Este documento describe el diseño de árboles, incluyendo los tipos de cargas y esfuerzos a los que están sometidos los árboles, las etapas del diseño de árboles, y los métodos para analizar la resistencia estática de los árboles. Explica que los árboles transmiten potencia y están sujetos a torsión, flexión, carga axial y cortante. El diseño de árboles implica seleccionar el material, diseñar la configuración para soportar las cargas, y verificar la resistencia estática

1. DISEÑO DE ÁRBOLES

2. Ingenieria mecatronica
Ing. Oscar miron Bello
Universidad de los Angeles
5to. Cuatrimestre

3. Árboles y ejes
Los árboles y ejes son elementos de máquinas, generalmente de
sección transversal circular, usados para sostener piezas que giran
solidariamente o entorno a ellos. Algunos elementos que se montan
sobre árboles y ejes son ruedas dentadas, poleas, piñones para
cadena, acoples y rotores. Los ejes no transmiten potencia y pueden
ser giratorios o fijos. Por otro lado, los árboles o flechas son elementos
que giran soportando pares de torsión y transmitiendo potencia. Las
figuras 7.1 a 7.3 muestran transmisiones por cadenas, por correas y por
ruedas dentadas, respectivamente, en las cuales la transmisión de
potencia se lleva a cabo mediante árboles, poleas, correas, ruedas
dentadas, estrellas y cadenas, entre otros elementos.

4. Transmisión por cadenas

5. Transmisión de tornillo sinfínTransmisión por correas
Los árboles están sometidos a torsión, flexión, carga axial y
fuerzas cortantes, y al menos alguna de estas cargas es variable
(en un árbol girando sometido a un momento flector
constante, actúan esfuerzos normales variables).

6. Configuración y accesorios de los árboles
Usualmente, los árboles son cilindros escalonados , con el fin de que los
hombros o resaltos sirvan para ubicar axialmente los diferentes elementos.
Además, los hombros sirven para transmitir cargas axiales. En los árboles se
usan diferentes elementos para la transmisión de potencia o para posicionar o
fijar las piezas que se montan sobre éstos. Algunos métodos utilizados para
transmitir pares de torsión y potencia son las cuñas o chavetas , ejes
estriados, espigas o pasadores , ajustes a presión , ajustes ahusados (con
superficies cónicas) y conectores ranurados. Para evitar movimientos axiales
de las piezas se usan, por ejemplo, hombros, tornillos de fijación o prisioneros
, anillos de retención (, pasadores , collarines de fijación, tornillos y manguitos .
Algunos métodos sirven tanto para fijar axialmente las piezas, como para
transmitir par de torsión (por ejemplo, los pasadores). Las chavetas y los
pasadores actúan como „fusibles‟, es decir, son elementos , débiles‟ (y
baratos) que tienden a fallar en caso de una sobrecarga, protegiendo así las
piezas caras.

9. Etapas del diseño de árboles
El diseño de árboles comprende básicamente:
Selección del material
Diseño constructivo (configuración geométrica)
Verificación de la resistencia:
- estática
- a la fatiga
- a las cargas dinámicas (por ejemplo cargas pico)
Verificación de la rigidez del árbol:
- deflexión por flexión y pendiente de la elástica
- deformación por torsión
Análisis Modal (verificación de las frecuencias naturales del
árbol)

10. El diseño constructivo consiste en la determinación de las longitudes y diámetros de
los diferentes tramos o escalones, así como en la selección de los métodos de fijación
de las piezas que se van a montar sobre el árbol. En esta etapa se deben tener en
cuenta, entre otros, los siguientes aspectos:
Fácil montaje, desmontaje y mantenimiento.
Los árboles deben ser compactos, para reducir material tanto en longitud como en
diámetro (recuérdese que a mayores longitudes, mayores tenderán a ser los
esfuerzos debidos a flexión y, por lo tanto, los diámetros).
Permitir fácil aseguramiento de las piezas sobre el árbol para evitar movimientos
indeseables.
Las medidas deben ser preferiblemente normalizadas.
Evitar discontinuidades y cambios bruscos de sección, especialmente en sitios de
grandes esfuerzos.
Generalmente los árboles se construyen escalonados para el mejor posicionamiento
de las piezas.
Generalmente los árboles se soportan sólo en dos apoyos, con el fin de reducir
problemas de alineamiento de éstos.
Ubicar las piezas cerca de los apoyos para reducir momentos flectores.
Mantener bajos los costos de fabricación.
Basarse en árboles existentes o en la propia experiencia, para configurar el árbol
(consultar catálogos y analizar reductores y sistemas de transmisión de potencia).

11. resonancia. Los árboles, junto con las piezas que se montan sobre
ellos, tienden también a vibrar excesivamente cuando giran a las
velocidades críticas. El diseñador debe asegurar que la velocidad de
rotación del árbol sea bastante diferente de cualquier velocidad que
produzca resonancia; de lo contrario, las deflexiones o
deformaciones del árbol tenderían a ser grandes y a producir la falla.

12. RESISTENCIA DE LOS ÁRBOLES

13. Esfuerzos en los árboles
Los elementos de transmisión de potencia como las ruedas
dentadas, poleas y estrellas transmiten a los árboles fuerzas
radiales, axiales y tangenciales. Debido a estos tipos de
carga, en el árbol se producen generalmente esfuerzos por
flexión, torsión, carga axial y cortante. La figura 7.5 muestra
esquemáticamente un árbol en el cual está montado un
engranaje cónico y una estrella. Se muestran las fuerzas
sobre el engranaje, las cuales producen los cuatro tipos de
solicitación mencionados.

18. Análisis estático de árboles dúctiles uniformes de sección transversal circular sólida
El análisis estático de un árbol consiste en verificar que éste no fallará inmediatamente
después de aplicar ciertas cargas. Este análisis podría efectuarse para:
(a) Comprobar su resistencia “estática” a las cargas nominales3. Esto es poco usual ya que
debe verificarse la resistencia a la fatiga de los árboles (las ecuaciones de fatiga dadas en
el capítulo 5 cubren también las fallas “estáticas”).
(b) Comprobar su resistencia estática a las cargas dinámicas (cargas pico). Esta
comprobación sí debe hacerse ya que normalmente en los arranques o cuando hay
sobrecargas, los árboles están sometidos a esfuerzos mayores a los nominales. Como se
prevé que estas cargas se repiten un número muy pequeño de veces, éstas no tenderían a
producir falla por fatiga, siendo suficiente el análisis de diseño estático.
En un diseño para cargas estáticas, se aplica una teoría de falla estática adecuada al punto
o puntos más críticos del árbol, los cuales tienen estados de esfuerzo como el de la figura
y esfuerzos dados por las ecuaciones y si la sección es circular sólida.

19. A un material dúctil se le aplica la Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo
(TECM) o la teoría de von Mises-Hencky (teoría de la energía de
distorsión), la cual es equivalente a la Teoría del Esfuerzo Cortante
Octaédrico (TECO). Las ecuaciones de diseño de estas teorías, para el
estado de esfuerzo de nuestro punto crítico , están dadas por:

22. Cálculo de las reacciones:
En la figura 7.10 se presentó el diagrama de cuerpo libre
teniendo en cuenta sólo los pares de torsión. Los
diagramas de cuerpo libre para las fuerzas axiales y las
fuerzas transversales y momentos flectores se dan en la
figura 7.11.

25. Diagramas de fuerza cortante, momento flector y carga
axial:
Con los resultados anteriores se construyen los diagramas de
fuerza cortante, de momento flector y de carga axial (figura
7.12). Como normalmente las fuerzas cortantes no se tienen
en cuenta en el diseño, los diagramas de fuerza cortante sólo
interesan para la construcción de los de momento flector.
Como interesa el momento total en las diferentes secciones
(no sus componentes en xy y xz), se construye, además, un
diagrama de momento flector resultante. En una sección
particular, la magnitud del momento resultante está dada por
la ecuación 7.5.

27. Espero que este material sea de gran ayuda.