Clave (ingeniería)

En ingeniería mecánica , una chaveta es un elemento de máquina que se utiliza para conectar un elemento de máquina rotatorio a un eje . La chaveta evita la rotación relativa entre las dos partes y puede permitir la transmisión de par . Para que una chaveta funcione, el eje y el elemento de máquina rotatorio deben tener una ranura y un chavetero , que es una ranura y un bolsillo en el que encaja la chaveta. El sistema completo se denomina junta con chaveta . ^{[1] [2]} Una junta con chaveta puede permitir un movimiento axial relativo entre las partes.

Los componentes comúnmente codificados incluyen engranajes , poleas , acoplamientos y arandelas .

Hay cinco tipos principales de claves: hundidas , de silla de montar , tangentes , redondas y estriadas .

Tipos de llaves hundidas: rectangulares , cuadradas , hundidas paralelas , de cabeza de cuña , de pluma y Woodruff .

Las chavetas paralelas son las más utilizadas. Tienen una sección transversal cuadrada o rectangular. Las chavetas cuadradas se utilizan para ejes más pequeños y las chavetas de cara rectangular se utilizan para diámetros de eje superiores a 6,5 ​​in (170 mm) o cuando el espesor de la pared del cubo de acoplamiento es un problema. Los tornillos de fijación suelen acompañar a las chavetas paralelas para bloquear las piezas de acoplamiento en su lugar. ^[3] La ranura para chavetas es una ranura longitudinal tanto en el eje como en la pieza de acoplamiento.

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  El chavetero en un eje para una chaveta paralela
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  Una rueda dentada con una chaveta paralela interna
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  Sección transversal de una junta con chaveta paralela

W = ⁠d/4[ ^{aclaración necesaria ]}

H = ⁠2 días/3[ ^{aclaración necesaria ]}

dónde

• W es el ancho de la clave
• H es la altura de la clave
• d es el diámetro del eje

Las chavetas Woodruff son semicirculares , encajando parcialmente en un chavetero de segmento circular y el resto encajando en un chavetero de ranura longitudinal en la parte de acoplamiento. El segmento circular se puede cortar directamente mediante corte por inmersión con una fresa Woodruff circular sin ningún relieve. La principal ventaja de la chaveta Woodruff es la eliminación del fresado cerca de los hombros del eje, donde las concentraciones de tensión ^[4] y la concentricidad se verían afectadas. ^[3] Esto último es particularmente importante para el funcionamiento a alta velocidad. El ajuste más exacto de la chaveta y el chavetero también reduce el juego y las concentraciones de tensión, y mejora la fiabilidad de la chaveta. Una ventaja adicional es que una chaveta atascada se puede sacar de un eje con un golpe de martillo, el perfil circular empujará la chaveta fuera de la ranura, a diferencia de una chaveta estándar que necesitará ser empujada axialmente o sacada de su ranura. Las aplicaciones comunes incluyen máquinas herramienta , aplicaciones automotrices , quitanieves y hélices marinas .

Este tipo de llave fue desarrollada por William N. Woodruff de Hartford, Connecticut . En 1888, el Instituto Franklin le otorgó la Medalla John Scott por su invención. ^[5]

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  Una llave Woodruff instalada
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  Una llave Woodruff y un chavetero
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  El engranaje G está ubicado positivamente en el eje S mediante una chaveta Woodruff N

La chaveta cónica se afila solo en el lado que se acopla al cubo. El chavetero del cubo tiene un ahusamiento que coincide con el de la chaveta cónica. Algunas chavetas cónicas tienen una lengüeta para facilitar su extracción durante el desmontaje. El propósito del ahusamiento es asegurar la chaveta en sí, así como acoplar firmemente el eje al cubo sin necesidad de un tornillo de fijación. El problema con las chavetas cónicas es que pueden hacer que el centro de rotación del eje quede ligeramente desviado de la pieza de acoplamiento. ^[3] Se diferencia de una cerradura de eje cónico en que las chavetas cónicas tienen un ahusamiento coincidente en el chavetero, mientras que las cerraduras de eje cónico no.

Una llave escocesa o llave holandesa tiene un orificio circular (en lugar de rectangular) que se produce perforando axialmente el eje y el cubo ensamblados, con un pasador de metal que sirve como llave. Si el orificio y la llave son cónicos, la llave se denomina pasador holandés , que se introduce y se termina opcionalmente cortando o esmerilando al ras del extremo del eje. Si se rosca opcionalmente un orificio recto para chavetero holandés, entonces un tornillo común sirve como llave holandesa roscada.

Los pasadores elásticos son un componente clave holandés alternativo a los pasadores de espiga sólidos. Un pasador elástico se autoaprieta y no se afloja con la vibración. Los pasadores elásticos huecos proporcionan una resistencia al corte más débil que un pasador de espiga sólido, y la resistencia se puede variar variando el espesor de la pared. Esta especificación de resistencia al corte limitada está diseñada para mantener el funcionamiento normal, pero luego cede en caso de un par excesivo en el eje, protegiendo así el resto de la máquina contra daños.

La introducción de un componente de buje adicional entre el cubo y el eje mejora el rendimiento y la comodidad de las uniones con chaveta. Los bujes Taper-Lock son accesorios de cubo con chaveta que proporcionan tres chaveteros holandeses roscados y dos tornillos de fijación como chavetas holandesas, además del chavetero rectangular. Los chaveteros holandeses están roscados solo en el lado del cubo o del eje alternativo, con un orificio de paso de rosca en el lado opuesto. Simplemente introduciendo los tornillos de fijación en los orificios seleccionados, el mecanismo del cubo funciona cómodamente para bloquear rígidamente o liberar definitivamente del eje, sin martillar ni tirar del cubo. Los bujes de desconexión rápida ( QD ) funcionan de manera similar, pero colocan un patrón circular de tres orificios sin roscar y tres orificios completamente roscados más alejados del eje del eje en una brida de buje, en lugar de a lo largo de la interfaz buje-cubo.

Una unión Hirth es similar a una unión estriada pero con los dientes en el extremo del eje en lugar de en la superficie.

Este tipo de chavetas se fijan generalmente al elemento motriz (por ejemplo, ejes). Este tipo de chavetas tienen menor resistencia en comparación con las chavetas hundidas. Se utilizan raramente para transmitir menor potencia a los elementos accionados (por ejemplo, acoplamientos).

Las chavetas tangentes se utilizan en aplicaciones de servicio pesado con par elevado. Lo que habría sido el lado de cada chavetero forma talones contra los que se asienta la chaveta y transfiere la fuerza de manera compresiva. Este último punto significa que para el movimiento reversible del eje, se necesita otra chaveta a lo largo de una tangente hacia afuera en la dirección opuesta. Por lo general, esto se compensará 90° o 180° en el eje. La chaveta puede tener forma de cuña, rectangular o cuadrada, pero se utilizan especialmente chavetas rectangulares de doble cono.

Este tipo de llave utiliza múltiples ranuras en el cubo para transmitir alta potencia.

El chavetero es la creación de ranuras en los elementos acoplados. El chavetero se puede realizar en una variedad de máquinas diferentes, incluidas una brochadora, una rectificadora de chavetas, una máquina de electroerosión por hilo, una perfiladora o una ranuradora vertical, una fresadora vertical u horizontal o con un cincel y una lima.

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  Cortadores de chaveteros
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  Cortadores especiales
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  Herramientas de ranurado
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  Diferentes herramientas de ranurado

El brochado se utiliza principalmente para cortar chaveteros internos con esquinas cuadradas. Se utilizan la brocha, el casquillo y la guía específicos para cada sección transversal de chavetero dada, lo que hace que este proceso sea más caro que la mayoría de las alternativas. Sin embargo, puede producir el chavetero más preciso de todos los procesos. Hay tres pasos principales en el brochado de un chavetero: primero, la pieza de trabajo se coloca en la prensa de husillo y el casquillo se coloca en la abertura de la pieza de trabajo. A continuación, se inserta la brocha y se empuja a través de ella, cortando el chavetero. Finalmente, se colocan calzas entre el casquillo y la brocha para lograr la profundidad correcta necesaria para la chaveta. ^[6]

Las máquinas de ranurar , también conocidas como máquinas de ranurar y cortadoras de chaveteros , son máquinas especializadas diseñadas para cortar chaveteros. Son muy similares a las formadoras verticales ; la diferencia es que la herramienta de corte de una ranurar entra en la pieza de trabajo desde abajo y corta en el recorrido descendente, mientras que la herramienta de una formadora entra en la pieza de trabajo desde arriba y corta hacia abajo. Otra diferencia es que una ranurar tiene un sistema de guía sobre la pieza de trabajo para minimizar la deflexión, lo que da como resultado un corte con una tolerancia más estrecha. El proceso comienza sujetando la pieza de trabajo a la mesa con un accesorio o tornillo de banco . La pieza de trabajo se ubica correctamente y luego se inicia el brazo reciprocante. Algunos modelos tienen una mesa fija para que la fresa se introduzca horizontalmente en la pieza de trabajo, mientras que otros tienen una mesa móvil que introduce la pieza de trabajo en una fresa fija. Estas máquinas pueden cortar otras características de lados rectos además de chaveteros (ver la imagen). También pueden producir ranuras ciegas, que son ranuras que no se extienden a través de toda la pieza de trabajo. ^{[7] [8]}

La electroerosión por hilo se utiliza principalmente para lotes de producción pequeños en los que se requiere una precisión extrema o no se dispone de otras tecnologías de corte. La electroerosión por hilo corta chaveteros erosionando el material de la pieza de trabajo mediante una serie de descargas rápidas de corriente eléctrica entre un hilo enrollado y la pieza de trabajo a través de un líquido dieléctrico. Las máquinas de electroerosión por hilo con control numérico por computadora (CNC) permiten cortar una amplia variedad de chaveteros, incluidos varios chaveteros en el mismo cubo. Las principales limitaciones de la electroerosión por hilo CNC son el tiempo que lleva cortar un chavetero, así como el tamaño de las piezas que puede procesar una determinada máquina de electroerosión por hilo. ^[9]

El conformado o ranurado se utiliza en gran medida para cortar chaveteros que no se extienden a lo largo de toda la pieza. Al igual que el ranurado, el conformado utiliza una herramienta de corte de una sola punta para cortar, sin embargo, los conformadores no son guiados a través del corte en un poste fijo. Como tal, los cortes de los conformadores son generalmente más susceptibles a la deflexión que los cortes de ranurado. ^[9]

Se pueden producir chaveteros paralelos, cónicos y de tipo Woodruff en una fresadora . Para los chaveteros paralelos y cónicos se utilizan fresas de extremo o fresas ranuradoras, mientras que para los chaveteros de tipo Woodruff se utiliza una fresa Woodruff. ^[10]

Para chaveteros internos que no sean demasiado largos, se pueden fresar si el radio es aceptable.

Una de las primeras formas de encastrar la llave se hacía mediante cincelado . La ranura se desbasta con un cincel y luego se lima hasta obtener el tamaño deseado; la llave se prueba con frecuencia para evitar limarla demasiado. Esta técnica es larga, tediosa y rara vez se utiliza en la actualidad. ^[11]

Una chaveta de corte es un elemento diseñado para evitar que falle y se produzcan más daños en caso de que la maquinaria se opere accidentalmente por encima de sus límites de diseño. Las chavetas de corte pueden ser de cualquiera de los diseños descritos anteriormente, pero están hechas de un material más débil que el eje. La chaveta de corte se reemplaza de manera fácil y económica, y evita daños más graves al mecanismo que serían costosos o difíciles de reparar. Por ejemplo, un eje y una polea de acero pueden utilizar una chaveta de latón. Cuando se aplica un par excesivo a la unión, los bordes de acero cortan la chaveta de latón en dos piezas, lo que hace que la polea gire libremente sobre el eje y alivia el resto de la máquina de posibles daños.

Se pueden utilizar dos chavetas paralelas si la conexión del eje requiere un par de torsión mayor. ^[3]

Las chaveteros maquinados incorrectamente en los que se produjo deflexión o desplazamiento de la herramienta de corte pueden no ser lo suficientemente resistentes para la aplicación requerida. ^[12]

• Enganche

• Leonard, William Samuel (1919) [1905]. Machine-shop Tools and Methods (7.ª edición revisada). Nueva York: John Wiley & Sons. págs. 39–42. OCLC  848146647. Consultado el 30 de abril de 2019 .

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• Llaves y chaveteros métricos estándar
• Tamaños de clave recomendados por ASME para unidades basadas en pulgadas
• ¿Qué es el keyseating?
• Artículo clave conjunto de la Gran Enciclopedia Soviética de 1979
• Dibujo y dimensiones estándar de llaves Gardette