Entre el motor y la máquina accionada hay un componente que suele recibir poca atención en el diseño y mucha en el mantenimiento: el acoplamiento. Su función es transmitir el par entre ambos ejes y, al mismo tiempo, absorber las imperfecciones inevitables del montaje y de la operación. Un acoplamiento bien seleccionado protege rodamientos, sellos y ejes; uno mal seleccionado traslada a ellos esfuerzos y vibraciones que acortan su vida útil. Este artículo describe los principios de funcionamiento de las principales familias de acoplamientos y los criterios técnicos para seleccionarlos.
Funciones de un acoplamiento
Además de transmitir el par y la velocidad, un acoplamiento puede cumplir una o varias de las siguientes funciones:
- Compensar desalineamientos entre los ejes, que se clasifican en tres tipos. El desalineamiento paralelo (parallel offset) corresponde a la distancia entre las líneas de centro de dos ejes paralelos que no son colineales; el angular, al ángulo formado entre las prolongaciones de ambas líneas de centro [1], y el axial, al desplazamiento de los ejes en su propia dirección, causado por la dilatación térmica o el juego axial de la máquina.
- Amortiguar vibraciones torsionales y choques de carga, mediante elementos elásticos que almacenan y disipan energía.
- Modificar el comportamiento torsional del sistema, desplazando sus frecuencias naturales fuera del rango de operación.
- Limitar el par transmitido ante una sobrecarga, para proteger la máquina.
Principios de funcionamiento
Acoplamientos rígidos
Unen ambos ejes como si fueran uno solo, mediante bridas o manguitos. No admiten desalineamientos, por lo que exigen una alineación muy precisa y una estructura de soporte rígida.
Acoplamientos flexibles de contacto mecánico
Compensan el desalineamiento mediante el deslizamiento entre piezas metálicas. En el acoplamiento de engranajes, el par se transmite y el desalineamiento se acomoda por el movimiento relativo de balanceo y deslizamiento entre dientes con perfil abombado [1]. Los acoplamientos de rejilla y de cadena operan con un principio similar. Ofrecen una alta densidad de par, es decir, mucho par en un tamaño reducido, pero requieren lubricación periódica.
Acoplamientos de elemento metálico flexible
Obtienen su flexibilidad de la deformación elástica de discos, diafragmas o eslabones metálicos delgados [1]. No tienen piezas que se deslicen, por lo que no requieren lubricación y no presentan desgaste en condiciones normales. Son torsionalmente rígidos y sin juego, lo que los hace adecuados tanto para turbomáquinas como para servoaccionamientos. Una variante de baja potencia es el acoplamiento de fuelle, usado en ejes de posicionamiento y encoders.
Acoplamientos elastoméricos
El par se transmite a través de un elemento de caucho, poliuretano u otro elastómero: estrellas entre mordazas, neumáticos, manguitos o bujes sobre pernos. El elastómero compensa desalineamientos, amortigua choques y vibraciones torsionales, y aísla eléctricamente los ejes. Su contraparte es una menor rigidez torsional y la sensibilidad del material a la temperatura, los aceites y el envejecimiento. Muchos diseños son a prueba de falla (fail-safe): si el elemento elástico se destruye, las mordazas metálicas siguen transmitiendo el par.
Acoplamientos hidrodinámicos
En un acoplamiento hidrodinámico, o turboacoplamiento, no existe contacto mecánico entre la entrada y la salida. El rotor conductor, solidario al motor, actúa como bomba e impulsa un fluido, normalmente aceite, hacia el rotor conducido, que actúa como turbina. La transmisión del par requiere una diferencia de velocidad entre ambos rotores, denominada deslizamiento. Este principio permite un arranque suave de cargas de alta inercia, ya que el motor alcanza su velocidad con baja carga y el par se transfiere en forma progresiva. Además, limita el par transmitido ante un bloqueo de la carga. Se aplica en correas transportadoras, chancadores y molinos.
Acoplamientos magnéticos y limitadores de par
Los acoplamientos magnéticos transmiten el par mediante imanes permanentes a través de una pared que separa ambos ejes; en bombas de arrastre magnético permiten eliminar el sello mecánico. Los limitadores de par, por su parte, desacoplan o hacen deslizar la carga cuando el par supera un valor ajustado, y protegen la máquina ante atascamientos.
Criterios de selección
Par y factor de servicio
El primer criterio es el par. El par nominal del acoplamiento debe cubrir el par de régimen de la aplicación, multiplicado por un factor de servicio que considera las condiciones fuera de diseño, las variaciones cíclicas y otras fluctuaciones [1]. La norma AGMA 922 clasifica las cargas como uniformes, de choque moderado o de choque severo, y asocia a cada aplicación un factor de servicio típico [2]. La norma ISO 14691 recomienda valores que van desde 1,2 hasta 2,5, según el tipo de equipo accionado [1].
Además del par de régimen, deben verificarse los pares máximos de corta duración: el arranque directo, los cortocircuitos en bornes del motor, las inversiones de giro y los atascamientos. En acoplamientos elásticos, la norma DIN 740-2 define los parámetros que caracterizan su comportamiento, como el par nominal, el par máximo, la rigidez torsional y la amortiguación [3].
Velocidad y balanceo
Cada acoplamiento tiene una velocidad máxima admisible, determinada por la resistencia de sus componentes a la fuerza centrífuga. A velocidades elevadas, el desbalance del acoplamiento se suma al del rotor, por lo que puede requerirse un grado de balanceo específico.
Desalineamiento admisible
El acoplamiento debe tolerar los desalineamientos esperados, incluido el crecimiento térmico de las máquinas en operación. Sin embargo, que un acoplamiento admita un desalineamiento no significa que la máquina lo tolere: las fuerzas de reacción que genera se transmiten a los rodamientos. Por ello, la alineación debe realizarse con un método y tolerancias definidos, como los que establece la norma ANSI/ASA S2.75-1 [4].
Comportamiento torsional
En servoaccionamientos y ejes de posicionamiento se privilegia una alta rigidez torsional y la ausencia de juego, para que la posición medida en el motor corresponda a la posición real de la carga y el lazo de control sea estable. En accionamientos con motores de combustión, compresores alternativos o cargas con choques, en cambio, puede ser conveniente un acoplamiento elástico que desplace las frecuencias naturales torsionales y amortigüe las vibraciones. En estos casos, se recomienda un análisis torsional del sistema completo.
Inercia
La inercia del acoplamiento se suma a la de la carga reflejada en el eje del motor. En aplicaciones con ciclos rápidos de aceleración y frenado, un acoplamiento de baja inercia reduce el par de aceleración requerido.
Ambiente y mantenimiento
La temperatura, la presencia de aceites, químicos o radiación UV, y la clasificación de áreas con atmósferas explosivas condicionan la elección del material y del tipo de acoplamiento. También debe considerarse la facilidad de mantenimiento: algunos diseños con espaciador permiten reemplazar el elemento flexible o retirar el rodete de una bomba sin desplazar el motor ni la máquina accionada.
Aplicaciones de proceso críticas
En las industrias del petróleo, petroquímica y gas natural, la norma ISO 14691 especifica los requisitos para los acoplamientos flexibles de uso general, de engranajes, de elemento metálico flexible y elastoméricos, para velocidades de hasta 4.000 rpm [1]. Para las máquinas grandes o de alta velocidad que operan en forma continua por períodos prolongados, la norma ISO 10441, equivalente a API 671, establece requisitos para los acoplamientos de propósito especial [5].
Resumen de características
| Familia | Compensación de desalineamiento | Rigidez torsional | Amortiguación | Lubricación | Aplicación típica |
|---|---|---|---|---|---|
| Rígido | Nula | Muy alta | No | No | Ejes alineados en estructura común |
| Engranajes, rejilla, cadena | Alta | Alta | Baja (rejilla: media) | Sí | Cargas pesadas, alta densidad de par |
| Elemento metálico flexible | Media | Alta, sin juego | No | No | Turbomáquinas, servoaccionamientos |
| Elastomérico | Media a alta | Baja a media | Alta | No | Bombas, ventiladores, cargas con choques |
| Hidrodinámico | La aporta un acoplamiento flexible asociado | No aplica (con deslizamiento) | Alta | Fluido interno | Arranque suave de cargas de alta inercia |
| Magnético | Baja | Media | Baja | No | Bombas sin sello |
Conclusión
La selección del acoplamiento influye directamente en la confiabilidad del tren de accionamiento. Conocer el principio de funcionamiento de cada familia permite elegir según la aplicación: transmitir el par con el factor de servicio adecuado, compensar desalineamientos sin sobrecargar los rodamientos y entregar la rigidez o la amortiguación torsional requerida. Una selección correcta, complementada con una alineación precisa, se traduce en menos vibraciones, menos fallas y una mayor vida útil de los equipos.
Sigue leyendo
Este artículo es parte de nuestra guía de accionamientos eléctricos.
- Capacitación: Curso de mantención de accionamientos G120
- Proyectos y soporte en terreno: Nuestros servicios · Solicite una cotización para su proyecto
- Artículos relacionados: Perfiles de carga · Medición de velocidad y posición
Referencias
[1] ISO. ISO 14691:2008 – Petroleum, petrochemical and natural gas industries – Flexible couplings for mechanical power transmission – General-purpose applications. www.iso.org
[2] AGMA. AGMA 922-A96 – Load Classification and Service Factors for Flexible Couplings. American Gear Manufacturers Association, 1996.
[3] DIN. DIN 740-2 – Antriebstechnik; Nachgiebige Wellenkupplungen; Begriffe und Bemessungsgrundlagen (Power transmission engineering; flexible shaft couplings; parameters and design principles).
[4] ASA. ANSI/ASA S2.75-2017/Part 1 – Shaft Alignment Methodology, Part 1: General Principles, Methods, Practices, and Tolerances. Acoustical Society of America.
[5] ISO. ISO 10441:2007 – Petroleum, petrochemical and natural gas industries – Flexible couplings for mechanical power transmission – Special-purpose applications. www.iso.org