Cómo seleccionar una horquilla para su aplicación: tipos, diseño y fabricación

Las horquillas son un tipo importante de conectores mecánicos. Siempre que se requiere movimiento angular y acción pivotante, las horquillas son la solución. Soportan cargas de tracción, compresión, flexión, cizallamiento y fatiga. Existen numerosos tipos y diseños de horquillas, por lo que cada tipo se adapta a una aplicación específica. Hay muchas opciones de materiales para satisfacer las necesidades de diversas industrias. ¡Veamos qué son las horquillas!

¿Qué es una horquilla?

Una horquilla es un componente de fijación utilizado en ensamblajes mecánicos. Proporciona una conexión tipo bisagra. Su función pivotante permite un movimiento limitado mientras los componentes permanecen firmemente unidos. Geométricamente, tiene forma de U y consta de las siguientes partes:

• Cuerpo bifurcado
• Agujeros de alfiler
• Extremo roscado o de montaje

¿Es Clevis un pasador?

No. Una horquilla es diferente de un pasador. De hecho, en los conjuntos de horquilla se utilizan pasadores para fijar los componentes. Estos pasadores de horquilla actúan como pivotes, permitiendo que los componentes giren a su alrededor de forma limitada.

Clevis contra Clevis Joint

La siguiente tabla compara la horquilla con la articulación de horquilla:

Tipos de horquillas según la conexión

Las horquillas se pueden clasificar según su tipo de conexión. Los diferentes tipos de conexión determinan su uso en distintas aplicaciones. Algunas horquillas priorizan la resistencia, mientras que otras destacan por su adaptabilidad o modularidad. De este modo, los diseñadores pueden seleccionar las horquillas más adecuadas para sus aplicaciones.

Horquilla roscada

Las horquillas roscadas facilitan la instalación, el montaje y el ajuste. Cuentan con una conexión ajustable cuya longitud se regula simplemente atornillándola o desatornillándola. Las contratuercas se aprietan para fijar la articulación en su lugar. Las horquillas roscadas pueden ser macho o hembra.

• Horquillas con rosca macho: tienen un vástago con rosca externa.
• Horquillas roscadas hembra: tienen un receptáculo roscado internamente.

Las horquillas roscadas se utilizan comúnmente en:

• varillas de ajuste agrícola
• enlaces de accesorios de automatización
• sistemas de enlace de frenos

Estas aplicaciones aprovechan las características de modularidad y ajuste. En comparación, en las horquillas con rosca hembra, las roscas quedan ocultas y protegidas de la suciedad y la humedad.

Horquilla de soldadura

Las horquillas soldadas crean una conexión permanente. Se utilizan comúnmente en aplicaciones donde la resistencia es prioritaria sobre la modularidad. La soldadura fija la conexión en su lugar, lo que proporciona una mayor estabilidad en el posicionamiento. Estas horquillas son las preferidas en lugares donde no se requiere un montaje y desmontaje frecuentes. Algunas aplicaciones comunes de las horquillas soldadas incluyen:

• estructuras de montaje de accesorios
• soportes para equipos pequeños
• marcos de soporte industrial

Horquilla atornillable

Las horquillas atornillables tienen un montaje desmontable. Esta característica fomenta la modularidad. Las horquillas atornillables se pueden instalar, desinstalar o reemplazar con frecuencia. Por lo tanto, las horquillas atornillables son adecuadas para aplicaciones como:

• Accesorios para robots industriales
• máquinas de embalaje
• sistemas de maquinaria modular

Tipos de horquillas según su geometría

La forma geométrica y la configuración de una horquilla determinan su uso en un área específica. Estas características se incorporan intencionadamente para adaptarse a diferentes requisitos de ajuste. Al fin y al cabo, el objetivo principal es alinear y ajustar las horquillas con precisión. Veamos algunos tipos geométricos comunes de horquillas.

Horquilla de torsión

La horquilla de torsión tiene su extremo bifurcado girado con respecto al extremo de montaje. Como se muestra en la imagen, una horquilla de torsión puede conectar dos componentes en planos diferentes. Si se utiliza una horquilla recta en estas condiciones, se generarán tensiones de flexión indeseables en el conjunto.

La horquilla de torsión elimina la necesidad de soportes adicionales en conexiones desalineadas. De esta manera, se puede lograr una transferencia de carga fluida entre componentes desalineados. Algunas aplicaciones comunes de la horquilla de torsión incluyen:

• Conjuntos de eslabones de cadena
• Sistemas de tensión de cables
• Sistemas de enganche de remolque pequeños

Horquilla descentrada

Las horquillas descentradas tienen un punto de articulación desplazado lateralmente con respecto al eje central. Esto crea espacio libre para las piezas adyacentes o los componentes que puedan interferir.

Por lo tanto, las horquillas descentradas permiten una instalación descentrada sin ninguna alteración importante en el ajuste de otros componentes del conjunto. Algunas aplicaciones típicas incluyen:

• Sistemas de suspensión automotriz
• Dispositivos de utillaje personalizados
• Conjuntos de enlaces mecánicos

Horquilla doble

Las horquillas dobles tienen extremos bifurcados en ambos lados. Esto permite la rotación en ambos extremos. Por lo tanto, en situaciones de carga bidireccional, las fuerzas se distribuyen uniformemente. Algunas aplicaciones específicas de las horquillas dobles incluyen:

• Sistemas de brazo oscilante de automatización
• Conjuntos de articulación de precisión
• Accionamientos industriales compactos

Comprender el sistema de conexión Clevis

La verdadera importancia de las horquillas solo se puede apreciar al comprender su sistema de conexión. Por lo tanto, un buen conocimiento de las partes principales de un conjunto de horquillas resulta beneficioso. Es necesario comprender el papel de las horquillas en los sistemas mecánicos para apreciar su utilidad.

Partes principales de un conjunto de horquilla

Un conjunto de horquilla típico consta de una horquilla, un componente de acoplamiento y pasadores de horquilla. La carcasa de la horquilla proporciona el soporte estructural principal durante la transferencia de carga. El componente de acoplamiento proporciona la articulación para la conexión. El pasador de horquilla proporciona el mecanismo de pivote al conjunto. Dispositivos de retención, como pasadores de chaveta, mantienen los pasadores de horquilla en su lugar.

Cómo funcionan las horquillas en los sistemas mecánicos

Permitir movimiento pivotante

Una de las funciones principales de una horquilla es proporcionar un movimiento de rotación controlado a las piezas conectadas. En este sentido, el pasador de la horquilla actúa como eje de rotación. Los componentes conectados pueden girar libremente alrededor de este eje, lo que permite ligeras variaciones en el ángulo de flexión durante el funcionamiento.

Transferencia de cargas mecánicas

Una transferencia de carga fluida es fundamental en los ensamblajes. Esto cobra especial importancia en los sistemas mecánicos, donde la fijación rígida puede generar concentraciones de tensión indeseadas. Las horquillas permiten un movimiento de rotación que reduce las tensiones de flexión y cizallamiento. Además, distribuyen las cargas de manera más uniforme.

Proporcionar una conexión extraíble

Las horquillas permiten el reemplazo frecuente de piezas. El conjunto de horquilla se puede desmontar y volver a montar fácilmente sin mayores inconvenientes. Para desmontar un conjunto de horquilla, basta con retirar el clip de retención y extraer el pasador. Esto se ajusta a los objetivos de mantenimiento regulares.

Simplificar los conjuntos de articulación

Las horquillas proporcionan una conexión estandarizada y fomentan la modularidad. Están diseñadas para adaptarse a variaciones de alineación, por lo que no siempre es necesario cumplir con un criterio de alineación estricto. Este sencillo mecanismo de unión resuelve muchos problemas.

Materiales utilizados para la fabricación de horquillas

La selección adecuada del material es tan importante como el diseño de la horquilla. Las condiciones de funcionamiento determinan la idoneidad de un material en un entorno determinado. A continuación, se describen algunos de los materiales más utilizados.

Horquillas de acero al carbono

El material más utilizado para las horquillas es, con diferencia, el acero al carbono. Es resistente y económico. En muchas horquillas, la combinación de resistencia y bajo coste suele ser ventajosa. Sin embargo, su susceptibilidad a la corrosión puede limitar su uso en algunas aplicaciones especializadas.

Horquillas de acero inoxidable

Como su nombre indica, las horquillas de acero inoxidable se utilizan principalmente en aplicaciones propensas a la corrosión. En entornos altamente corrosivos, como instalaciones marinas o plantas químicas, otros materiales podrían no funcionar correctamente.

Horquillas de aluminio

El aluminio se suele elegir para reducir el peso. Sin embargo, su desventaja radica en su baja resistencia. Por lo tanto, podría no ser adecuado para soportar cargas pesadas. No obstante, una sección transversal más gruesa podría compensar su relativamente baja resistencia a la fluencia. En resumen, las horquillas de aluminio priorizan la baja densidad sobre la resistencia.

Horquillas de acero aleado

Las horquillas de acero aleado se utilizan en aplicaciones especializadas. Su rendimiento suele ser superior al de otras horquillas, ya que a menudo soportan cargas excepcionalmente altas. Su elevada resistencia a la fluencia permite reducir el peso al disminuir la sección transversal. Algunos grados de acero aleado son resistentes a la fluencia, por lo que las horquillas fabricadas con estos grados pueden utilizarse en aplicaciones de alta temperatura.

Aplicaciones comunes de las horquillas y las juntas de horquilla

Prácticamente todas las industrias hacen uso de horquillas.

Cilindros hidraulicos

Un ejemplo típico de horquilla en un cilindro hidráulico es la que se utiliza en su actuador. La horquilla permite el movimiento angular durante la extensión y retracción del pistón. Las horquillas forjadas se utilizan en aplicaciones de alta carga. Las horquillas mecanizadas se utilizan en aplicaciones de alta precisión. Las horquillas tratadas térmicamente suelen tener mejores propiedades que las no tratadas.

Maquinaria Industrial

Las horquillas se instalan en maquinaria industrial debido a su mecanismo de pivote. Además, facilitan el montaje y desmontaje rápidos gracias a su pasador extraíble. La idoneidad de una horquilla depende del entorno industrial. Por ejemplo, las horquillas de acero inoxidable de grado 304 se utilizan en aplicaciones alimentarias.

Equipamiento agrícola

Las aplicaciones agrícolas suelen implicar cargas pesadas, vibraciones, barro, humedad y polvo. Teniendo en cuenta estas condiciones, se utilizan horquillas de alta capacidad de carga. Las áreas comunes de uso de horquillas incluyen:

• implementos de tractor
• sistemas de enganche
• Direcciones
• brazos elevadores
• enlaces hidráulicos

Equipos de robótica y automatización

Los equipos de robótica y automatización utilizan ampliamente el movimiento pivotante de las horquillas. Por ello, las horquillas se emplean en cilindros neumáticos, actuadores eléctricos, brazos robóticos y mecanismos de posicionamiento. Las horquillas de precisión mecanizadas por CNC ofrecen libertad de movimiento angular a la vez que fijan los componentes de forma segura.

¿Por qué se utiliza el mecanizado CNC para horquillas personalizadas?

El proceso de mecanizado CNC se adapta perfectamente a los objetivos de personalización. En aspectos como la precisión, la personalización y la creación de prototipos, el mecanizado CNC resulta muy útil. Para la fabricación de piezas de repuesto, como pasadores de horquilla personalizados, en ocasiones el mecanizado CNC es la única opción.
Mecanizado de agujeros de precisión

El nivel de precisión que se puede lograr con el mecanizado CNC no tiene parangón con ningún otro proceso. Al evitar holguras excesivas, se pueden mitigar problemas como las vibraciones. El mecanizado CNC permite obtener una buena concentricidad de los orificios. Esto favorece un ajuste preciso del pasador, lo que resulta en una distribución uniforme de la carga.

Tamaños y geometría personalizados

A diferencia de otros procesos que dependen de matrices y ensamblajes fijos, el mecanizado CNC permite la personalización. Esto resulta especialmente útil en la fabricación de horquillas con dimensiones no estándar. En aplicaciones que requieren horquillas especializadas, se pueden fabricar tamaños y geometrías a medida. Las características de diseño, como el ancho de la horquilla, el pasador de la horquilla, los perfiles de rosca y la configuración de montaje, se pueden modificar fácilmente.

Fabricación de horquillas en lotes pequeños

En la fase de prototipado, suele ser conveniente fabricar pequeñas series de horquillas. Esto permite evaluar el ajuste, la función y el rendimiento antes de pasar a la producción en masa. Si no se encuentran repuestos para las horquillas en el mercado, se pueden fabricar fácilmente mediante mecanizado CNC.

¿Cómo elegir el tamaño adecuado de horquilla para su proyecto?

Al utilizar una horquilla en una aplicación específica, es fundamental determinar su idoneidad. Su capacidad de carga, dimensiones y geometría son importantes para garantizar un ajuste y funcionamiento adecuados. Si una horquilla estándar no cumple con estos criterios, podría ser necesario personalizarla.

Determinar la capacidad de carga requerida

Al diseñar una horquilla, es fundamental comprender bien el requisito de capacidad de carga. Además de las cargas de tracción y cizallamiento, deben considerarse otros factores de carga. Durante su funcionamiento, la horquilla puede estar sometida a impactos o fatiga. La temperatura de operación influye en su resistencia. Por lo tanto, todos estos factores de carga deben tenerse en cuenta en el diseño de la horquilla.

Compruebe el ancho de horquilla requerido.

El ancho de la horquilla debe coincidir con el grosor del componente con el que se acopla. Si el ancho de la horquilla es menor, es posible que el componente no encaje correctamente. Si queda demasiado floja, se producirá un juego innecesario que puede provocar una falla prematura.

Elija el tamaño adecuado del orificio para el pasador.

El tamaño del orificio debe ser lo suficientemente grande para alojar el diámetro del pasador. Un pasador de horquilla más grueso ofrece mayor capacidad de carga. Sin embargo, el tamaño del orificio altera el perfil de tensión de la carcasa. Un orificio excesivamente grande puede reducir la resistencia del conjunto de la horquilla.

Coincidencia con el tamaño del orificio del pasador

La holgura entre el pasador y el orificio debe optimizarse. Una holgura excesiva generaría juego entre el pasador y el orificio, lo que podría provocar cargas de impacto que afectarían negativamente la durabilidad de la horquilla. Una holgura reducida podría restringir el movimiento del pasador, dificultando un movimiento angular suave.

Acabado superficial para horquillas

Una vez creado un diseño eficiente para una horquilla, se realizan esfuerzos para lograr su durabilidad. En este sentido, el tratamiento superficial representa un avance significativo, ya que mejora la estética y la protección contra la corrosión. A continuación, se describen algunas técnicas comunes de tratamiento superficial.

¿Por qué es necesario el tratamiento de superficies?

En situaciones prácticas, las horquillas están expuestas a suciedad, humedad, agua de mar y otros contaminantes. Sin un recubrimiento protector, se puede acumular una capa de óxido y contaminantes sobre ellas, lo que puede alterar sus dimensiones. El óxido también puede modificar el comportamiento de fricción del pasador de la horquilla, comprometiendo así su movimiento de pivote. Asimismo, puede ser necesario un tratamiento superficial por motivos estéticos. En algunas aplicaciones, podría ser deseable una superficie con aislamiento eléctrico.

Métodos comunes de tratamiento de superficies para horquillas

Galvanizado

El recubrimiento de zinc se realiza sobre horquillas de acero dulce. Los átomos de zinc protegen de forma sacrificial la superficie de acero subyacente. Le dan al acero un color gris plateado brillante. Pero se debe tener cuidado para evitar cambios dimensionales.

Óxido negro

El óxido negro crea una capa de óxido de hierro sobre la horquilla de acero dulce. Esto evita la formación de óxido en la superficie y le da un aspecto profesional a las horquillas. Una gran ventaja del óxido negro es que apenas produce cambios dimensionales.

Pasivación

El tratamiento de pasivación superficial se aplica principalmente a las horquillas de acero inoxidable. Visualmente, no produce grandes cambios. Sin embargo, elimina los átomos de hierro libres y refuerza la capa de óxido de cromo.

Horquilla frente a otras conexiones mecánicas

Las horquillas se confunden frecuentemente con otros conectores mecánicos. Los extremos de varilla y los grilletes son dos conectores comunes que suelen confundirse con las horquillas. Es importante distinguirlos. Las siguientes tablas comparan las horquillas con los grilletes y los extremos de varilla.

Horquilla vs. Extremo de varilla

Clevis contra Grillete

Caso práctico de Tuofa: Horquilla mecanizada por CNC a medida para sistema hidráulico

Un cliente necesitaba una horquilla roscada a medida para un mecanismo de actuador hidráulico utilizado en equipos industriales. Los componentes de horquilla estándar disponibles en el mercado no se ajustaban al conjunto existente, ya que la apertura de la horquilla, la posición de montaje y las dimensiones de conexión requeridas diferían de las especificaciones estándar.

Desafíos

El principal desafío consistía en mantener la precisión entre los dos brazos de la horquilla y los orificios de los pasadores.

Solución Tuofa

• Tras revisar el dibujo del cliente, Tuofa recomendó aumentar el grosor de la horquilla con respecto al original. 10 mm hasta 14 mm. Este ajuste mejoró la capacidad de carga de la horquilla, manteniendo la compatibilidad con el conjunto existente.
• Para reducir la concentración de tensión durante la carga repetida, Tuofa optimizó el diseño de la raíz de la horquilla añadiendo un Filete R2 en la esquina interna de la horquilla.
• Tuofa aumentó el grosor del refuerzo alrededor del área del orificio del pasador mediante 3 mm para mejorar la resistencia local y reducir el riesgo de deformación del orificio causada por la carga repetida del pasador.
• Teniendo en cuenta los requisitos de montaje del cliente, Tuofa añadió un Chaflán de 1 mm alrededor de la entrada del orificio del pasador. Esta modificación mejoró la instalación del pasador y garantizó un ensamblaje más suave con el componente correspondiente.

Conclusión

Una horquilla es un conector mecánico fundamental. Además de la transferencia de carga convencional, permite movimientos angulares y rotaciones. Existen diferentes tipos de horquillas según su geometría, materiales y características de fijación. Numerosas industrias, desde la robótica hasta la agricultura y muchas más, se benefician de este conector. Un diseño optimizado y una fabricación cuidadosa permiten aprovechar al máximo el potencial de las horquillas. Solo un buen proveedor puede contribuir a lograr este objetivo.

Preguntas Frecuentes

¿Qué es un pasador de horquilla?

Un pasador de horquilla es un componente del conjunto de horquilla. Tiene forma cilíndrica y soporta cargas de corte y rotación.

¿Cómo medir el tamaño de la horquilla?

Es necesario medir las dimensiones del ancho de la horquilla, el orificio del pasador, la longitud del vástago y la rosca.

¿Qué es una abrazadera de horquilla?

Las abrazaderas de horquilla se utilizan para sujetar tuberías pesadas desde estructuras elevadas.