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CIDEAD. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL. EVALUACIÓN 2ªTema 6 .- Mecanismos II

Desarrollo del tema :

a. Mecanismos que transforman movimientos.

1. El trinquete.

2. Mecanismos biela-manivela.

3. Mecanismo piñón-cremallera.

4. El torno.

5. Mecanismo tornillo-tuerca.

6. Leva y excéntrica.

b. Elementos auxiliares de las máquinas.

7. Los cojinetes.

8. Acumuladores de energía.

9. Los frenos.

10. Los lubrificantes.

c. Balance energético en la transmisión de los movimientos.

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1. El trinquete.

El trinquete es un mecanismo destinado a impedir el giro de un eje en un sentido y permitirel giro en el otro. Normalmente, consta de una rueda dentada exterior o interior de dientes oblicuosy de una uña que actúa contra los dientes mediante un muelle o por el propio peso. El sentido debloqueo puede ser regulada en cada momento.

2. Mecanismos biela-manivela.

El mecanismo biela-manivela está destinado a transformar movimientos rectilíneosalternativos regulares en otro circular uniforme o viceversa.

Es un mecanismo que se aplica en una gran cantidad de elementos de máquinas. Porejemplo en el pistón del motor de explosión, que proporciona la fuerza necesaria para mover larueda motriz del coche; en un compresor, que proporciona el par necesario para comprimir el airecon el pistón.

En el caso del motor de explosión, la biela y el cigüeñal, permite mover la rueda motriz.Los pistones y las bielas, actúan como elemento motor y el cigüeñal como conducido.

Los elementos que forman el sistema biela-manivela son los siguientes:

El pistón, que se fabrica con un material muy resistente y ligero. Suele ser de duraluminio,es hueco para rebajar su inercia, puesto que se mueve a gran velocidad; posee una serie de

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ranuras en donde se montan unos segmentos para que ajuste perfectamente al cilindro. Estossegmentos están construidos con un material fuerte pero elástico. El pistón posee un orificio,donde se monta un eje vacío o bulón, que transmite el movimiento a la biela.La biela. Es el elemento que transmite la fuerza y el movimiento del pistón hasta lamanivela, al eje de la excéntrica o al cigüeñal. Es una pieza ligera y fuerte y por eso sefabrica en forma de doble T en su cuerpo central. En los puntos de articulación, se colocancojinetes o rodamientos lubrificados .La manivela, es una barra metálica que se articula con la biela y con el eje del rotor. Variasmanivelas unidas por un eje, recibe el nombre de cigüeñal. Esta pieza se encuentra sometidaa la fuerza alternativa de todos los pistones. Durante el recorrido, y para evitar los tiemposmuertos, los cigüeñales poseen en lugares muy calculados, unos contrapesos que permitenmover al cigüeñal en los tiempos muertos. Para equilibrar el sistema se coloca al final unvolante de inercia, que es un engranaje con una gran masa; en este engranaje, llamadocorona, es el lugar donde engrana el motor de arranque.

Sistema biela-cigüeñal en los automóviles

Los puntos en los que el pistón invierte su sentido de movimiento, se denominan puntos muertos y en ellos la velocidad es nula. Estos puntos muertos son dos: el punto muerto inferior y el superior.

Si la longitud de la manivela es lm y la de la biela es lb, el punto inferior será igual a lb – lm,en tanto que el punto muerto superior será : lb + lm.

El desplazamiento del pistón desde un punto muerto a otro, recibe el nombre de carrera y esigual a: 2 . lm.

Un ejemplo clásico de este sistema lo encontramos en el funcionamiento del motor deexplosión. En este caso, hay que tener en cuenta que funciona alternativamente describiendo cuatrotiempos:

Admisión. La válvula de admisión está abierta y la de escape cerrada. El piston se muevedesde el punto muerto superior al inferior, describiendo una carrera, produciendo un vacio

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que hace que la mezcla de gasolina aire entre en el cilindro.Compresión. Las dos válvulas se encuentran cerradas; el pistón comprime la mezcla graciasa la manivela inercial o ocontrapeso, moviéndose desde el punto muerto inferior al superior.Explosión. En este momento, con las dos válvulas cerradas, y gracias a una bujía, se produceun punto de ignición, explotando la mezcla, desplazando el pistón hasta el punto muertoinferior, debido a la compresión producida por la explosión .Escape. La válvula de escape se abre y los gases resultantes de la combustión soneliminados, pasando el pistón desde el punto muerto inferior al superior.En el siguiente esquema se explica los cuatro tiempos de un motor de explosión de unautomóvil.

3. Mecanismo piñón-cremallera.

Este mecanismo transforma un movimiento circular en lineal y viceversa. Está formada por

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Cigüeñal


una barra recta con un lado dentado, que recibe el nombre de cremallera y una rueda dentada querecibe el nombre de piñón. La cremallera se mueve de forma lineal, al realizar el piñón unmovimiento de rotación. Si la rotación del piñón es en ambos sentidos, la cremallera podrá realizarun movimiento alternativo.

El perfil de los dientes de la cremallera es de 40º. El piñón es un engranaje normal, condientes rectos o helicoidales. Cuando el piñón gira, la cremallera avanza el paso tantas veces comodientes posea el piñón. Como en el caso de los engranajes, se ha de cumplir que :

p = π . m , siendo m el módulo del piñón que es el cociente entre eldiámetro y el número de dientes.

Entre las aplicaciones que poseen se encuentran el sistema de dirección de los automóviles,el sistema de subida y bajada del taladro vertical, el tren de cremallera, para salvar pendienteselevadas, etc.

4. El torno.

El torno está formado por un cilindro, que puede girar en torno a un eje horizontal que pasapor su centro; dicho eje, se apoya en dos soportes verticales. Alrededor de la superficie lateral delcilindro se enrolla una cuerda, uno de cuyos extremos se ancla al propio cilindro y el otro extremose sujeta al objeto que se pretende levantar o resistencia ( R ). En el eje se acopla una manivela,donde se aplica la fuerza o bien se acopla el eje de un motor para hacer girar el eje.

Aplicando : Σ Mo = 0 , se cumplirá :

F . If = R . r

En este caso es la ley de la palanca aplicada al torno.

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5. Mecanismo tornillo-tuerca.

El mecanismo tornillo tuerca, además de ser un elemento de unión desmontable entre piezas,permite convertir un movimiento de rotación en lineal.

El tornillo es un cilindro provisto en su exterior de una rosca . La tuerca es un cilindro huecoprovisto de una rosca en su interior. La sección de la tuerca es generalmente hexagonal en susuperficie exterior. Tanto la tuerca como el tornillo va provisto de un pieza enrollada helicoidal querecibe el nombre de filete.

Las formas del filete pueden ser:

a. Rectangular, usados para el movimiento.b. Triangulares, usados para fijación de piezas. Estas pueden ser métricas (M) , si el ángulo es de 60º, o withworth (W) si el ángulo es de 55º, usada por los anglosajones.c. Trapezoidales, usadas tanto para el movimiento como para la fijación de piezas.

Recibe el nombre de paso, p la distancia entre dos puntos iguales de dos filetesconsecutivos, medida sobre la generatriz.

En un tornillo puede haber una, dos o tres entradas, si existen más de un filete enrollado.

Se denomina avance, A al producto del paso (p) por el número de entradas (a).

A = a . p

Según esto el trabajo motriz será

WF = F.2.π . lF

El trabajo resultante será:

WR = R . A

Si igualamos ambos trabajos: WF = WR

F.2.π . lF = R . A

Es decir : F = R.Aavance

2 . l f

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Roscados

h = hilos por pulgadap = (25,4/h) (mm) ; 1 inch (1”) = 25,4 mm.


6. Leva y excéntrica.

Las levas y las excéntricas son elementos que transforman un movimiento circular en unmovimiento circular alternativo .

La excéntrica consiste en un disco cuyo eje de giro no coincide con el centro. La distanciaentre el centro del disco y el centro de giro, se denomina excentricidad. El movimiento transmitidodepende del perfil de la pieza que gira.

La leva consiste en un disco irregular, que gira en torno a un eje que pasa por su centro.Sobre la periferia de la excéntrica o la leva, se coloca una varilla seguidora con un sistema

de recuperación mecánica para que siga su movimiento. La varilla seguidora puede ser:

Oscilante, cuando el seguidor realiza un movimiento alternativo hacia arriba y hacia abajo.

Sistema leva- seguidor lineal. Permiten transformar los movimientos de rotación en linealalternativo irregular. Para que ello sea posible, es necesario que en todo momento lasuperficie de la leva se encuentre en contacto con el taqué seguidor o varilla.

Se denomina elevación al máximo desplazamiento que se produce en el eslabón seguidor.

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Seguidor de rodillo

Seguidor de zapata


b. Elementos auxiliares de las máquinas.

Entre los elementos auxiliares que se pueden encontrar en los mecanismos son lossiguientes:

7. Los cojinetes.

Tanto los ejes como los árboles de transmisión necesitan unos puntos donde apoyarse parasoportar el peso, guiarlos en su rotación y evitar desplazamientos. Un cojinete es un elementomecánico que tiene como función la de soportar y permitir el giro de un eje o de un elemento móvilde una máquina, con el rozamiento lo más suave posible. Los cojinetes pueden ser de fricción, si elcontacto con el elemento móvil se produce por deslizamiento, se realiza la unión mediantecasquillos o bujes; o de rodamiento, cuando el contacto se realiza mediante elementos móviles porrodadura ( rodamientos de bolas o rodamientos cilíndricos).

8. Acumuladores de energía.

Los acumuladores de energía son los elementos de máquinas capaces de almacenar unaclase de energía determinada y suministrarla posteriormente. Los más empleados son:

a. Los elementos elásticos. Son elementos que se deforman por la acción de una fuerza decompresión, tracción, flexión, o torsión y que recupera su forma original cuando la fuerza deja deactuar. Entre estos elementos se encuentran: los muelles o los anillos elásticos.

b. las ballestas. Son elementos elásticos formados por láminas de acero de diferentelongitud, unidas por diferentes abrazadoras. Las ballestas se someten a flexión. Se utilizan en lasuspensión de los vehículos, para evitar que las vibraciones del firme de la carretera.

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c. El volante de inercia es una rueda o disco macizo de fundición o acero, que se montaen un eje para asegurar un giro regular. Las irregularidades del eje de giro se compensan con laenergía que el volante ha acumulado, de modo que se frena el giro cuando el eje tiende a acelerar ylo obliga a girar cuando éste tiende a detenerse.

9. Los frenos.

Los frenos son elementos disipadores de energía. Sirven para reducir o parar el movimientode uno o varios elementos de una máquina cuando era necesario. La energía mecánica se transformaen energía calorífica por la fricción entre dos piezas denominadas frenos. Los más utilizados son losfrenos de disco, de tambor o eléctricos.

1. Frenos de disco. Consta de un disco que gira solidariamente con el eje y de una pieza,llamada pastilla, situada en una determinada zona del disco. Al accionar la pastilla, aprisionaal disco, produciendo una disminución de la velocidad del eje o el frenado completo. Seutilizan sobre todo en los automóviles.

2. Frenos de tambor. Son frenos usados también en automoción. Consta de una pieza, denominada tambor,

que gira solidariamente con el eje de rotación. La otra pieza está sujeta al bastidor y se denominazapata, que al accionar el freno se aproxima al tambor, por lo que la velocidad de giro disminuye.La zapata puede interaccionar con el tambor en el exterior o en el interior, dando lugar a frenos detambor exteriores o interiores.

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Zapataexterior

Zapatainterior


Para aumentar el rozamiento, los frenos de disco o de tambor, suelen tener en la zona decontacto con el disco o tambor, una película de amianto que recibe el nombre de ferodo; cuandoéste se calienta, el rendimiento del freno disminuye, dando lugar al fenómeno de fatiga térmica.

Frenado eléctrico.

El sistema de frenado eléctrico transforma la energía cinética de rotación que se pretendedetener, en energía eléctrica, transformándose en energía calorífica y se disipa en el medioambiente, o bien se puede aprovechar para otro acometido.

Cuando la energía se disipa al medio ambiente, el sistema utilizado es un disco conductor.Cuando se quiere aprovechar la energía resultante, el sistema es un rotor con devanados.

Ambos sistemas giran con el eje y se encuentran rodeados por un electroimán fijado albastidor. El sistema funciona mediante atracción de los campos magnéticos, que permite frenar elrotor hasta pararlo.

Los camiones y los autobuses, poseen este sistema de frenado además del mecánico.

10. Los lubrificantes.

Las piezas al girar, rozan unas con otras y al presentar rugosidades sufren desgastes físicos yocasionan un calentamiento por fricción. Para evitar este efecto que podría ser peligroso para lasmáquinas, se realiza una lubricación o engrasado que consiste en interponer una película delubrificante entre las superficies que se desplazan o en los elementos de las máquinas que trabajanmoviéndose uno respecto al otro.

Los lubricantes más utilizados son los aceites minerales, clasificándose según su viscosidad.La grasa es un aceite que a temperatura ambiente se presenta en forma pastosa. Dependiendo de loselementos que se vayan a lubrificar, se utilizará un aceite con determinada viscosidad.

La dispersión del lubrificante se hará por aportación externa, por presión o por chapoteo.

c. Balance energético en la transmisión de los movimientos.

La elección y el diseño del tipo de transmisión de movimientos en una máquina dependerádel trabajo que deba realizarse. La potencia será igual:

P = F . v

La Potencia, P se mide en vatios (W).La Fuerza, F se mide en Newton (N) La velocidad, v se mide en (m/s)

Si se considera que la velocidad lineal es igual a la angular por el radio, se obtendrá :v = ω . R

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La Potencia P = F . ω . R

Si el momento del par M = F . R La Potencia, P = M . ω

M , el momento del par se mide en N . m ω , velocidad angular se mide en (rad/s)

1 rev. = 2 . π rad = 360 º

Si en la transmisión no existe pérdidas, la potencia del par motor será igual a la potenciaesistente.

MM . ω M = MR . ω R

n será la velocidad angular en rev/ min, entonces ω = n . 2.60

(rad/s)

MM . n1 = MR . n2 ; ω1 MM = ω2 Mr

La relación de transmisión será i=z1

z2

=ω 2ω 1

=n2

n1

=M 1

M 2

→M M=i .M R

Cuando i > 1, entonces actúa como multiplicador. La velocidad de salida es mayor que lavelocidad de entrada.

Cuando i < 1, entonces es reductor. La velocidad de salida es menor que la entrada.Cuando i = 1, el sistema es simplemente un sistema transmisor de movimiento con la

misma velocidad y par de entrada que de salida.

En los sistemas de transmisión de movimientos, se cumple el principio de conservación de laenergía, convirtiéndose parte de la energía en calor.

Considerando que la potencia es el cociente entre la energía y el tiempo, se debe de tener encuenta:

Pab (Potencia absorbida). Es la potencia de entrada del sistema. Cuando el sistema esmecánico, la potencia es mecánica.Pu (Potencia útil). Es la potencia de salida del sistema que puede aprovecharse realmente yque será inferior a la potencia absorbida.Rendimiento (η) . Es la relación entre la potencia útil y la absorbida. Se mide en tanto porciento.Potencia perdida ( PP) es la diferencia entre la potencia absorbida y la potencia útil.

PP = Pab - Pu

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