Los ejes mecánicos son componentes fundamentales en sistemas de maquinaria y transmisión, diseñados para soportar cargas y transmitir potencia.

1. Definición:

Una Eje o flecha es un elemento rotatorio, por lo general de sección transversal circular, que se utiliza para transmitir potencia o movimiento. Ella constituye el eje de rotación u oscilación de elementos como engranes, poleas, volantes de inercia, manivelas, catarinas y miembros similares y, además, controla la geometría de su movimiento. Un eje es un elemento no giratorio que no transmite par de torsión que se utiliza para soportar ruedas rotatorias, poleas y elementos parecidos. El eje de un automóvil no es un eje verdadero.
En realidad no existe nada único acerca de un eje que requiera algún tratamiento especial más allá de los métodos básicos que ya se desarrollaron en capítulos anteriores. Sin embargo, debido a la ubicuidad de los ejes en muchas aplicaciones de diseño de máquinas, es conveniente realizar un estudio más a fondo del eje y su diseño. El diseño de un eje completo tiene mucha interdependencia con el de los componentes. El diseño de la propia
máquina dictará que ciertos engranes, poleas, cojinetes y otros elementos se tendrán que analizar, al menos parcialmente, y determinar en forma tentativa su tamaño y espaciamiento.

Debemos tener en cuenta lo siguiente:

  • Selección del material
  • Configuración geométrica
  • Esfuerzo y resistencia
  • Resistencia estática
  • Resistencia por fatiga
  • Deflexión y rigidez
  • Deflexión por flexión
  • Deflexión por torsión
  • Pendiente en los cojinetes y elementos soportados por el eje
  • Deflexión por cortante debida a cargas transversales sobre ejes cortos
  • Vibración debida a la frecuencia natural
    Cuando se deciden los diversos aspectos de un enfoque de diseño, es necesario tomar en cuenta que un análisis de esfuerzos en un punto específico de un eje se hace sólo mediante la geometría del eje en la proximidad de ese punto. De esta forma, no se necesita conocer la
    geometría de todo el eje. En diseño, por lo general, se localizan las áreas críticas, se dimensionan para cumplir los requisitos de resistencia y después se dimensiona el resto del eje para satisfacer las necesidades de los elementos soportados por éste.
    Los análisis de deflexión y de pendiente no pueden hacerse hasta que se haya definido la geometría de todo el eje. De esta manera, la deflexión es una función de la geometría de todas partes, mientras que el esfuerzo en una sección de interés es una función de la geometría
    local. Por esta razón, el diseño de ejes permite primero una consideración de esfuerzo y resistencia. Una vez que se hayan establecido valores tentativos para las dimensiones del eje, se pueden determinar las deflexiones y las inclinaciones.

2. Clasificación:

  • Ejes de Transmisión: Transmiten potencia entre la fuente y la máquina receptora. Por ejemplo, el eje de un motor que transmite potencia a una máquina a través de correas o engranajes.
  • Ejes de Máquina: Son parte integral de la máquina y están diseñados para soportar componentes como engranajes, poleas y rodamientos.
  • Ejes Estructurales: Soportan cargas pero no transmiten torque, como los ejes en carros de ferrocarril.

3. Materiales: Los ejes suelen fabricarse con aceros al carbono y aleados debido a su alta resistencia a la torsión y flexión. Los aceros más comunes incluyen el SAE 1040, SAE 4140 y SAE 4340. La selección del material depende de la aplicación, las cargas involucradas y las condiciones ambientales.

4. Diseño: El diseño de un eje implica consideraciones de:

  • Torsión: Debido al torque transmitido.
  • Flexión: Debido a las cargas radiales.
  • Fatiga: Debido a cargas repetitivas o cíclicas.
  • Rigidez: Para evitar deflexiones excesivas.
  • Condiciones de Apoyo: Tipo de rodamientos y su ubicación.

5. Acabado y Tratamientos Térmicos: Para mejorar la resistencia y durabilidad, los ejes pueden someterse a tratamientos térmicos como temple y revenido. Además, pueden recibir acabados superficiales para reducir la fricción y mejorar la resistencia a la corrosión.

6. Aplicaciones: Los ejes se encuentran en una amplia variedad de maquinaria, desde electrodomésticos hasta equipos industriales pesados. Algunas aplicaciones incluyen motores eléctricos, transmisiones de vehículos, turbinas y maquinaria agrícola.

7. Mantenimiento: Es esencial inspeccionar regularmente los ejes en busca de signos de desgaste, corrosión o fatiga. Un mantenimiento adecuado incluye la lubricación, la alineación y, si es necesario, el reemplazo de rodamientos.