Diseño de acoplamiento de disco flexible: geometría del paquete de discos, cubos y ajuste de la aplicación

Tres paquetes de discos fallaron en catorce meses en el mismo compresor de 250 kW, y cada vez el equipo de mantenimiento reemplazó el acoplamiento. La causa fueron 0,9 mm de crecimiento axial que nadie había presupuestado. Después de la alineación, al paquete le quedaban menos de 0,5 mm de capacidad axial, por lo que cada arranque en caliente acercaba un poco más las laminaciones de acero inoxidable a su límite de fatiga.

Esa historia lleva la conclusión. El diseño del acoplamiento de disco flexible no es un cálculo de par con una nota al pie de desalineación. Es una búsqueda de la banda estrecha donde el acoplamiento es lo suficientemente rígido como para transmitir torque sin cuerda ni contragolpe, y lo suficientemente flexible como para que las fuerzas que retroalimenta a los rodamientos, los pernos y sus propias laminaciones permanezcan dentro de sus límites de fatiga. El diseño y la selección son el mismo problema, vistos desde extremos opuestos de una cotización.

Cómo un paquete de discos transmite el torque

Un paquete de discos es una pila de láminas delgadas de acero inoxidable, generalmente de 0,2 mm a 0,5 mm de espesor, perforadas con seis a doce eslabones dispuestos alrededor del círculo de pernos. Cada lámina se fija alternativamente a los dos cubos mediante pernos ajustados, de modo que el par se transmite a través de los eslabones como tensión en un lado del acoplamiento y compresión en el otro. La desalineación se absorbe únicamente cuando las láminas se doblan. Nada se desliza, nada se lubrica y nada está hecho de goma.

Ese único hecho explica todo el carácter del diseño: cero juego, sin superficies de desgaste, sin elastómero que envejezca o endurezca, y un techo de temperatura fijado por los cubos en lugar de por el elemento flexible. También explica la debilidad. Un acoplamiento sin interfaz deslizante y casi sin amortiguación tiene muy poca capacidad para disipar energía, por lo que cualquier tensión que vean los eslabones, la verán en cada revolución, durante toda la vida útil de la máquina.

El perfil del enlace es la primera decisión de diseño real. Un eslabón de lados rectos concentra la tensión de flexión alrededor de los orificios de los pernos. Un eslabón festoneado o entallado extiende la curvatura a lo largo de su longitud: la flexibilidad aumenta, la tensión máxima en el orificio disminuye y la fuerza de reacción que el paquete empuja hacia los rodamientos en una desalineación determinada disminuye con él. El precio es la densidad de torque, porque una hoja festoneada soporta menos torque por milímetro de ancho que una recta, y el paquete debe recuperarlo con más capas, más pernos o más diámetro. El espesor de la lámina, el número de capas, el ancho de los eslabones y el número de pernos son las cuatro variables que deciden lo que puede hacer el acoplamiento terminado.

Disco simple o disco doble: una decisión de desalineación

Una vez definido el pack, la pregunta es cuántos packs necesita el acoplamiento. Una unidad de un solo disco coloca un paquete entre dos concentradores. Maneja cómodamente el desplazamiento angular y axial y el desplazamiento paralelo de manera deficiente, lo que se adapta a unidades cortas y de acoplamiento cercano: servoejes, bombas pequeñas y bancos de pruebas donde ambos ejes ya se encuentran dentro de unas pocas centésimas de milímetro.

Un acoplamiento de doble disco inserta un espaciador entre dos paquetes. El espaciador convierte el desplazamiento paralelo en desplazamiento angular en cada paquete, que es lo que permite conectar un motor y una caja de cambios en placas base separadas sin luchar entre sí. La longitud del espaciador se convierte entonces en una verdadera variable de diseño: establece cuánto desplazamiento paralelo puede absorber el acoplamiento, cuánto pesa y cuánto afecta su propia masa y comportamiento de flexión a la línea motriz.

Los diseños compactos de doble disco con espaciadores cortos y cubos tipo abrazadera son comunes donde la envolvente es estrecha pero aún se debe absorber el desplazamiento paralelo, como en las máquinas herramienta y los accionamientos CNC.

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Relaciones de rigidez, fuerzas de reacción y factura del rodamiento

La clasificación de torsión decide si el acoplamiento sobrevive. La rigidez decide si todo lo que lo rodea sobrevive. Tomemos el caso axial, que es el que con mayor frecuencia se ignora en la etapa de cotización. Supongamos que el acoplamiento que necesita tiene una rigidez axial de aproximadamente 250 N/mm, una cifra realista para un paquete de discos de tamaño mediano, y el eje crece 0,8 mm entre un arranque en frío y una carga completa. El paquete empujará aproximadamente 200 N hacia el interior del rodamiento, de forma continua, además de la carga normal del rodamiento. En un motor pequeño, esto es suficiente para acortar la vida útil del rodamiento de años a meses, y ningún cálculo de par lo revelará jamás.

La rigidez torsional actúa en la dirección opuesta. Se expresa en Nm por radianes o por grado, y cuanto más alto es, con mayor precisión el eje accionado sigue al motor. Para los ejes de posicionamiento, la alta rigidez torsional junto con un juego cero es la razón por la que se elige un acoplamiento de disco. Para una línea motriz que debe pasar por una resonancia torsional durante el arranque, esa misma rigidez es un inconveniente, y una amortiguación baja hace que el pico sea más agudo. Si la aplicación involucra motores grandes, cargas alternativas u operación de velocidad variable, la rigidez del acoplamiento debe incluirse en el modelo torsional y no en una nota a pie de página.

La regla práctica: pida al proveedor valores de rigidez torsional, axial y radial junto con la cotización, no solo la clasificación de torque y el tamaño del orificio. No se puede comprobar la carga de un rodamiento o una resonancia sólo con una cifra de par.

Tornillos, equilibrio y límite de velocidad

La unión atornillada es la parte del diseño que la experiencia de campo castiga primero. Los pernos ajustados se rectifican hasta obtener una holgura controlada en orificios escariados, de modo que el torque sea transmitido por el vástago del perno en corte en lugar de por la fricción entre las laminaciones. Eso significa que la clase de ajuste es importante, al igual que el método de bloqueo, porque un perno aflojado cambia la distribución de la carga en todo el paquete en un solo inicio.

La velocidad es el otro techo y no es lineal. La fuerza de desequilibrio residual crece con el cuadrado de la velocidad de rotación: aproximadamente 1 g-mm de desequilibrio produce aproximadamente 1,1 N de fuerza de rotación a 10.000 rpm y aproximadamente 4,4 N a 20.000 rpm. La calidad del equilibrio sigue la misma lógica. Los accionamientos industriales generales suelen ser aceptables en G6.3, los accionamientos de alta velocidad y de máquinas herramienta normalmente requieren G2.5, y los rotores de muy alta velocidad o muy ligeros pueden necesitar G1. Por encima de la velocidad nominal del acoplamiento, ningún equilibrio ayuda, porque el límite proviene de la tensión centrífuga en el propio paquete de discos. Cuando el punto de trabajo se encuentra cerca de ese techo, la única respuesta sensata es un diseño de alta velocidad especialmente diseñado.

Materiales: Paquetes de acero inoxidable, cubos de acero o aluminio.

El paquete de discos es casi siempre de acero inoxidable austenítico, siendo 301 y 302 las opciones más comunes debido a su combinación de resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión. Los grados de endurecimiento por precipitación, como 17-4 PH, aparecen donde se requiere mayor resistencia o mayor capacidad de temperatura. El centro es donde la elección del material sigue a la aplicación. Los bujes de aleación de aluminio 6061 o 7075 mantienen la inercia baja, lo que es importante en los servoejes donde cada gramo de masa giratoria aumenta el tamaño del motor. Los bujes de acero en 1045 o un grado de aleación, a menudo con tratamiento de óxido negro, dominan las transmisiones industriales pesadas y de largo alcance, y los bujes de acero inoxidable se utilizan donde hay atmósfera marina o de lavado.

La conexión entre eje y cubo merece más atención de la que suele recibir. Una conexión con llave introduce un juego que ningún paquete de discos sin juego puede compensar, por lo que los cubos tipo abrazadera y los conjuntos de bloqueo sin llave son la especificación normal en las transmisiones de posicionamiento y de alta marcha atrás. El entorno, más que la carga, decide el tratamiento de la superficie: ennegrecimiento para plantas de interior ligeramente corrosivas, herrajes inoxidables o chapados para uso en exteriores y marinos.

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Tolerancias del sitio: donde un buen diseño se convierte en una mala instalación

La alineación en campo convierte un diseño correcto en una instalación incorrecta con mayor frecuencia que cualquier otra causa. Los objetivos comunes para un acoplamiento de disco son un error angular inferior a 0,5 grados y un ajuste axial entre 0,5 y 1,5 mm, pero esos números pertenecen al tamaño y paquete específicos, por lo que deben provenir de la hoja de datos del proveedor y no de la costumbre. La alineación debe comprobarse en frío y, cuando la máquina funciona en caliente, verificarse nuevamente a temperatura de funcionamiento, porque un eje que crece 2 mm en un tramo de 100 mm puede consumir todo el juego axial de un acoplamiento perfectamente alineado en el banco.

Dos hábitos causan daños desproporcionados. La primera es utilizar los pernos de acoplamiento para juntar dos ejes, lo que precarga el paquete axialmente incluso antes de que la máquina haya arrancado. El segundo es medir solo el error angular e ignorar el desplazamiento paralelo en una unidad de doble disco, donde el espaciador lo magnifica hasta lograr un desplazamiento angular en ambos paquetes. En los diseños de espaciadores de caída, el espaciador también debe soportarse durante el montaje para que su peso no doble los paquetes antes de apretar los pernos.

Modos de falla contra los que vale la pena diseñar

La mayoría de las fallas en servicio se remontan a una pequeña cantidad de patrones reconocibles:

• Las grietas por fatiga que se irradian desde los orificios de los pernos en los eslabones del disco, casi siempre son el resultado de una desalineación sostenida por encima de la clasificación y no de una sobrecarga.
• Fretting y alargamiento del agujero, causado por micromovimiento en una junta cuya precarga se ha perdido.
• Contratuercas flojas o faltantes después de una reconstrucción, lo que redistribuye la carga entre los pernos restantes.
• El orificio del cubo se desliza en el eje, debido a un ajuste incorrecto o a una conexión enchavetada que se suponía que estaba lo suficientemente apretada.
• Picaduras por corrosión o grietas por corrosión bajo tensión en atmósferas de lavado, costeras o químicas.
• Resonancia torsional excitada por ondulación de par de doble frecuencia de línea, frecuencias de paso de pala o frecuencias de engranaje de engranaje, donde la rigidez del acoplamiento nunca se ingresó en el modelo de línea motriz.

Una secuencia de selección práctica

Un orden viable de operaciones, ya sea que esté diseñando un acoplamiento o comprando uno:

1. Calcule el par continuo a partir de la potencia y la velocidad: el par en Nm equivale a 9550 veces la potencia en kW dividida por la velocidad en rpm.
2. Aplique un factor de servicio que refleje la máquina accionada, normalmente de 1,5 a 2 para cargas suaves y de 2,5 o más para trabajos alternativos o de alto impacto.
3. Verifique los pares de arranque, frenado y parada con respecto a la clasificación máxima, no a la continua.
4. Fije la velocidad de funcionamiento y luego elija el grado de equilibrio que la velocidad realmente exige.
5. Establecer la desalineación real: angular, paralela y axial, en frío y en caliente, incluidas las tolerancias de fabricación entre las dos máquinas.
6. Convierta la desalineación en fuerza de reacción utilizando la rigidez del acoplamiento y agréguela a la carga del rodamiento.
7. Confirme el diámetro interior, el tipo de cubo, la conexión de chavetero o abrazadera, la longitud del espaciador y el sobre disponible.
8. Confirme el entorno: temperatura, humedad, productos químicos y frecuencia de lavado.

Qué pertenece a la investigación

Un proveedor que sólo pregunta por el diámetro y el par no ha comprendido su accionamiento y la cotización que le devuelva será un número de catálogo en lugar de una solución. Envíe el par continuo y máximo, la velocidad y el ciclo de trabajo, los tres componentes de desalineación, la temperatura ambiente y de funcionamiento, la exposición a la corrosión, la envolvente disponible, el diámetro interior y el tipo de conexión, y el grado de equilibrio si la velocidad es alta. Esos ocho elementos marcan la diferencia entre un acoplamiento que silenciosamente dura más que los rodamientos a su lado y uno que se convierte en un consumible programado.

Si la misma planta utiliza varios tipos de acoplamientos, desde unidades de servo diafragma hasta acoplamientos de engranajes pesados, una referencia de selección general que cubra los tipos y estándares de acoplamientos DIN es un complemento útil para una sola cita, porque hace que la comparación entre los diseños candidatos sea concreta en lugar de verbal.

Tipos de acoplamientos DIN, estándares y guía de selección