En el mundo de la ingeniería y el diseño de productos, cada detalle cuenta. Uno de los elementos cruciales en muchas piezas y dispositivos mecánicos es el eje, el cual permite la transmisión de fuerza y movimiento. Sin embargo, existe un debate entre dos opciones: el eje hueco y el eje macizo. ¿Cuál es mejor? En este artículo, exploraremos las ventajas y desventajas de ambos para descubrir por qué el eje hueco puede ser la elección óptima en muchos casos. Descubre por qué esta pequeña diferencia puede marcar una gran diferencia en la eficiencia y rendimiento de tus productos y maquinarias. ¡Continúa leyendo para aprender más sobre este fascinante tema!
¿Se ha preguntado alguna vez por qué muchas aplicaciones implican principalmente ejes huecos en lugar de ejes macizos? ¿Por qué el eje hueco es mejor que el eje macizo? Veamos que los ejes huecos son mejores que los ejes macizos.
La distinción entre eje hueco y eje macizo se puede realizar en función de dos propiedades mecánicas principales. Estas son resistencias a flexión y torsión. A continuación se muestran los puntos de comparación suponiendo que ambos ejes deberían tener el mismo peso.
- Como puede ver en las ilustraciones transversales de ejes huecos y ejes macizos anteriores, el diámetro del eje hueco es mayor que el de un eje macizo y requiere más espacio para el mismo peso.
- Por lo tanto, el eje hueco tiene una mayor resistencia que el eje macizo para el mismo peso del eje.
- El eje hueco es mucho más rígido que el eje macizo del mismo peso.
- La frecuencia natural de un eje hueco es mayor que la de un eje macizo para el mismo peso.
- Producir un eje hueco es más caro que producir un eje macizo.
- Los ejes huecos tienen un momento de inercia más polar, lo que les permite transmitir más par que los ejes macizos.
- Los ejes huecos no pueden transmitir más potencia, pero la relación potencia-peso es mejor para los ejes huecos que para los ejes macizos.
- Los ejes macizos son más fuertes que los ejes huecos bajo cargas de flexión.
Como puede ver, muchos de los modelos avanzados son del lado del eje hueco… excepto uno donde la resistencia a la flexión de los ejes sólidos es mejor en comparación con los ejes huecos.
¿Qué eje deberías elegir? ¿Eje hueco o eje macizo?
Aplicaciones de eje hueco
Para aplicaciones estructurales como la jaula antivuelco de un vehículo todoterreno, el eje hueco es mejor que los ejes sólidos porque puede soportar las mismas cargas que un eje sólido con menos peso.
Además, se prefieren los ejes huecos cuando se requiere el tipo de eje que soporta carga, ya que tienen mayor rigidez y pueden soportar momentos de flexión ligeramente mayores en comparación con los ejes macizos del mismo peso.
Aplicaciones de onda completa
Mientras que el eje macizo es más adecuado para aplicaciones de transmisión de potencia, como ejes de transmisión, en comparación con el eje hueco.
Debes haber notado que todos los ejes utilizados para transmitir torque, como los cigüeñales y los ejes de transmisión, son ejes macizos. El eje macizo siempre es mejor porque tiene mayor rigidez torsional.
Por favor habilite JavaScript
Además, las aplicaciones requieren un momento de flexión crítico muy bajo, por lo que se prefieren los ejes sólidos; de lo contrario, la mayoría de los ejes son huecos.
Resolvamos un ejemplo para comparar el peso, la resistencia y la rigidez del eje macizo y del eje hueco con el mismo diámetro exterior y descubramos qué diseño es mejor.
Problema de ejemplo comparando un eje hueco con un eje macizo del mismo diámetro
Compare el peso, la resistencia y la rigidez de un eje hueco con el mismo diámetro exterior que un eje macizo. El diámetro interior del eje hueco es la mitad del diámetro exterior. Ambos ejes tienen el mismo material y la misma longitud.
Respuesta:
Decimos
Doh = diámetro exterior del eje hueco
DI = diámetro interior del eje hueco
d = diámetro del eje macizo
Siempre que tanto el eje hueco como el eje macizo tengan el mismo diámetro exterior. Podemos escribir
Doh = re
DI = reoh / 2
k = reI / Doh = 1/2 = 0,5
1. Comparación del peso del eje hueco con el eje macizo del mismo diámetro
Sabemos el peso de un eje hueco.
W.h = área de la sección transversal × longitud × densidad
W.h= (π/4) × [ ( do )-( di )2 ] × Longitud × Densidad
El peso del eje macizo.
W.S = (π/4) × re2 × Longitud × Densidad
Dado que estamos comparando el peso del mismo diámetro de un eje hueco y un eje macizo, también asumimos que ambos ejes están hechos del mismo material y tienen la misma longitud.
Entonces dividamos el peso del eje hueco por el peso del eje sólido y establezcamos doh = d, obtenemos
= 1 – k2
= 1–(0,5)2
= 0,75
La relación de peso entre el eje hueco y el eje macizo es de 0,75:1.
En pocas palabras, el eje hueco es un 25% más ligero que el eje macizo con el mismo diámetro exterior y longitud, y ambos ejes están hechos del mismo material.
2. Comparación de la resistencia de un eje hueco con un eje macizo del mismo diámetro
Conocemos la resistencia del eje hueco.
th = (π/16) × τ (es deciroh)3 (1-k4)
y fuerza del eje sólido,
tS = (π/16) × τ ×d3
Como comparamos la resistencia de ejes huecos y ejes macizos con el mismo diámetro, también asumimos que ambos ejes están hechos del mismo material y tienen la misma longitud.
Así que dividamos la resistencia del eje hueco por la resistencia del eje sólido y establezcamos doh = d, obtenemos
= 1 – k4
= 1 – (0,5)4
= 0,9375
La relación de resistencia del eje hueco al eje macizo es 0,9375:1
En pocas palabras, el eje hueco tiene una resistencia de casi el 93,75% de la resistencia del eje macizo con el mismo diámetro exterior y longitud, y ambos ejes están hechos del mismo material.
3. Comparación de la rigidez del eje hueco con la del eje macizo del mismo diámetro
Conocemos esta relación de rigidez a partir de la ecuación de torsión.
La rigidez de un eje hueco es
Sh = G/L × (π/32) [ (do)4– (di)4]
La rigidez de un eje completo.
SS = G/L × (π/32) × d4
Como comparamos la rigidez de ejes huecos y ejes macizos con el mismo diámetro, también asumimos que ambos ejes están hechos del mismo material y tienen la misma longitud.
Así que dividamos la rigidez del eje hueco por la rigidez del eje sólido y establezcamos doh = d, obtenemos
= 1-k4
= 1 – (0,5)4
= 0,9375
La relación de rigidez del eje hueco con respecto al eje macizo es 0,9375:1
En pocas palabras, el eje hueco tiene una rigidez de casi el 93,75% de la rigidez del eje macizo con el mismo diámetro exterior y longitud, y ambos ejes están hechos del mismo material.
Diploma
Un eje hueco no siempre es mejor que un eje macizo. Pero el eje hueco tiene importantes ventajas respecto al eje macizo que debemos tener en cuenta. Por este motivo, creemos que el eje hueco es más adecuado que el eje macizo para muchas aplicaciones.
¿Por qué un eje hueco es mejor que un eje sólido?
¿Alguna vez te has preguntado por qué la mayoría de las veces has visto que muchas aplicaciones utilizan ejes huecos en lugar de ejes sólidos? En este artículo, exploraremos las razones por las cuales los ejes huecos son mejores que los ejes sólidos.
Diferencias entre los ejes huecos y los ejes sólidos
La diferencia entre un eje hueco y un eje sólido se puede explicar a través de dos propiedades mecánicas principales: la resistencia a la flexión y la torsión. A continuación, se presentan puntos de comparación asumiendo que ambos ejes tienen el mismo peso:
- Como se puede observar en las representaciones de los ejes huecos y sólidos anteriores, el diámetro del eje hueco es mayor que el del eje sólido y requiere más espacio para obtener el mismo peso. Por lo tanto, el eje hueco tendrá mayor resistencia que el eje sólido con la misma cantidad de peso.
- El eje hueco es mucho más rígido que el eje sólido del mismo peso.
- La frecuencia natural del eje hueco será mayor que la del eje sólido del mismo peso.
- La fabricación de ejes huecos es más costosa que la producción de ejes sólidos.
- Los ejes huecos tienen un momento de inercia polar mayor, lo que les permite transmitir más torsión que los ejes sólidos.
- Los ejes huecos no pueden transferir más potencia, pero la relación potencia-peso de los ejes huecos es mayor en comparación con los ejes sólidos.
- Los ejes sólidos, cuando se someten a flexión, son más fuertes que los ejes huecos.
Como se puede ver, muchas de las ventajas se encuentran del lado de los ejes huecos… excepto una, que es la resistencia a la flexión de los ejes sólidos, que es mejor en comparación con los ejes huecos.
¿Qué tipo de eje debes elegir? ¿Eje hueco o eje sólido?
Aplicaciones de ejes huecos:
Para aplicaciones estructurales como jaulas de seguridad para vehículos todo terreno, los ejes huecos son mejores que los ejes sólidos ya que pueden soportar las mismas cargas que un eje sólido con un peso inferior. Además, los ejes huecos se prefieren en situaciones en las que es necesario soportar cargas, ya que tienen una mayor rigidez y pueden resistir momentos de flexión ligeramente superiores en comparación con los ejes sólidos del mismo peso.
Aplicaciones de ejes sólidos:
Por otro lado, los ejes sólidos son mejores para aplicaciones de transmisión de potencia, como árboles de transmisión en comparación con los ejes huecos. Esto se debe a que los ejes sólidos tienen una mayor rigidez torsional, lo cual es beneficioso en aplicaciones de transmisión de torque, como cigüeñales y árboles de transmisión. También se prefieren los ejes sólidos en aplicaciones donde las cargas de flexión son mínimas.
Comparación del peso, resistencia y rigidez
A continuación, presentaremos una comparación entre un eje hueco y un eje sólido del mismo diámetro externo para determinar cuál de los diseños es mejor.
Ejemplo de problema: Comparación de un eje hueco y un eje sólido del mismo diámetro
Compararemos el peso, la resistencia y la rigidez de un eje hueco del mismo diámetro externo que un eje sólido. El diámetro interno del eje hueco es la mitad del diámetro externo. Ambos ejes tienen el mismo material y longitud.
Respuesta:
Supongamos:
do = Diámetro externo del eje hueco
di = Diámetro interno del eje hueco
d = Diámetro del eje sólido
Tenemos las siguientes relaciones:
do = d
di = do / 2
k = di / do = 1 / 2 = 0.5
Comparación del peso del eje hueco con el eje sólido del mismo diámetro
Sabemos que el peso de un eje hueco se calcula utilizando el área de la sección transversal, la longitud y la densidad:
Peso del eje hueco (WH) = (π/4) × [(do)-(di)²] × Longitud × Densidad
Peso del eje sólido (WS) = (π/4) × d² × Longitud × Densidad
Dividiendo el peso del eje hueco entre el peso del eje sólido y sustituyendo do = d, obtenemos:
0.75
La relación de peso del eje hueco al eje sólido es 0.75:1. En otras palabras, el eje hueco pesa un 25% menos que el eje sólido del mismo diámetro externo, longitud y fabricado con el mismo material.
Comparación de la resistencia del eje hueco con el eje sólido del mismo diámetro
Sabemos que la resistencia del eje hueco se calcula utilizando la fórmula:
Resistencia del eje hueco (Th) = (π/16) × τ × (do)³ × (1-k⁴)
Y la resistencia del eje sólido se calcula utilizando la fórmula:
Resistencia del eje sólido (TS) = (π/16) × τ × d³
Dividiendo la resistencia del eje hueco entre la resistencia del eje sólido y sustituyendo do = d, obtenemos:
0.9375
La relación de resistencia del eje hueco al eje sólido es de aproximadamente 0.9375:1. En otras palabras, el eje hueco tiene una resistencia equivalente al 93.75% de la resistencia del eje sólido del mismo diámetro externo, longitud y fabricado con el mismo material.
Comparación de la rigidez del eje hueco con el eje sólido del mismo diámetro
Sabemos que la rigidez del eje hueco se calcula utilizando la fórmula:
Rigidez del eje hueco (SH) = G/L × (π/32) × [(do)⁴ – (di)⁴]
Y la rigidez del eje sólido se calcula utilizando la fórmula:
Rigidez del eje sólido (SS) = G/L × (π/32) × d⁴
Dividiendo la rigidez del eje hueco entre la rigidez del eje sólido y sustituyendo do = d, obtenemos:
0.9375
La relación de rigidez del eje hueco al eje sólido es de aproximadamente 0.9375:1. En otras palabras, el eje hueco tiene una rigidez equivalente al 93.75% de la rigidez del eje sólido del mismo diámetro externo, longitud y fabricado con el mismo material.
Conclusión
Un eje hueco no siempre es mejor que un eje sólido, pero tiene varias ventajas importantes que debemos considerar. Esto explica por qué creemos que el eje hueco es mejor que el eje sólido en muchas aplicaciones. Sin embargo, es importante tener en cuenta la resistencia a la flexión cuando se elige el tipo de eje a utilizar.
Aprende más sobre ejes huecos y sólidos en los siguientes enlaces:
Esperamos que este artículo te haya ayudado a comprender por qué los ejes huecos son mejores que los ejes sólidos en muchas aplicaciones. No dudes en ponerte en contacto con nosotros si tienes alguna pregunta adicional.