesario.
• Endurecimiento por cementación (carburación o nitruración) para estrías o muñones para mejorar el desgaste y al mismo tiempo conservar un núcleo resistente.
• Acabado superficial: Ra ≤ 0,8 µm recomendado en los muñones del rodamiento; Los asientos de rodamiento pulidos prolongan la vida útil de los rodamientos de agujas.

Límites de montaje, fases, equilibrio y descentramiento

Reglas de fase (para evitar vibraciones)

Cuando se utilizan dos juntas universales en serie, ambas juntas deben tener ángulos de funcionamiento iguales y estar escalonadas 180° (yugos orientados) para cancelar la fluctuación de velocidad del eje impulsado. Prácticamente:

• Coloque las orejas del yugo visualmente y márquelas; instálelo de modo que las marcas de brida/yugo se alineen en la fase especificada.
• Confirme ángulos iguales con un medidor de ángulos; Los ángulos desiguales producen una vibración residual proporcional a la diferencia.

Equilibrio dinámico y agotamiento.

Los ejes con juntas universales y secciones centrales deben equilibrarse dinámicamente si las velocidades de operación exceden el ralentí típico del motor o si la tolerancia a la vibración es baja. Tolerancias de descentramiento y equilibrio objetivo:

• Desviación total indicada (TIR) en los muñones de los rodamientos: ≤ 0,05 mm para transmisiones de alta velocidad.
• Equilibrado dinámico según ISO 1940/1 Grado G16 o superior para aplicaciones automotrices; Los equipos giratorios más pesados ​​pueden requerir G6.3–G2.5.

Lista de verificación de inspección, lubricación y mantenimiento

Los controles periódicos prolongan drásticamente la vida. Utilice la siguiente lista de verificación práctica durante el mantenimiento programado:

• Inspección visual de los alivios del yugo, los muñones transversales y los sellos para detectar rayaduras, corrosión o fugas de grasa.
• Compruebe el juego del rodamiento: el juego axial o radial más allá de la tolerancia del fabricante indica desgaste del rodamiento; medir con el indicador de cuadrante.
• Intervalos de engrase: vuelva a lubricar los rodamientos de agujas por ciclo de trabajo (típico: cada 50 a 200 horas) utilizando grasa para rodamientos y grado NLGI compatible.
• Verifique si hay ruido y vibración bajo carga; la aparición repentina sugiere colapso del rodamiento, falla cruzada o desfase.

Modos de falla comunes y causas fundamentales

Reconocer el modo de falla ayuda a prescribir la solución correcta:

• Desgaste prematuro de los cojinetes de agujas: generalmente debido a una lubricación insuficiente, grasa contaminada o desalineación.
• Fractura cruzada/muñón: altas cargas de impacto o material/tratamiento térmico incorrecto; Examine la superficie de la fractura en busca de señales de fatiga versus sobrecarga.
• Deformación del yugo de la junta universal: momento de flexión excesivo debido a un soporte inadecuado o un eje de tamaño insuficiente.

Tolerancias de fabricación, controles de calidad y pruebas.

Dimensiones clave y acciones de control de calidad a incluir en los planes de fabricación:

• Diámetros de muñón ±0,01–0,03 mm dependiendo del ajuste del rodamiento (ajuste a presión versus ajuste deslizante).
• Tolerancias de sección estriada o enchavetada según el estándar ISO/RM utilizado; control de descentramiento y concentricidad ≤ 0,05 mm.
• Realice comprobaciones de dureza después del tratamiento térmico (por ejemplo, dureza del núcleo y profundidad de la caja para piezas carburadas).
• Prueba funcional de final de línea: gire bajo carga a la velocidad de funcionamiento para detectar vibraciones, ruidos o fugas de aceite/grasa.

Lista de verificación de selección y tabla de referencia rápida

Utilice la lista de verificación a continuación antes de finalizar el diseño de un eje o solicitar piezas de repuesto:

• Confirme el par continuo y máximo, el rango de RPM y los ángulos de funcionamiento.
• Decida la disposición de las juntas simples o dobles según el ángulo y el requisito de velocidad constante.
• Especifique el material, el tratamiento térmico y el acabado superficial de los muñones y las estrías.
• Incluya las especificaciones de equilibrio y los límites de descentramiento en el plano de compra.

Nota final: consulte siempre las hojas de datos de juntas universales específicas del fabricante para conocer los ajustes estriados, los tipos de cojinetes de agujas y la compatibilidad de grasas. Las fórmulas y tolerancias anteriores son puntos de partida comprobados: adáptelas al ciclo de trabajo particular, las condiciones ambientales (servicio corrosivo o de alta temperatura) y los requisitos de seguridad de su proyecto.