En un mundo ideal, los componentes elaborados con diversas componentes podrían fabricarse en una sola pieza, o acoplarse e instalarse en perfecta alineación. Sin embargo, en el mundo real, los componentes separados deben juntarse y conectarse en sitio. Los acoplamientos deben transmitir las fuerzas de rotación (torque) entre dos ejes y, a pesar de todos los esfuerzos, la alineación nunca es perfecta.
Requisitos de lubricación y mantenimiento de acoplamientos
La lubricación adecuada de los acoplamientos es fundamental para su desempeño de los componentes como los rodamientos y los ejes.
Para maximizar la vida útil de los componentes, como son los rodamientos y los ejes, se debe incorporar flexibilidad para absorber el desalineamiento residual que resulta después de efectuar todos los ajustes posibles. La lubricación adecuada de los acoplamientos es fundamental para su desempeño.
Desalineamiento
El desalineamiento puede ocurrir ya sea como una inclinación o como un desplazamiento angular en dos de los tres posibles ejes (Figura 1). El tercer eje, en dirección longitudinal, comúnmente no se mide, aunque los errores en esta dirección pueden dar como resultado cargas axiales (de empuje) excesivas y constantes en un sistema.
Para máquinas importantes, como compresores grandes, se utilizan métodos de alineación por cable. En aplicaciones más pequeñas se han usado tradicionalmente las lecturas en la carátula del indicador de borde y cara para cuantificar y corregir el desalineamiento, aunque los alineadores láser ópticos están ganando popularidad rápidamente debido a su facilidad de uso y precisión.
En los deparatamentos de mantenimiento que marcan la pauta, también se efectúan esfuerzos para compensar la dilatación térmica que se produce en los componentes durante su operación. Todos los materiales (excepto el agua) se expanden una pequeña cantidad cuando se calientan y la cantidad en la que lo hacen depende del coeficiente de expansión térmica del material y del aumento de la temperatura. Una máquina que se alinea a temperatura ambiente pasará lentamente a una posición de desalineamiento a medida que la temperatura de los materiales de los componentes suba o baje durante su operación.
Se puede intentar precalentar o enfriar la máquina a las condiciones normales de funcionamiento antes de efectuar las comprobaciones de alineación. Alternativamente, pueden emplearse los cálculos del incremento térmico anticipado para desalinear intencionalmente el tren de transmisión a temperatura ambiente para que pueda alinearse al entrar en funcionamiento.
Independientemente de las precauciones que se tomen para que las alineaciones sean lo más precisas posible, quedará inevitablemente cierta cantidad de desalineamiento residual. El desalineamiento hace que los componentes rígidos de la máquina, como los ejes, se desvíen para alinearse de manera efectiva.
Esta desviación estresa los componentes, provoca vibraciones y distribuye cargas más altas y desiguales en las estructuras que soportan estos elementos, como los rodamientos. Estos esfuerzos desperdician energía y pueden reducir drásticamente la vida útil y la confiabilidad de la máquina.
Si se diseñan correctamente, los acoplamientos pueden absorber fuerzas de desalineamiento para que puedan salvarse los componentes más caros, críticos y sensibles. Si bien los ejes giratorios parecen ser muy robustos, los rodamientos que los soportan están entre los componentes de precisión más sensibles de un tren de transmisión de potencia.
Tipos de acoplamientos
Los acoplamientos pueden dividirse en cuatro categorías principales dependiendo de su diseño, cada una con varios diseños específicos. Los acoplamientos sólidos y magnéticos no requieren lubricación, pero se incluyen aquí como complemento. Los acoplamientos sólidos son estructuras fundamentalmente rígidas que no compensan el desalineamiento, pero sí permiten unir dos ejes con el fin de transmitir el torque.
Un ejemplo común de acoplamientos magnéticos. son los bloques atornillados con llave en los ejes de una máquina. Los acoplamientos magnéticos permiten que los ejes que no están en contacto directo se accionen juntos utilizando potentes imanes permanentes o eléctricos. Un ejemplo común es una bomba de accionamiento magnético sin sello.
Existen algunas aplicaciones convencionales que podrían equiparse con un acoplamiento magnético independiente utilizando este mismo principio e imanes permanentes ultra-poderosos (y costosos).
Otro tipo de acoplamientos son los flexibles y los fluidos. Muchos acoplamientos flexibles utilizan elementos metálicos, de goma o de plástico de posición fija, como discos o casquillos, que giran con los ejes y absorben el desalineamiento. Diseños de este tipo no requieren lubricación.
Otros acoplamientos felxibles, como los de engranajes, cadenas, rejillas y juntas universales, requieren lubricación para un desempeño adecuado y una larga vida útil. Los acoplamientos fluidos incluyen convertidores de torque y multiplicadores de torque, así como acoplamientos fluidos comparativamente simples, que son acoplamientos llenos de fluidos lubricantes que dependen del fluido mismo para transmitir el torque.
Acoplamientos flexibles
Los acoplamientos de engranajes (Figura 2) compensan el desalineamiento por medio del espacio entre los dientes de los engranajes.
Los dientes de los engranajes externos montados en ambos ejes se acoplan con los dientes de los engranajes internos dentro de una carcasa que contiene un lubricante. Otros diseños tienen dientes externos en un solo eje, acoplando con los dientes internos montados en el otro eje.
La aceleración o desaceleración puede provocar impactos entre los dientes de los engranajes debido a la reducción del espacio libre en los lados opuestos de los dientes de los engranajes. El desalineamiento resultará en un movimiento deslizante relativo entre de la superficie de los dientes en contacto en cada revolución.
Los acoplamientos de cadena (Figura 3) funcionan de manera similar a los acoplamientos de engranajes. Las ruedas dentadas en el extremo de cada eje están conectadas por una cadena de rodillos.