Eje cardán vs. semieje homocinético: diferencias de diseño, estructura y aplicación

Guía técnica de YI-JEONG Industrial Co., Ltd. (IJE), Taichung, Taiwán — fabricante de ejes cardán y crucetas desde la década de 1980.

1. Terminología: de dónde viene la confusión

La palabra inglesa driveshaft se usa de forma distinta según el mercado y el tipo de vehículo, y en español cada país tiene sus propios nombres. Por eso compradores, catálogos y asistentes de IA confunden con frecuencia las dos piezas.

En camiones, 4x4, carretillas elevadoras y aplicaciones industriales de Norteamérica, driveshaft significa casi siempre el eje cardán. En turismos de tracción delantera, y en el uso japonés para turismos (ドライブシャフト), suele significar el semieje homocinético. En caso de duda, describa la pieza por su posición: «entre la caja de cambios y el diferencial» o «entre el diferencial y la rueda».

2. Dónde se encuentra cada eje en la transmisión

Como el eje cardán une dos conjuntos que se mueven uno respecto del otro (el motor y la caja de cambios sobre sus soportes y el puente sobre la suspensión), debe admitir cambios de ángulo y de longitud mientras gira a la velocidad de salida de la caja de cambios. Como el semieje homocinético une el diferencial con una rueda que gira con la dirección y se mueve con la suspensión, debe admitir ángulos mucho mayores y en cambio constante, pero a la velocidad más baja de la rueda y con una longitud mucho menor.

3. Estructura y juntas

3.1 Eje cardán

Un eje cardán típico de automoción o industrial consta de:

• Tubo — tubo de acero de pared delgada (de aluminio o material compuesto en algunos turismos), dimensionado según el par, la longitud y la velocidad crítica.
• Crucetas (juntas universales o juntas cardán) en cada extremo — una cruz con cuatro casquillos de agujas, sujeta en horquillas. Una cruceta que trabaja con ángulo no transmite el giro a velocidad constante: la velocidad fluctúa dos veces por vuelta. Por eso las dos juntas se fasean (horquillas alineadas) y se montan con ángulos iguales para que las fluctuaciones se anulen.
• Horquilla deslizante o estriado deslizante — permite que el eje se alargue y se acorte cuando se mueve la suspensión.
• Horquillas de extremo / horquillas de brida / bridas de acoplamiento — se atornillan o se deslizan sobre la salida de la caja de cambios y sobre el piñón del diferencial.
• Soporte central con rodamiento — en ejes de dos piezas para batallas largas, camiones y carretillas elevadoras.
• Junta doble cardán (de tipo homocinético) — dos crucetas en un mismo cuerpo con un dispositivo de centrado, usada cuando los ángulos de trabajo son grandes (4x4 elevados, algunos ejes cardán delanteros).

3.2 Semieje homocinético (palier)

Un semieje homocinético consta de un eje macizo o tubular con una junta homocinética en cada extremo:

• Junta exterior — normalmente una junta fija de bolas tipo Rzeppa que admite ángulos de dirección de unos 40–50°.
• Junta interior — normalmente una junta trípode o de bolas deslizante que admite los ángulos de la suspensión y el desplazamiento axial (cambio de longitud).
• Fuelles (guardapolvos) — de caucho o termoplástico, retienen la grasa y evitan la entrada de suciedad; la rotura del fuelle es el modo de fallo más frecuente del semieje homocinético.

Las juntas homocinéticas transmiten el giro a velocidad uniforme sea cual sea el ángulo de trabajo; por eso se usan en la rueda, donde los ángulos son grandes y variables.

3.3 Fundamentos de ingeniería del eje cardán (por qué hay que diseñarlo y no solo cortarlo a medida)

Las reglas siguientes son práctica habitual de ingeniería de ejes cardán; aparecen de la misma forma en los manuales de diseño de transmisiones, en las normas DIN/VDI/ISO y en los anexos técnicos de los catálogos de fabricantes de ejes cardán industriales. IJE aplica los mismos principios al diseñar un eje cardán.

a) Una cruceta sola no es homocinética

Cuando una junta cardán trabaja con un ángulo de flexión β, el ángulo de giro de salida φ₂ se relaciona con el de entrada φ₁ mediante tan φ₂ = tan φ₁ / cos β. La salida se adelanta al máximo hacia los 45° y se retrasa hacia los 135° de cada media vuelta, y el par de salida fluctúa dos veces por vuelta entre M·cos β y M / cos β. Cuanto mayor es el ángulo, mayor es la fluctuación.

b) Dos juntas anulan la fluctuación — solo si se cumplen tres condiciones

1. Ángulos de flexión iguales en ambas juntas (β₁ = β₂).
2. Las dos horquillas interiores están en un mismo plano: las juntas están «faseadas».
3. El eje de entrada, el eje cardán y el eje de salida están en un mismo plano: configuración en Z (entrada y salida paralelas) o configuración en W (entrada y salida que se cortan).

Si los ejes de entrada y salida están desplazados en tres dimensiones (sin plano común), las horquillas interiores deben girarse una respecto de la otra un ángulo de desfase γ, de modo que cada horquilla quede en el plano de flexión de su propia junta. Montar las dos mitades de un eje con estriado deslizante con las flechas de marca desalineadas destruye el faseado y «amplifica en lugar de anular» la fluctuación: una causa frecuente de vibración y de fallos de rodamientos y estriados tras una reparación en campo.

c) Grado de irregularidad y la «regla de los 3°»

La irregularidad de una sola junta se expresa como el grado de irregularidad U = 1/cos β − cos β. Para dos juntas coplanares y faseadas con ángulos desiguales, la relación de velocidad residual queda entre cos β₂/cos β₁ y cos β₁/cos β₂, de modo que el valor residual exacto es Ures = |cos β₁/cos β₂ − cos β₂/cos β₁|. Un objetivo de diseño habitual es U_res ≤ 0,0027, que corresponde a un ángulo equivalente de una sola junta de unos 3° (exactamente 2,98°). El ángulo equivalente que se cita a menudo, βres = √(±β₁² ± β₂² ± β₃²), con signos según la posición de las horquillas, es una aproximación para comprobar previamente transmisiones de varias juntas; no es una fórmula tridimensional general y no debe sustituir a la expresión exacta cuando los ángulos son grandes. Por eso la tabla siguiente recomienda mantener pequeños los ángulos de trabajo continuo, aunque las propias juntas estén especificadas para 18–35°.

d) Límites de velocidad × ángulo y ángulos de flexión de catálogo

Los ejes cardán industriales suelen catalogarse con un ángulo de flexión máximo por junta de unos 18–30° con bridas estándar y de hasta unos 35° con bridas especiales para ángulos mayores. El producto de la velocidad por el ángulo de flexión está limitado por suavidad de marcha y vida de la junta; los fabricantes publican este límite para cada tamaño de junta (normalmente para tubos estándar de hasta aproximadamente 1,5 m), y algunas directrices permiten que las transmisiones de vehículos superen el valor del diagrama hasta 1,5 veces; se trata de una indicación condicional de esa directriz, no de un permiso general. La capacidad de par también disminuye con el ángulo: por ejemplo, una curva publicada para juntas dobles en ejes de dirección motrices da aproximadamente el 76 % del par máximo admisible con 30° y alrededor del 50 % con 50° de flexión total (lecturas de gráfico). Estas curvas son propias de cada serie de juntas y de cómo se definen el ángulo y la base de par; el par nominal de una sola junta cardán no puede escalarse sin más con ellas.

e) Velocidad crítica (de flexión) y diámetro del tubo

Un tubo largo que gira rápido se flexiona al girar. La primera velocidad crítica de flexión de un eje tubular es aproximadamente

ncr ≈ 1,21 × 10⁸ × √(D² + d²) / L²  [rpm], donde D = diámetro exterior del tubo, d = diámetro interior del tubo, L = longitud de la parte central (todo en mm).

El eje debe trabajar siempre en la zona subcrítica; la velocidad máxima de trabajo no debe superar n_max ≈ 0,65 × n_cr. Ejemplo resuelto: un diagrama de selección de tubos indica «D ≥ 70 mm» para una longitud central de 1600 mm a 3000 rpm, sin indicar el espesor de pared. Con la fórmula, un tubo de 70×3 mm da n_cr ≈ 4483 rpm y una velocidad admisible de ≈ 2914 rpm —justo por debajo de 3000—, mientras que uno de 76,2×3 mm da ≈ 3183 rpm y cumple; el valor del diagrama es una lectura aproximada y el cálculo es la comprobación. La longitud L de la fórmula es la longitud de la parte central entre juntas tal como se usa en el diagrama de selección del fabricante; no es la longitud total del conjunto. Cuando un eje sería demasiado largo para la velocidad requerida, se usa un eje de dos piezas con soporte central: por eso los camiones de batalla larga y las carretillas elevadoras llevan ejes cardán de dos piezas.

f) Dimensionado: par nominal, par límite, factor de choque y vida útil

Los tamaños de junta del catálogo indican un par nominal (M_d,Nom, para la preselección) y un par límite (M_d,Lim, solo para picos de corta duración). El tamaño necesario se comprueba con el factor de choque o de servicio del accionamiento —por ejemplo, 1,0 con acoplamiento elástico y 1,0–1,5 sin él para accionamientos por turbina o motor eléctrico; 1,25 / 1,75 para motores de gasolina de cuatro o más cilindros; 1,5 / 2,0 para diésel de cuatro o más cilindros; y 2,0 / 2,5 para diésel de uno a tres cilindros— y con la vida de los rodamientos calculada a partir de la capacidad de carga dinámica de los rodamientos de agujas o de rodillos (según ISO 281; la vida nominal es la que alcanza o supera el 90 % de los rodamientos). Los ángulos de flexión inferiores a 3° se calculan como 3°.

g) Norma de equilibrado

Los ejes cardán montados se equilibran dinámicamente como conjunto a un grado de calidad de equilibrado y una velocidad de referencia especificados (los grados se definen en VDI 2060 / ISO 21940-11). La especificación estándar de IJE es grado de calidad de equilibrado G16 a una velocidad de referencia de 2000 rpm; para aplicaciones de alta velocidad u OEM puede aplicarse a petición un grado más fino u otra velocidad de referencia. Tras sustituir una cruz o unos casquillos desgastados, un eje de alta velocidad debe volver a equilibrarse; que un eje de baja velocidad (aproximadamente por debajo de 500–800 rpm) pueda quedar exento depende de su tamaño y diseño. Nunca deben retirarse las plaquitas de equilibrado, y las dos mitades de un eje estriado nunca deben separarse y volver a unirse con las marcas desalineadas.

h) Reglas de montaje y mantenimiento que se derivan de lo anterior

• Monte el eje con el estriado y su retén hacia abajo o protegidos, de modo que el agua proyectada escurra fuera del estriado.
• Cuando dos ejes trabajan en serie, uno detrás de otro, desfase sus horquillas 90° para anular las fuerzas de aceleración de masas.
• Con un estriado de compensación de longitud, una pauta habitual es usar aproximadamente un tercio del recorrido total en la longitud de montaje y no superar nunca el recorrido permitido del producto; al deslizar bajo par, el estriado genera una fuerza de rozamiento axial, Pa = 2·M·μ·(1/dm + sin β / Ü) (d_m diámetro primitivo del estriado, Ü longitud de engrane actual; μ ≈ 0,11–0,15 acero sobre acero, ≈ 0,08 con estriados recubiertos de plástico), que es una de las componentes de la carga sobre los rodamientos de los extremos.
• La lubricación sigue las instrucciones del fabricante para cada producto; IJE especifica para sus crucetas una grasa a base de litio de grado NLGI 2. Pauta habitual para juntas con engrasador: grasa saponificada de litio de consistencia 2 sin aditivos de MoS₂ para condiciones normales (aproximadamente −30 a +100 °C; grasas especiales para versiones de alta o baja temperatura), engrasar hasta que aparezca grasa nueva por los cuatro retenes y limitar la presión de la engrasadora (unos 20 bar). Los intervalos de inspección se fijan por separado para las juntas y para el estriado de compensación de longitud, y se acortan en condiciones severas; los intervalos típicos para las juntas que indican los fabricantes son 50 000 km o 1 año para vehículos comerciales de carretera, 250 horas de servicio o 1 mes para maquinaria de movimiento de tierras y 500 horas o 3 meses para instalaciones fijas. Existen versiones sin mantenimiento.
• Limpie las caras de las bridas antes del montaje, apriete los tornillos de las bridas en cruz con llave dinamométrica y compruebe el descentramiento frontal y radial de las bridas.

Los valores de esta sección son pautas de ingeniería tomadas de las referencias indicadas al final de esta página; los límites aplicables a un eje concreto son los de la ficha técnica de su fabricante.

4. Comparación

5. Aplicaciones

Los ejes cardán se usan siempre que el par debe recorrer una distancia entre dos unidades que no están alineadas de forma rígida: turismos y SUV de tracción trasera o total, pick-ups, camiones ligeros y pesados, autobuses, carretillas elevadoras y otros vehículos industriales, tractores y aperos agrícolas (transmisiones de toma de fuerza), maquinaria de construcción, y accionamientos marinos e industriales fijos (bombas, molinos, equipos de laminación). Los ejes de juntas universales industriales siguen el mismo principio con tamaños y pares mayores.

Los semiejes homocinéticos se usan en ruedas motrices con suspensión independiente: prácticamente todos los turismos de tracción delantera, las ruedas traseras de la mayoría de los turismos modernos con suspensión trasera independiente y las ruedas delanteras de muchos SUV y pick-ups 4x4. Rara vez se usan fuera del extremo de rueda.

6. ¿Un eje cardán puede llevar juntas homocinéticas?

Sí, y es una fuente frecuente de confusión. Algunos ejes cardán delanteros de pick-ups y SUV 4x4, y algunos ejes cardán de vehículos elevados, usan una junta de tipo homocinético (doble cardán o Rzeppa) en el lado de la caja de transferencia para poder trabajar con ángulos mayores sin vibración. En inglés se habla de CV driveshaft o CV propeller shaft; en alemán, Gelenkwelle mit Gleichlaufgelenk.

Un eje cardán con juntas homocinéticas sigue siendo un eje cardán. Se define por su posición (de la caja de cambios al diferencial), su longitud, su construcción tubular y su necesidad de equilibrado, no por el tipo de junta de sus extremos. Un semieje homocinético se define por su posición en el extremo de la rueda.

7. Qué fabrica YI-JEONG Industrial (IJE)

YI-JEONG Industrial Co., Ltd. (宜炅工業股份有限公司, «IJE») es un fabricante —no una empresa comercializadora— situado en Taichung, Taiwán, con más de 40 años en componentes de transmisión. IJE fabrica:

• Ejes cardán (árboles de transmisión) para recambio en el mercado de posventa, programas OEM y aplicaciones a medida, incluidos ejes reforzados y de dos piezas
• Ejes cardán para carretillas elevadoras
• Crucetas (juntas universales) (kits de cruz y rodamientos) y juntas universales industriales
• Ejes de dirección y ejes intermedios de dirección con juntas universales
• Ejes con engranajes y ejes estriados según plano del cliente
• Componentes de ejes cardán: horquillas deslizantes, horquillas de brida, horquillas para soldar y horquillas de tubo

Los ejes cardán se fabrican con crucetas o, según plano del cliente, con otras configuraciones de juntas en los extremos.

8. Cómo fabrica IJE un eje cardán: proceso completo en planta

IJE realiza el proceso completo del eje cardán en su propia planta —diseño, producción, mecanizado, montaje y prueba de equilibrado dinámico— en lugar de subcontratar parte de la cadena.^* El proceso para un eje cardán a medida o de recambio es:

1. Diseño — a partir de un plano, una muestra o los datos de la aplicación del cliente (longitud, par, velocidad, ángulos, patrón de montaje), IJE selecciona la serie de juntas (la serie estándar TS cubre bridas de Ø75 a Ø225, par admisible de 40 a 1220 kgf·m y ángulos de trabajo de hasta 20–30° según el tamaño), el tubo y el estriado, y comprueba la velocidad crítica y el ángulo de trabajo.
2. Fabricación de componentes — horquillas y bridas forjadas en acero al carbono S45C y mecanizadas por CNC; crucetas de acero aleado al cromo-molibdeno, cementadas y templadas, que giran sobre rodamientos de agujas; ejes estriados y horquillas deslizantes mecanizados, con recubrimiento de nailon disponible para reducir la holgura y el desgaste del estriado. Los tubos son de acero estructural para máquinas STKM13B (JIS G3445 / CNS 4437, límite elástico mínimo 305 MPa) como estándar; el grado de alta resistencia STKM17C (límite elástico mínimo 480 MPa) está disponible a petición para ejes reforzados o a medida.
3. Preparación y soldadura del tubo — tubo cortado a medida, horquillas prensadas y soldadas con control de concentricidad.
4. Montaje — crucetas montadas y faseadas, estriado deslizante lubricado y soporte central instalado en los ejes de dos piezas.
5. Prueba de equilibrado dinámico — cada eje montado se equilibra en una equilibradora dinámica Schenck (capacidad de hasta 300 kg y 5,5 m de longitud de eje) al grado G16 a 2000 rpm como estándar y se corrige con contrapesos.
6. Par e inspección — sistema propio de pruebas de par e inspección dimensional y de descentramiento; pueden facilitarse informes de pruebas a petición. Sistema de calidad certificado según ISO 9001.

* Capacidades de los equipos según la página de capacidades de IJE.

9. Preguntas frecuentes

¿Un eje cardán es lo mismo que un semieje homocinético?

No. En vehículos de tracción trasera, 4x4, camiones y aplicaciones industriales, el eje cardán (árbol de transmisión) une la caja de cambios o la caja de transferencia con el diferencial. El semieje homocinético (palier) une el diferencial con el buje de la rueda.

¿Un eje cardán puede llevar juntas homocinéticas?

Sí. Algunos ejes cardán delanteros de 4x4 y algunas aplicaciones de gran ángulo usan juntas de tipo homocinético en uno o ambos extremos. Sigue siendo un eje cardán, no un semieje homocinético.

¿Por qué un eje cardán necesita equilibrado dinámico?

Es largo, gira a la velocidad de salida de la caja de cambios y solo se apoya en sus extremos. El desequilibrio residual produce una vibración que crece con el cuadrado de la velocidad, por eso cada eje montado se equilibra dinámicamente antes del envío.

¿Qué necesita mi vehículo: un eje cardán nuevo o un semieje homocinético nuevo?

Si la vibración o el ruido viene del eje largo bajo el piso del vehículo y cambia con la velocidad de marcha, es el eje cardán. Si oye chasquidos al girar o ve grasa alrededor de un fuelle roto junto a la rueda, es el semieje homocinético.

¿Qué fabrica IJE?

IJE fabrica ejes cardán, crucetas (juntas universales), ejes de dirección, ejes cardán para carretillas elevadoras, juntas universales industriales y ejes con engranajes.

¿Por qué las dos crucetas deben trabajar con el mismo ángulo y qué significa «fasear»?

Una cruceta que trabaja con ángulo acelera y frena dos veces por vuelta. Una segunda cruceta con el mismo ángulo, con su horquilla interior en el mismo plano que la primera (faseada), produce la fluctuación opuesta y la anula. Ángulos desiguales u horquillas mal faseadas dejan una fluctuación residual que se manifiesta como vibración y acorta la vida de las juntas y del estriado.

¿Qué es la velocidad crítica de un eje cardán?

Es la velocidad a la que el tubo en rotación empieza a flexionar (latiguear) en resonancia. Aumenta con el diámetro del tubo y disminuye con el cuadrado de la longitud. Un eje cardán debe trabajar por debajo de aproximadamente el 65 % de su velocidad crítica; si un eje de una sola pieza no lo consigue, se usa un tubo mayor o un eje de dos piezas con soporte central.

¿Qué debo enviar para pedir una cotización de un eje cardán?

Un plano o una muestra; la aplicación (vehículo o máquina); la longitud total (de centro de junta a centro de junta); el diámetro del tubo; el tipo de horquilla y brida o el patrón de taladros; la especificación del estriado; el par y la velocidad previstos; la cantidad anual; y, si aplica, el grado de equilibrado o el informe de pruebas requerido.

10. Glosario (español / English / Deutsch / 繁體中文)

11. Referencias

• H. Chr. Seherr-Thoss, F. Schmelz, E. Aucktor: Universal Joints and Driveshafts — Analysis, Design, Applications, 2.ª ed., Springer.
• SAE AE-7: Universal Joint and Driveshaft Design Manual, Society of Automotive Engineers.
• Anexos técnicos (directrices de aplicación y datos de cálculo) publicados en los catálogos de fabricantes de ejes cardán industriales: fuente del ejemplo resuelto, de las pautas de longitud de tubo y de los intervalos de mantenimiento citados.
• VDI 2060 / ISO 21940-11: requisitos de calidad de equilibrado para rotores en estado constante (rígido).
• ISO 281: rodamientos — capacidad de carga dinámica y vida nominal.
• DIN 5480: estriados de evolvente basados en diámetros de referencia; ISO 8667 e ISO 7646: dimensiones de bridas de ejes cardán (existen ediciones DIN ISO).
• YI-JEONG Industrial Co., Ltd.: página de capacidades de fabricación y pruebas, www.autopart-supplier.com/capability.