La vibración torsional es uno de los fenómenos dinámicos más perjudiciales —y más ignorados— en la maquinaria rotativa.
No se anuncia con un estruendo.
En cambio, actúa silenciosamente en el interior de cigüeñales, ejes de turbinas y cajas de cambios hasta que las grietas por fatiga, los daños en los engranajes o un fallo catastrófico detienen una máquina que, por lo demás, parecía «en buen estado».
Esta guía explica qué es la vibración torsional, por qué es importante en todos los sectores y cómo se mide y se analiza,
con un repaso a las herramientas y métodos que utilizan los ingenieros para garantizar la fiabilidad de los sistemas rotativos.
¿Qué es la vibración torsional?
La vibración torsional es la oscilación de la velocidad angular en un eje giratorio, provocada por las fluctuaciones del par. En lugar de moverse de forma suave a una velocidad de rotación constante, el eje acelera y desacelera ligeramente en cada revolución, aunque el número medio de revoluciones por minuto (RPM) se mantenga constante.
Se produce prácticamente en cualquier máquina con componentes giratorios: motores de combustión, turbinas de vapor y de gas, motores eléctricos, generadores y cajas de cambios. Un ejemplo clásico es el cigüeñal de un automóvil, que experimenta una velocidad de rotación no uniforme durante su funcionamiento, ya que cada ciclo de combustión genera un pulso de par, aunque las revoluciones por minuto (RPM) medias del motor parezcan perfectamente estables en el salpicadero.
Si no se controlan, estas fluctuaciones de velocidad generan tensiones cíclicas que provocan fatiga en los componentes, grietas y, en casos graves, fallos catastróficos. Por eso, la monitorización y la mitigación de las vibraciones torsionales constituyen una disciplina fundamental en el diseño de máquinas, los ensayos y la monitorización del estado.
Por qué son importantes las vibraciones torsionales, por sectores
Un sistema de ensayo de vibraciones torsionales suele combinar:
Motores de combustión interna. Los procesosde combustión hacen que el cigüeñal acelere y desacelere en cada ciclo, lo que genera una tensión cíclica que acelera el desgaste de los acoplamientos, los cojinetes y los engranajes. La vibración torsional no solo se genera por la compresión y la combustión, sino que también contribuyen a ella los impactos de carga a lo largo de la cadena cinemática. Comprender esta relación entre el funcionamiento del motor y el comportamiento NVH (ruido, vibración y aspereza) permite a los ingenieros detectar puntos débiles, mejorar la durabilidad y optimizar el confort de conducción.
Turbinas de vapor y de gas. En este caso , la vibración torsional surge de la interacción entre los ejes giratorios y el flujo fluctuante de vapor o gas. En la generación de energía, factores externos como la retroalimentación de la red eléctrica o los subarmónicos añaden mayor complejidad, y una vibración no controlada puede dañar ejes, rotores y cojinetes, lo que conlleva costosos tiempos de inactividad.
Vehículos eléctricos. Los sistemas de transmisión de los vehículos eléctricos experimentan oscilaciones torsionales de alta frecuencia provocadas por la rápida aceleración y desaceleración del motor. Más allá del impacto inmediato del NVH en el confort de los pasajeros, la vibración torsional sostenida acelera el desgaste de los engranajes de la transmisión y los cojinetes del motor, acortando su vida útil.
Engranajes de aerogeneradores. Los engranajes planetarios transfieren la energía rotacional, muy variable, desde las palas al generador. Las fluctuaciones en la velocidad del viento se traducen directamente en vibraciones torsionales, que pueden provocar desalineaciones, desgaste de los dientes de los engranajes y fallos por fatiga si no se gestionan adecuadamente.
En todas estas aplicaciones, las vibraciones torsionales no controladas se manifiestan en forma de chirrido de los engranajes, vibraciones del embrague, problemas de sincronización o una precisión reducida, lo que aumenta los costes de mantenimiento y acorta la vida útil de los componentes.
Cómo se mide la vibración torsional
Medir la vibración torsional implica registrar con precisión pequeñas variaciones en la velocidad de rotación, normalmente mediante sensores que proporcionan múltiples muestras por cada revolución del eje. Entre los tipos de sensores más comunes se incluyen:
Captadores magnéticos: robustos, económicos y fáciles de instalar, aunque limitados por el número de dientes del engranaje disponibles para la medición Codificadores ópticos: utilizan cintas o discos de tipo «zebra» para obtener frecuencias de impulsos más altas y una mayor precisión, aunque son sensibles a la suciedad, el polvo y el aceite Codificadores incrementales: dispositivos de alta resolución que proporcionan datos suficientes por revolución para analizar efectos de orden superior, útiles para el análisis de errores de transmisión y la identificación del orden de engranaje
En lugar de basarse en datos temporales, como es habitual en los trabajos clásicos de NVH, un enfoque de medición basado en el ángulo —que utiliza contadores de alta resolución que operan en el rango de los gigahercios— ofrece resultados de gran precisión y un procesamiento rápido mediante FFT gracias a que los archivos de datos son más pequeños. A continuación, los datos capturados en el dominio angular se procesan con un software específico para identificar los cambios de frecuencia y amplitud en todo el rango de revoluciones por minuto (RPM).
Los órdenes torsionales son múltiplos de la velocidad de rotación fundamental y son la clave para rastrear la vibración hasta su origen. En el análisis de motores, el orden torsional se corresponde con el número de pulsos de par significativos por revolución; en un motor de 4 cilindros, por ejemplo, el segundo orden suele coincidir con los eventos de encendido.
Dado que los pulsos de par reales no son puramente sinusoidales, en el espectro aparecen armónicos junto al orden fundamental. Interpretar correctamente estos órdenes —y los armónicos que generan— es esencial para diagnosticar con precisión los motores multicilíndricos y otros sistemas rotativos.
Los ingenieros suelen visualizar los órdenes torsionales mediante:
Diagramas en cascada: muestran la amplitud en los distintos órdenes y la velocidad en una vista 3D Diagramas de contorno: una vista de mapa de calor de arriba abajo de los mismos datos Diagramas de Campbell: trazan líneas de orden en función de la frecuencia y la velocidad para detectar cruces de resonancia
La resonancia torsional se produce cuando la frecuencia natural de un sistema coincide con una frecuencia de excitación externa, lo que amplifica las oscilaciones. En los motores, por ejemplo, la resonancia del cigüeñal a unas revoluciones por minuto (RPM) específicas puede provocar una torsión excesiva del eje, amplificando la vibración en todo el sistema. Identificar y evitar las condiciones de resonancia mediante un diseño y un ajuste cuidadosos es fundamental para la longevidad de cualquier máquina rotativa.
Métodos para reducir la vibración torsional
Existen varias estrategias complementarias que ayudan a mantener las vibraciones torsionales bajo control:
Equilibrar los componentes giratorios para minimizar las fuerzas de desequilibrio Ajustar los parámetros del motor o la transmisión para reducir los pulsos de par irregulares Aislamiento mediante amortiguadores, acoplamientos flexibles o soportes de goma para absorber las vibraciones antes de que se propaguen Diseño adaptado para alejar las frecuencias naturales de las velocidades de funcionamiento y evitar la resonancia Control activo de las vibraciones, en el que sensores y actuadores contrarrestan las vibraciones en tiempo real
Sensores de vibraciones torsionales y sistemas de ensayo
La elección del sensor y la configuración de ensayo adecuados depende de su aplicación, de los requisitos de precisión y del entorno. Nuestras páginas específicas tratan este tema en detalle:
La medición de las vibraciones torsionales es una parte fundamental del diseño, las pruebas y el mantenimiento de la maquinaria rotativa. Al comprender sus causas y aplicar mediciones precisas y análisis de órdenes, los ingenieros pueden detectar problemas de forma precoz, prolongar la vida útil de los componentes y mejorar el rendimiento general del sistema, ya se trate de un motor de automóvil, una turbina industrial o un sistema de transmisión eléctrico.
Análisis de pedidos en 2D y 3D
Espectrograma 3D, representación en cascada Órdenes de la fluctuación de la velocidad con respecto a la velocidad
Espectrograma 3D, gráfico de contorno (colores falsos) Órdenes de la fluctuación de la velocidad con respecto a la velocidad
Órdenes de primer orden en 2D a partir del espectrograma en 3D
Curvas de locus para los órdenes 2 y 6
Ángulo de giro dinámico
1x ángulo de torsión, 2x ángulo de oscilación en un variador de fase del árbol de levas
1x ángulo de torsión y2x velocidad en un solo variador de fase del árbol de levas
Ángulode torsiónestático ydinámico
en un variador de fase del árbol de levas
Ángulo de torsión estático y dinámico en un variador de fase del árbol de levas
Ángulo de vibración
Curvas de envolvente del ángulo de oscilación a baja carga y a plena carga
Espectro de orden 3D delángulo de oscilación con carga baja y a plena carga
Visualización en 3D de la descomposiciónen ciclos de trabajo con carga baja y a plena carga, en todos los órdenes
Órdenes simples en 2D = imágenes seccionales del espectro en 3D
Análisis interrelacionados
Error de transmisión de un par de engranajes 57:60 con descomposición fraccionaria (onda larga y onda corta)
Rotación media del engranaje de 57mm con zona dañada (golpeador)
Rotación media del engranaje de 60mm con descomposición proporcional y valores característicos según la norma DIN
Espectro de orden de larotación media del engranaje de 60 mm (1.º orden = error de concentricidad
Sistema de válvulas
Velocidad de Vernier calculada a partir de la carrera de la válvula, derivada normalizada de en función del ángulo de rotación
Recorrido de la válvula medido en función de la velocidad, Desglose en ciclos de trabajo
Recorrido de la válvula en el circuito base; los valores negativos se deben a una desviación de la válvul a en el pico de presión de combustión.
Recorrido máximo de la válvula (valor y posición angular) y velocidad de contacto por encima de la velocidad
Consulta con los ingenieros especializados en vibraciones torsionales de ROTEC sobre tu proyecto de medición o análisis.
¿Tienes alguna pregunta? Estamos aquí para ayudarte.
¿En qué consiste la solución ROTEC para el análisis de la rotación y qué significa RAS?
El sistema de análisis rotacional (RAS) de ROTEC lleva más de 30 años siendo utilizado por usuarios de los sectores de la ingeniería mecánica, la automoción, la generación de energía y el automovilismo para analizar de forma exhaustiva los componentes rotativos.
Gracias a su método de medición único, que utiliza una tarjeta contadora de 12,3 GHz y un enfoque estrictamente basado en el ángulo para la detección y el análisis de la velocidad de rotación, el sistema RAS ofrece a los usuarios una ventaja inigualable.
ROTEC ofrece no solo sensores de velocidad ópticos y magnéticos, incluidos adaptadores de acondicionamiento de señal, sino también el sistema de medición modular RASdelta, así como software especializado y fácil de usar para la medición y el análisis. Esto permite disponer de una solución completa de un único proveedor. Los productos de tecnología de medición de ROTEC están perfectamente sincronizados y ofrecen resultados significativos en muy poco tiempo tras una sencilla configuración de la cadena de medición.
Gracias al enfoque basado en el ángulo para la medición de la velocidad, problemas como las vibraciones de los sensores pueden detectarse tras la primera medición y subsanarse de inmediato. Esto evita de forma eficaz costosas mediciones erróneas.
Nuestro equipo de expertos de ROTEC ENGINEERING, formado por usuarios con amplia experiencia, estará encantado de ayudarle con las tareas más complejas.
¿Existen opciones para personalizar los sistemas de medición y el software?
El sistema ROTEC RASdelta es un sistema de medición modular y versátil que se puede configurar de forma personalizada con 8 o 16 tarjetas de medición para adaptarse a sus necesidades específicas de medición.
Nuestro software RAS le ofrece un completo sistema modular para el análisis de componentes rotativos y sistemas complejos. Se trata de una herramienta eficaz para ingenieros mecánicos que no requiere conocimientos de programación para realizar mediciones o análisis.
Si tiene alguna duda específica sobre metrología, nuestro experimentado equipo de consultoría de ROTEC ENGINEERING estará encantado de ayudarle.
¿Ofrece ROTEC otros servicios además de los sistemas de medición, como, por ejemplo, asesoramiento personalizado o apoyo en proyectos?
ROTEC no solo ofrece sensores de velocidad, acondicionadores de señal, sistemas de medición (DAQ) y software de medición y evaluación, sino también servicios de ingeniería y consultoría.
Nuestros servicios incluyen el diseño de puntos de medición en CAD, el mecanizado de componentes, la instalación y calibración de sensores, la realización de tareas de medición y la evaluación de los resultados de acuerdo con los requisitos de nuestros clientes, incluida la presentación de los resultados. El equipo de ROTEC ENGINEERING también puede llevar a cabo subproyectos como parte del apoyo a proyectos.
¿Existe alguna formación o asistencia técnica para la puesta en marcha y la integración de los sistemas de medición?
Además de nuestra Semana de Formación ROTEC anual, que se imparte tanto en alemán como en inglés, también ofrecemos cursos de formación a medida para los usuarios. Estos cursos están especialmente adaptados a su aplicación concreta del sistema de medición ROTEC e incluyen demostraciones prácticas de medición en su propio entorno, además de los fundamentos teóricos y una presentación detallada del software. De este modo, nos aseguramos de que los futuros usuarios estén perfectamente preparados para su aplicación específica.
Además, estaremos encantados de ayudarle en la puesta en marcha de nuevos sistemas de medición para que pueda familiarizarse lo antes posible con los ajustes y las posibilidades del software RAS.
¿Cómo se garantiza la asistencia y existen opciones de autoayuda?
Además de nuestro equipo de ventas y asistencia técnica en Múnich, que atiende al mercado de Europa Central directamente desde aquí, ROTEC también colabora con socios locales en numerosos mercados de todo el mundo. Estos socios prestan apoyo a los usuarios locales en todo lo relacionado con la tecnología de medición de ROTEC, la asistencia de primer nivel y las consultas comerciales, gracias a personal cualificado.
Nuestros clientes de todo el mundo valoran la proximidad de nuestros equipos de ventas y asistencia, ya que esto nos permite garantizar una asistencia eficaz incluso en consultas de última hora.
Además del contacto personal, ROTEC también ofrece una amplia base de datos de conocimientos para la autoayuda. Regístrese en nuestra base de datos de conocimientos para obtener información detallada sobre la medición y el análisis de vibraciones torsionales, errores de transmisión y sistemas de válvulas, entre otros temas.
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