Diferencias entre ajuste a presión y ajuste deslizante en la fabricación

Los ajustes de ingeniería son una consideración importante para crear ensamblajes mecánicos que funcionen bien. Por lo tanto, los ingenieros de diseño deben comprender los matices entre los diferentes tipos de ajustes de ingeniería.

Este artículo presentará una explicación detallada de ajuste deslizante vs ajuste a presión para aclarar sus diferencias, que a menudo son fuente de confusión.

¿Qué es un ajuste a presión?

Un ajuste a presión, también conocido como ajuste de interferencia, es un tipo de ajuste de ingeniería donde los componentes acoplantes se mantienen firmemente uno contra otro mediante fricción. Las piezas tienen una interferencia intencional entre la superficie acoplante, que es la causa de esta cantidad excesiva de fricción.

Consideremos el ajuste del eje y cubo estándar para mayor claridad. Cuando un cubo necesita ajustarse firmemente sobre un eje para restringir los movimientos laterales y de rotación, su agujero se mantiene intencionalmente ligeramente más pequeño que el diámetro exterior del eje. Esto se llama interferencia positiva o juego negativo.

La cantidad de ajuste a presión se comunica al departamento de fabricación a través de planos de ingeniería, que luego deben ser mantenidos por los operarios. Un ejemplo práctico de esto es el ensamblaje de cojinetes en ejes, donde el mecanizado del eje es crítico según las dimensiones del ajuste a presión.

Ejemplo de ajuste a presión

Ejemplos de la vida real de procedimientos de diseño de ajuste a presión y ajuste deslizante y cálculos de ingeniería serán beneficiosos para diferenciar entre ajuste deslizante vs ajuste a presión. Después de determinar que su diseño requiere un ajuste a presión, la primera decisión para un ingeniero es elegir una clase de tolerancia y un sistema de base adecuados según la aplicación del ensamblaje.

Respecto al sistema de base, existe un sistema de base agujero o un sistema de base eje. El sistema de base agujero toma el tamaño del agujero como referencia (fijo) y sugiere el rango de tolerancia de ingeniería apropiado para el eje. El sistema de base eje, por otro lado, es lo opuesto.

Además, la clase de tolerancia depende de cuán ajustado deba ser el ajuste. El cuadro a continuación muestra varias clases de tolerancia para diferentes ajustes de ingeniería, tanto para la base agujero como para la base eje.

Volvamos al ejemplo cojinete-eje citado antes. La figura a continuación muestra que el anillo interior del cojinete requiere un ajuste de interferencia con el eje. En este caso, dado que el tamaño del cojinete es estándar, el sistema de base agujero es aplicable, ya que el tamaño del eje es ajustable.

Ahora, suponiendo que el ingeniero opta por un ajuste de interferencia de tipo forzado (H7/u6) y suponiendo que el diámetro exterior del cojinete es 25 mm, la tolerancia del ajuste a presión en el agujero debe ser +48/-35 μm según el cuadro de tolerancias de base eje de la norma ISO 286.

¿Cómo calcular la fuerza de ajuste a presión?

Podemos ir un paso más allá y realizar cálculos de ingeniería para hallar los requisitos de fuerza para ensamblar/desensamblar los componentes. Además, también podemos hallar el par de agarre del ensamblaje final, que es necesario conocer en condiciones de carga exigentes.

Presión en la interfaz de acoplamiento

Para calcular la presión en la interfaz de acoplamiento, se aplica la siguiente fórmula:

Los términos y sus respectivos valores para nuestro caso eje-cojinete son:

Símbolo	Significado	Valor
p	Presión	11,98 MPa
δ	Interferencia radial entre eje y cubo	+10 μm
d	Diámetro nominal	25 mm
do	Diámetro exterior del cubo	27 mm
di	Diámetro interior del eje	0 mm
Eo	Módulo de Young del cubo	210 GPa
Ei	Módulo de Young del eje	210 GPa
νo	Coeficiente de Poisson del cubo	0,25
νi	Coeficiente de Poisson del eje	0,25

Para simplificar los cálculos, suponemos que tanto el anillo exterior del cojinete como el eje están hechos de acero. También usamos valores arbitrarios para algunas de las otras dimensiones desconocidas. Además, suponemos que la interferencia radial es de 10 μm, que está dentro de la tolerancia del ajuste a presión del cuadro.

Introduciendo todos los valores en la fórmula se obtiene una presión de 11,98 MPa. Suponiendo que las interfaces de acoplamiento son perfectamente lisas (imposible, por supuesto), esta presión se aplica uniformemente en toda la interfaz de acoplamiento. Así, este valor se vuelve aplicable al valor Pmax que usaremos en el siguiente cálculo.

Fuerza de retención axial

Para calcular la fuerza de retención axial (fuerza de ensamblaje/desensamblaje), podemos usar la fórmula:

Como antes, la explicación de los valores está en la tabla siguiente. El área de contacto se calcula suponiendo que el cojinete tiene un ancho de 10 mm.

Símbolo	Significado	Valor
F	Fuerza de retención axial	564,6 N
μ	Coeficiente de fricción	0,3
Pmax	Presión máxima	11,98 MPa
w	Ancho del cojinete	10 mm
A	Área de contacto	157,1 mm2

La fuerza de retención axial para esta configuración es de 564,6 N. Esta es la fuerza que el fabricante necesita usar como referencia al ensamblar/desensamblar el cojinete en el eje. Además, la carga axial sobre el cojinete tampoco debe exceder este valor para evitar la dislocación del anillo interior.

¿Cómo se logra el ajuste a presión?

Ensamblar correctamente un ajuste a presión es una tarea que requiere habilidad y atención. Dado que hay una interferencia entre las piezas acoplantes debido a las dimensiones del ajuste a presión, su ensamblaje no es tan simple como, por ejemplo, apretar una tuerca en un perno.

Generalmente, hay dos métodos populares para lograr un ajuste a presión.

1. Fuerza: Las piezas se colocan una frente a la otra, con una pieza fija y una móvil. La fuerza de ensamblaje calculada en la sección anterior se aplica a la pieza móvil, lo que la obliga a ser presionada sobre/dentro de la pieza fija, logrando así un ajuste a presión como resultado.

Este método se basa en la fuerza bruta y generalmente requiere que una de las piezas tenga un chaflán (típicamente entre 10º y 30º en una de sus esquinas acoplantes para facilitar el ensamblaje.

2. Expansión/contracción térmica: El otro método, más aplicable en ajustes a presión muy ajustados o precisos, es el uso de calor. En este método, o bien el cubo se calienta hasta un punto en que se expande térmicamente lo suficiente para deslizarse fácilmente sobre el eje, o bien el eje se enfría a una temperatura que se contrae lo suficiente para deslizarse dentro del cubo. Este último método también se denomina ajuste por contracción.

Una vez que el ensamblaje está en posición, los componentes regresan gradualmente a la temperatura ambiente. La expansión/contracción térmica resultante crea el ajuste a presión.

¿Qué es un ajuste deslizante?

Avancemos en esta comparación de ajuste deslizante vs ajuste a presión. Los componentes de un ensamblaje de ajuste deslizante son libres de moverse relativamente entre sí, a diferencia de los ajustes a presión donde los componentes están bloqueados. Sin embargo, el rango de movimiento sigue estando bastante restringido. Imagine la bisagra de una puerta, donde la bisagra y su pasador giran libremente pero solo dentro de un rango de movimiento definido.

Mecánicamente, la idea es dejar un pequeño juego/espacio entre las superficies acoplantes para que puedan deslizarse fácilmente una sobre otra. Otro nombre para el juego es interferencia negativa al definir la tolerancia del ajuste deslizante.

Los ajustes deslizantes son relativamente más fáciles de evaluar desde una perspectiva de ingeniería. Como no hay un nivel excesivo de fricción debido a la falta de deformación elástica en la zona de acoplamiento, es más fácil calcular la presión y la fuerza.

Ejemplo de ajuste deslizante

Las dimensiones del ajuste deslizante pueden tomarse directamente de un cuadro de tolerancias. Podemos referirnos a nuestro ejemplo de cojinete de la sección de ajuste a presión. El anillo exterior del cojinete tiene un ajuste con juego con el alojamiento.

En este caso, el sistema de base eje es aplicable, ya que el tamaño del anillo del cojinete es constante mientras que el agujero en el alojamiento/cubo es ajustable.

Supongamos que los ingenieros de diseño decidieron usar un ajuste deslizante de tipo deslizante (H7/g6) para ubicar correctamente el cojinete dentro del cubo manteniendo también la facilidad de movimiento y ensamblaje. Como antes, hallamos la tolerancia del ajuste deslizante en un cuadro estándar.

Suponiendo que el anillo exterior del cojinete tiene un diámetro nominal de 30 mm, la norma ISO 286 da un rango de tolerancia de ajuste deslizante de +21/-0 μm. Aunque aparentemente es un valor muy pequeño, marca una gran diferencia en la eficiencia de funcionamiento y la vida útil del ensamblaje.

¿Cómo se logra el ajuste deslizante?

Al igual que los cálculos del ajuste deslizante, el ensamblaje del ajuste deslizante también es más conveniente que el de los ajustes a presión. Los métodos generales para ensamblar un ajuste deslizante son:

1. Fuerza: Para ajustes deslizantes con una pequeña cantidad de juego o interferencia, es aplicable el método tradicional de aplicar fuerza mecánica. Al igual que con los ajustes a presión, las piezas se colocan en la posición correcta y se aplica fuerza a través de una máquina apropiada.

2. A mano: Como la mayoría de los ajustes deslizantes no tienen interferencia, los componentes acoplantes simplemente se deslizan uno dentro del otro sin ninguna fuerza externa. En estos casos, los fabricantes realizan el ensamblaje a mano.

Diferencias entre ajuste a presión y ajuste deslizante

Redondeemos toda esta discusión y reduzcámosla a unos pocos puntos. Las diferencias entre ajuste deslizante vs ajuste a presión no son muchas, pero sí crean una gran diferencia en cómo funciona el ensamblaje.

Interferencia/Juego

La diferencia obvia entre estos dos ajustes de ingeniería es que las dimensiones del ajuste a presión crean una interferencia entre las piezas acoplantes y las dimensiones del ajuste deslizante crean un juego.

Otra forma de decirlo es que en un ajuste a presión, el agujero es más pequeño que el eje, razón por la cual se requiere fuerza para ensamblarlos. Para los ajustes deslizantes, el agujero es más grande que el eje y se desliza fácilmente sobre él.

Grados de libertad

Otra diferencia importante entre ambos está en los grados de libertad de movimiento de los componentes acoplantes. En un ajuste a presión, las piezas acoplantes se bloquean rígidamente entre sí, impidiendo cualquier tipo de movimiento en cualquier dirección.

Para los ajustes deslizantes, por otro lado, hay movimiento relativo entre los componentes. Por ejemplo, en un sistema pistón-cilindro, el pistón se mueve libremente a lo largo del eje del cilindro. Sin embargo, el ajuste deslizante todavía restringe los otros dos movimientos laterales.

Deformación mecánica

La deformación mecánica es otro punto de diferencia en la comparación de ajuste deslizante vs ajuste a presión. Generalmente, las piezas acoplantes en un ajuste a presión sufren deformación física en las superficies acoplantes. En la mayoría de los casos, es deformación elástica, pero la deformación plástica también puede ocurrir para ajustes muy ajustados o con materiales plásticos con poca resistencia a la fluencia.

Por el contrario, los componentes de ajuste deslizante no se deforman debido al juego positivo en la tolerancia del ajuste deslizante. Puede haber algo de desgaste superficial con el tiempo debido a la acción de deslizamiento, pero eso es todo.

Ensamblaje y desensamblaje

El ensamblaje y desensamblaje de los ajustes a presión son más difíciles debido al requisito de fuerza y de expansión/contracción térmica.

Los fabricantes tienen muchos más parámetros que controlar, como las temperaturas, los puntos de aplicación de calentamiento/enfriamiento, la fuerza y la tolerancia al impacto de los materiales. Además, también existe la posibilidad de dañar los componentes del ensamblaje durante el proceso. Por ejemplo, una fuerza alta o mal dirigida a veces puede dañar los cojinetes durante el ensamblaje.

Por otro lado, los ajustes deslizantes son más fáciles de ensamblar. Normalmente, es posible el ensamblaje a mano, que es rápido, fácil y menos arriesgado.

Fabricabilidad

Los ajustes a presión pueden requerir una fabricación más precisa para lograr la interferencia necesaria. Como vimos en la sección de cálculos, la tolerancia del ajuste a presión es crítica para un ajuste a presión exitoso. Pequeños cambios en las dimensiones del ajuste a presión pueden conducir a niveles de presión insostenibles y a fallos posteriores.

Los ajustes deslizantes proporcionan más flexibilidad en las tolerancias de fabricación, lo que los hace algo más fáciles de lograr sin requerir tolerancias extremadamente estrechas. La precisión de fabricación, sin embargo, sigue siendo un requisito fundamental. Toda la interfaz debe estar en el nivel de tolerancia correcto para permitir un movimiento de deslizamiento suave; de lo contrario, las piezas pueden bloquearse, desalinearse o quedar demasiado sueltas.

Aplicaciones

Las diferentes aplicaciones son un punto principal en la discusión de ajuste deslizante vs ajuste a presión. Como era de esperar, ambos tienen aplicaciones muy diferentes.

Los ajustes a presión son útiles para conexiones rígidas y permanentes con movimiento relativo mínimo o nulo entre las piezas. Los ejemplos incluyen cojinetes, casquillos y ciertos componentes estructurales.

Los ajustes deslizantes son preferibles cuando los diseñadores requieren facilidad de ensamblaje y desensamblaje o cierto grado de movimiento entre las piezas. Las aplicaciones de los ajustes deslizantes incluyen alojamientos, bisagras, pivotes y sistemas de pistón-cilindro.

Vista rápida: cuadro de diferencias entre ajuste a presión y ajuste deslizante

Ajuste a presión	Ajuste deslizante
La tolerancia del ajuste a presión tiene interferencia positiva/juego negativo.	La tolerancia del ajuste deslizante tiene interferencia negativa/juego positivo.
El ensamblaje es rígido y no permite movimiento relativo entre los componentes acoplantes.	El ensamblaje permite movimiento relativo de deslizamiento/rotación entre los componentes acoplantes.
Las piezas acoplantes experimentan deformación elástico-plástica.	No hay deformación mecánica de los componentes acoplantes.
El ensamblaje/desensamblaje es difícil debido a la aplicación de fuerza y expansión/contracción térmica.	El ensamblaje/desensamblaje es fácil y a menudo se hace a mano.
Difícil de fabricar debido a las tolerancias estrechas.	Más fácil de fabricar debido a la flexibilidad en el mantenimiento de la tolerancia.
Adecuado para aplicaciones que requieren rigidez y ningún movimiento relativo entre los componentes.	Adecuado para aplicaciones que requieren movimiento relativo entre las piezas y un ensamblaje y desensamblaje fácil.

Conclusión

Los ajustes de ingeniería se encuentran entre los conceptos más cruciales en el diseño y la fabricación. Esta discusión sobre ajuste deslizante vs ajuste a presión arrojó luz sobre varios aspectos del tema, incluidos sus usos, análisis de ingeniería y comparación. Está claro que elegir el ajuste de ingeniería correcto y fabricarlo dentro de la tolerancia es esencial para un ensamblaje mecánico funcional.

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Preguntas frecuentes

¿Qué normas se utilizan para determinar las dimensiones del ajuste a presión y del ajuste deslizante?

La ISO 286 y la ANSI B4.1 son las dos normas más reconocidas para el tolerado de ajustes de ingeniería.

¿Se consideran ajustes deslizantes los ajustes de transición?

Tanto los ajustes de transición como los ajustes con juego generalmente caen en la categoría de ajuste deslizante, ya que comparten características similares. Sin embargo, no hay una línea divisoria específica.

¿Los ajustes a presión siempre requieren calentamiento/enfriamiento para el ensamblaje?

La expansión/contracción térmica no siempre es necesaria para el ensamblaje del ajuste a presión. Para ajustes a presión de baja interferencia, usar fuerza a temperatura ambiente suele ser suficiente para ensamblar los componentes acoplantes con éxito.