Sistemas mecánicos
El diseño de una maquina moderna es a menudo complejo. Por ejemplo, para diseñar un nuevo motor, el ingeniero en automovilismo debe dar respuesta a muchas preguntas interrelacionadas, interrelacionadas, como las siguientes: ¿Cuál es la relación entre el movimiento del pistón y el del cigüeñal? ¿Cuáles serán las velocidades de deslizamiento y las cargas en las superficies lubricadas y qué lubricantes existen para este fin? ¿Qué cantidad de calor se generará y como se enfriará el motor? ¿Cuáles son los requisitos de sincronización y control, y como se satisfacen? ¿Cuál será el costo para el consumidor, tanto por lo que respecta a la compra inicial como en lo referente al funcionamiento y mantenimiento continuos? ¿Qué materiales y métodos de fabricación se emplearán? ¿Cuál será el ruido y cuales las emisiones de salida o escape? ¿Se satisfacen los requisitos legales? Aunque estas y muchas otras preguntas importantes se deben responder antes de que el diseño llegue a su etapa final es necesario reunir personas de las más diversas especialidades para producir un diseño adecuado y hacer acopio de muchas ramas de la ciencia.
La mecánica es la rama del análisis científico que se ocupa de los movimientos, el tiempo y las fuerzas, y se divide divi de en dos partes, Estática y Dinámica. La estática trata del análisis de sistemas estacionarios, es decir de aquellos en que el tiempo no es un factor determinante y la dinámica se refiere a los sistemas que cambian con el tiempo, para el caso de la dinámica Euler (1775), la constituye en dos disciplinas generales que posteriormente las denominaron ciencias, estas son la cinemática (del vocablo griego Kinema, que significa movimiento) y cinética que se ocupan, respectivamente de las fuerzas que lo producen.
Mecánica
Dinámica
Cinemática
Estática
Cinética
Cinemática es el estudio del movimiento independientemente de las fuerzas que lo producen. De manera manera más específica, la cinemática cinemática es el estudio de la posición, el desplazamiento, la rotación, la rapidez, la velocidad y la aceleración. Así, se lee el diccionario de la Real Academia Española de la Lengua, “maquina es cualquier artificio que sirve para aprovechar, dirigir o regular la acción de una fuerza”. Según Reuleaux, define defi ne una maquina “como una combinación de cuerpos
resistentes de tal manera que, por medio de ellos, las fuerzas mecánicas de la naturaleza y se pueden encausar para realizar un trabajo acompañado de movimiento
determinado”.
También
define
un
mecanismo
como
una
“combinación de cuerpos resistentes conectados por medio de articulaciones
móviles para formar una cadena cinemática cerrada con un eslabón fijo, y cuyo propósito es transformar el movimiento”.
Debido a estas diferencias, para nuestro estudio utilizaremos los siguientes conceptos: Una maquina es una combinación de cuerpos rígidos, conectados por medio de articulaciones que le permiten un movimiento relativo definido y son capaces de transmitir o transformar energía. Una maquina siempre debe de ser abastecida con
energía de una fuente externa. Su utilidad consiste en su habilidad para alterar la energía suministrada y convertirla eficazmente para el cumplimiento deseado. En una máquina, los términos fuerza, momento de torsión (no par de motor), trabajo y potencia describen los conceptos predominantes. Un motor de combustión interna es un ejemplo de una máquina, transforma la energía de presión del gas en un trabajo mecánico entregándolo en el cigüeñal, esta máquina transforma un tipo de energía a otro. Un mecanismo es una combinación de cuerpos rígidos, conectados por medio de articulaciones que les permiten un movimiento relativo definido, enfocado a la transformación del movimiento. En un mecanismo, aunque puede transmitir la potencia de una fuerza, el concepto predominante que tiene presente el diseñador es lograr un movimiento deseado. Cuando se habla de un mecanismo, se piensa en un dispositivo que producirá ciertos movimientos mecánicos, haciendo a un lado el problema de si está capacitado para hacer un trabajo útil. El modelo en funcionamiento de cualquier máquina, el conjunto de las piezas de un reloj y las partes móviles de un instrumento de ingeniería, reciben el nombre de mecanismos, porque la energía transmitida es muy poca, precisamente lo suficiente para sobreponer la fricción y el factor importante lo forman los movimientos producidos. El conjunto formado por manivela, biela y pistón de un motor de combustión interna, es un ejemplo de un mecanismo. Se puede arrojar más luz sobre estas definiciones contrastándolas con el término estructura, que es también una combinación de cuerpos (rígidos) resistentes conectados por medio de articulaciones, pero cuyo propósito no es efectuar algún trabajo ni transformar el movimiento. Una estructura (como por ejemplo, una armadura o chasis) tiene por objeto ser rígida; tal vez pueda moverse de un lado a otro y en ese sentido es móvil, pero carece de movilidad interna, no tiene movimientos relativos entre sus miembros, mientras que las máquinas y mecanismos lo tienen.
Existe una analogía directa entre los términos estructura, mecanismos y máquinas y las tres ramas de la mecánica, el término estructura es a la estática lo que el término mecanismo es a la cinemática y el término máquina es a la cinética. Componentes de las máquinas
Cualquier máquina se compone de un número determinado de elementos (piezas, componentes), unos fijos y otros móviles, agrupados a veces para ejecutar tareas diferentes dentro de una misma máquina (formando mecanismos diversos). Así, se encuentran máquinas y mecanismos muy simples, constituidos por pocas piezas, hasta otras más complejas, constituidas por miles de piezas como el motor de combustión interna. A pesar de la enorme complejidad, en algunos casos, la realidad es que el número de componentes de las máquinas, conceptualmente diferentes, es bastante limitado (aun cuando en cada máquina puedan presentar formas y tamaños diversos). Por ejemplo: Elementos de soporte:
Bastidores
Cojines de fricción
Cojinetes de rodamientos
Ejes
Elementos neumáticos e hidráulicos
Cilindros
Válvulas
Bombas
Elementos de los sistemas de control
Sensores (mecánicos, eléctricos, etc)
Igual que el número de componentes diferentes de las máquinas esta limitado, también lo están los diferentes materiales con que pueden ser construidos:
Hierro y sus aleaciones
Aluminio, magnesio, cobre, etc y sus aleaciones
Goma, madera, cuero, etc
Plásticos y fibras sintéticas, cerámicas, etc.
El conjunto de elementos y mecanismos que contribuyen todas las maquinas pueden a su vez agruparse en un conjunto de sistemas o subsistemas que de una o otra forma, con mayor o menor virtualidad, están presentes en todas las maquinas. Estos sistemas son:
Sistemas de adquisición, transformación o generación de energía motriz.- En
el caso de un automóvil, el motor transforma la energía química del combustible en energía mecánica, es decir, en el giro del cigüeñal con un par determinado.
Sistema de transmisión y conversión de movimientos y fuerzas.- conducente
en última estancia, a la realización del trabajo útil, en el caso de un automóvil, este sistema está constituido por el embrague, caja de cambios, transmisión y mecanismo diferencial que acciona las ruedas motrices y permiten el movimiento del vehículo.
Sistema de control.- que permite dirigir y controlar la potencia, movimientos,
etc, de la propia máquina, para el caso del automóvil, se encuentran dos subsistemas: la dirección, que permite dirigir la ruta del vehículo y el freno, acelerador y palanca y caja de cambios, que permiten controlar la potencia del motor y la velocidad del vehículo.
Sistema de lubricación.- imprescindible en todas las máquinas, que permite
disminuir los rozamientos y desgastes entre los elementos en contacto con movimiento relativo entre ellos, en el caso del automóvil está formado por el depósito de aceite, bomba de impulsión, conductos, filtros, etc. Transmisión de movimiento
Una transmisión mecánica es una forma de intercambiar energía mecánica distinta a las transmisiones neumáticas o hidráulicas, ya que para ejercer su función emplea el movimiento de cuerpos sólidos, como lo son engranes y/o correas de transmisión, en la gran mayoría de los caso estas transmisiones se realizan a través de elementos
rotantes ya que la transmisión de energía por rotación ocupa mucho menos espacio que aquella por traslación. Típicamente, la transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente, las transmisiones primitivas comprenden reductores y engranes de angulo recto como en los de los molinos de viento y máquinas de vapor (especialmente para tareas de bombeo, molienda o elevación). En general, las transmisiones reducen una rotación de alta velocidad y bajo par motor del eje de salida del impulsor primario a una velocidad más baja con par de giro mas alto, o a la inversa. Muchos sistemas, como las transmisiones empleadas en los automóviles, incluyen la capacidad de seleccionar algunas de varias relaciones diferentes. En estos casos, la mayoría de las relaciones (llamadas usualmente marchas o cambios) se emplean para reducir la velocidad de salida del motor e incrementar el par de giro, sin embargo, las relaciones más altas pueden ser sobre marchas que aumentan la velocidad de salida. También se emplean transmisiones en equipamiento naval, agrícola, industrial de construcción y de minería. Adicionalmente a las trasnmisiones basadas en engranajes, estos dispositivos suelen emplear trasnmisiones hidrostáticas y accionadores eléctricos de velocidad ajustable. Entre las formas más habituales de transmisión están:
Correas (como la correa de distribución)
Cadenas
Barras (en mecanismos articulados como el cuadrilátero articulado o el mecanismo de biela – manivela)
Cables (la mayoría únicamente funcionan a tracción aunque hay cables especiales para trasmitir otro tipo de esfuerzos como los cables de torsión)
Engranajes
Ruedas de fricción (trasmiten movimiento perimetral, como las ruedas de un vehiculo)
Discos de fricción (transmiten movimiento axial, como un disco de embrague)
Juntas-cardan y juntas homocinéticas
Chumaceras
Trasmisión de potencia para transporte
Utilizamos máquinas de forma cotidiana. La mayoría de ellas incorporan mecanismos que transmiten y/o transforman movimientos. El diseño de máquinas exige escoger el mecanismo adecuado, no solo por los elementos que lo componen, sino también por los materiales y medidas de cada uno. Las cadenas, engranajes y correas se usan para la transmisión de potencia entre ejes que rotan y que no están directamente acoplados. Prácticamente se usan como trasmisores directos (acoplamientos flexibles y reductores de velocidad), aumentadores de fuerza (rueda dentada grande y reductor de velocidad), aumentadores de velocidad (rueda dentada pequeña y reductor de velocidad), transmisiones intermitentes (espaciadores) y movimientos oscilatorios (seguidores, rodillo y leva). Los mecanismos de transmisión se encargan de transmitir movimientos de giro entre ejes alejados. Están formados por un árbol motor (conductor), un árbol resistente (conducido) y otros elementos intermedios que dependen del mecanismo particular. Una manivela o un motor realizan el movimiento necesario para provocar la rotación del mecanismo. Las diferentes piezas del mecanismo transmiten este movimiento al árbol resistente, solidario a los elementos que realizan el trabajo útil. El mecanismo se diseña para que las velocidades de giro y los momentos de torsión implicados sean los deseados, de acuerdo con una relación de transmisión determinada.
Figura. Tornillo sin fin - Corona Este mecanismo permite transmitir el movimiento entre árboles que se cruzan. El eje propulsor coincide siempre con el tornillo sin fin, que comunica el movimiento de giro a la rueda dentada que engrana con él, llamada corona. Una vuelta completa del tornillo provoca el avance de un diente de la corona. En ningún caso puede usarse la corona como rueda moriz. Puede observarse un tornillo sin fin en el interior de muchos contadores mecánicos.
Figura. Engrane cónico Es un mecanismo formado por dos ruedas dentadas troncocónicas. El paso de estas ruedas depende de la sección considerada, por lo que deben engranar con ruedas de características semejantes. El mecanismo permite transmitir movimiento entro árboles con ejes que se cortan. En los taladros se usa este mecanismo para cambiar de broca. Aunque normalmente los ejes de los árboles son perpendiculares, el sistema funciona también para ángulos arbitrarios entre 0 y 180 grados. Las prestaciones del mecanismo son parecidas a las del engranaje recto.
Figura. Engrane recto
Está formado por dos ruedas dentadas cilíndricas rectas. Es un mecanismo de transmisión robusto, pero que sólo transmite movimiento entre ejes próximos y en general paralelos. En algunos casos puede ser un sistema ruidoso, pero que es útil para transmitir potencias elevadas. Requiere lubricación para minimizar el rozamiento. Cada rueda dentada se caracteriza por el número de dientes y por el diámetro de la circunferencia primitiva. Estos dos valores determinan el paso, que debe ser el mismo en ambas ruedas.
Figura. Polea El mecanismo está formado por dos ruedas simples acanaladas, de manera que se puedan conectar mediante cinta o corre tensionada. El dispositivo permite transmitir el movimiento entre ejes alejados, de manera poco ruidosa. La correa, sin embargo, sufre un desgaste importante con el uso y puede llegar a fracturarse. Se debe de tensar, mediante un carril tensor, para evitar deslizamientos y variaciones de la relación de transmisión. No es un mecanismo que se use cuando se debe transmitir potencias elevadas.
Figura. Articulación universal
La articulación universal o junta de Cardan resulta útil para transmitir potencias elevadas entre ejes que se cortan formando un ángulo cualquiera, próximo a 180 grados. Este mecanismo se puede encontrar en el sistema de transmisión de muchos vehículos. Una pieza de cuatro brazos, con forma de cruz, mantiene unidas las horquillas que hay en el extremo de cada eje, permitiendo la movilidad del conjunto. El sistema es bastante robusto y si se usan dos juntas mediante un árbol intermedio, el giro puede transmitirse a árboles de ejes no paralelos. En este caso, el árbol intermedio sufre esfuerzos de torsión considerables.
Figura. Ruedas de fricción El movimiento de giro se transmite entre ejes paralelos o que se cortan formando un ángulo arbitrario entre 0 y 180 grados, como en el caso de los engranajes hay ruedas de fricción rectas y tronco cónicos. El mecanismo está formado por dos ruedas en contacto directo, a una cierta presión. El contorno de las ruedas est.a revestido de un material especial, de forma que la transmisión de movimiento se produce por rozamiento entre las dos ruedas. Si las ruedas son exteriores, giran en sentidos opuestos.
Figura. Sistema compuesto por poleas El mecanismo está formado por más de dos poleas compuestas mediante cintas o correas tensas. Las poleas compuestas de dos o más ruedas acanaladas simples unidas a un mismo eje. En el caso más sencillo, se usan tres poleas doble idénticas, de forma que la rueda pequeña de una polea doble conecta con la rueda grande de la polea siguiente. Así se consiguen relaciones de transmisión, multiplicadoras o reductoras, mayores que en el sistema simple.
Figura. Transmisión por cadena Las dos ruedas dentadas se comunican mediante una cadena o una correa dentada tensa. Cuando se usa una cadena el mecanismo es bastante robusto, pero más ruidoso y lento que uno de poleas. Todas las bicicletas incorporan una transmisión por cadena. Los rodillos de la cadena están unidos mediante eslabones y dependiendo del número de huecos, se conectan uno o varios dientes de las ruedas. En algunas máquinas, la rueda menor suele llamarse piñón y la rueda mayor plato. Utilizando este mecanismo se consigue que las ruedas giren en el mismo sentido.
Figura. Tren de engranes compuestos
El mecanismo está formado por más de dos ruedas dentadas compuestas, que se conectan. Las ruedas compuestas constan de dos o más ruedas dentadas simples solidarias a un mismo eje. En el caso más sencillo, se usan tres ruedas dentadas dobles idénticas, de forma que la rueda pequeña de una rueda doble se conecte con la rueda grande de la rueda doble siguiente. Así se consiguen relaciones de transmisión, multiplicadoras o reductoras muy grandes. Su nombre viene dado por el producto de los dos engranajes simples que tiene el mecanismo.
Figura. Tren de engranes simples El mecanismo está formado por más de dos ruedas dentadas simples, que se conectan. La rueda motriz transmite el giro a una rueda intermedia, que suele llamarse rueda loca o engrane loco. Finalmente, el giro se trasmite a la rueda solidaria al eje resistente. Esta disposición permite que el eje motor y el resistente
giren en el mismo sentido. También permite transmitir el movimiento a ejes más lejanos.
Sistema multiplicador de velocidad
La velocidad de las ruedas se mide normalmente en revoluciones por minuto (rpm) o vueltas por minuto. Los sistemas de poleas con correa presentan una serie de ventajas que hacen que hoy en día sean de uso habitual. Veamos algunas de ellas: Posibilidad de transmitir un movimiento circular entre dos ejes situados a grandes distancias entre sí, como, funcionamiento suave y silencioso, diseño sencillo y costo de fabricación bajo, si el mecanismo se atasca la correa puede desprenderse y, de este modo, se detiene el sistema. Este efecto contribuye a la seguridad probada de muchas máquinas que emplean este mecanismo como pueden ser taladros industriales. Sin embargo, también este sistema presenta algunos inconvenientes: La primera de las ventajas puede ser una desventaja, es decir, este mecanismo ocupa demasiado espacio, la correa puede patinar si la velocidad es muy alta con lo cual no se garantiza una transmisión efectiva, la potencia que se puede transmitir es limitada. Definición: Definimos la relación de transmisión (i) como la relación que existe entre
la velocidad de la polea salida (n2) y la velocidad de la polea de entrada (n1).
expresión que es válida para todos los sistemas de transmisión circular que veremos en adelante. La relación de transmisión, como su nombre indica, es una relación de dos cifras, no una división. Ejemplo 1 : Supongamos un sistema reductor de modo que:
n1=velocidad
de
la
polea
motriz
(entrada)
es
de
400
rpm.
n2 = velocidad de la polea conducida (salida) es de 100 rpm. En este caso, la relación de transmisión es:
Una relación de transmisión 1:4 significa que la velocidad de la rueda de salida es cuatro veces menor que la de entrada.
Ejemplo 2 : Supongamos un sistema multiplicador de modo que:
n1
=
velocidad
de
la
polea
motriz
(entrada)
es
de
100
rpm.
n2 = velocidad de la polea conducida (salida) es de 500 rpm. En este caso, la relación de transmisión es:
Una relación de transmisión 5:1 significa que la velocidad de la rueda de salida es cinco veces mayor que la de entrada. Nota que la relación es 5/1 y no 5, pues ambos número nunca deben dividirse entre sí (todo lo más simplificarse). La relación de transmisión también se puede calcular teniendo en cuenta el tamaño o diámetro de las poleas.
donde d1=diámetro
de
la
polea
motriz
(entrada).
d2 = diámetro de la polea conducida (salida). Se puede calcular la velocidad de las poleas a partir de los tamaños de las mismas
n1·d1 = n2·d2 expresión que también se puede colocar como…
Ejemplo:
Tengo un sistema de poleas de modo que: La polea de salida tiene 40 cm de diámetro y la de entrada 2 cm de diámetro. Si la polea de entrada gira a 200 rpm a) Halla la relación de transmisión b) Halla la velocidad de la polea de salida c) ¿Es un reductor o un multiplicador? Datos: n1 = velocidad de la polea entrada) es de 200 rpm. n2 = velocidad de la polea salida es la incógnita d1 = diámetro de la polea entrada es 2 cm d2 = diámetro de la polea salida es 40 cm a) b) n1·d1 = n2·d2
200 rpm·2 cm = n2·40 cm
c) Es un reductor porque la velocidad de la polea de salida es menor que la velocidad de la polea de entrada (n2 < n1). Si quieres visualizar mejor los sistemas de poleas con correa, tienes a tu disposición un ejemplo de cada modelo a través de animaciones En la siguiente animación observarás un mecanismo de poleas con correa reductor, suponiendo que la polea de la izquierda sea la motriz. Al ser el diámetro de la polea conducida d2 = 40 mm y el de la polea motriz d1 = 20 mm, la relación de transmisión de este sistema es
de este modo se puede concluir que dos giros de la polea motriz equivalen a un solo giro de la polea conducida. Calcula la siguiente transmisión mediante correas y poleas. Indica la velocidad de cada una de las ruedas.
FÓRMULA: n1 · d1 = n2 · d2 = n3 · d3 n1 = velocidad de la polea entrada es de 3000 rpm. n2 = velocidad de la polea salida es una de las incógnitas n3 = velocidad de la polea salida es una de las incógnitas n4 = velocidad de la polea salida es la incógnita final d1 = diámetro de la polea entrada es 30 cm d2 = diámetro de la polea salida es 10 cm d3 = diámetro de la polea salida es 50 cm d4 = diámetro de la polea salida es 10 cm - Cálculo de la velocidad Eje 2 n1·d1 = n2·d2 3000rpm · 30cm = n2 · 10cm n2 = (3000·30)/10 = 90000/10 = 9000 rpm - Cálculo de la velocidad Eje 3 La velocidad de una rueda es la misma si tomamos la medida tanto en n2 como en n3, así que:
n3 = n2 Seguimos: n3·d3 = n4·d4 9000rpm · 50cm = n4 · 10cm n4 = (9000·50)/10 = 450000/10 = 45000 rpm En resumen, la velocidad de las ruedas es : Rueda 1: 3000 rpm Rueda 2: 9000 rpm Rueda 3: 45000 rpm EXTRA
El enunciado no lo pide, pero si quisiéramos calcular el factor de transmisión entre la primera y segunda rueda, sería así de fácil: i12 = d1/d2 = 30/10 = 3
En este caso, el tipo de movimiento que tiene el elemento de entrada del mecanismo (elemento motriz) coincide con el tipo de movimiento que tiene el elemento de salida (elemento conducido). Los mecanismos de transmisión pueden ser, a su vez, agrupados en dos grandes grupos: Mecanismos de transmisión circular: En este caso, el elemento de entrada y el elemento de salida tienen movimiento circular. Ejemplo: Los sistemas de engranajes. Mecanismos de transmisión lineal: En este caso, el elemento de entrada y el elemento de salida tienen movimiento lineal. Ejemplo: La palanca. Sistemas de poleas
Una polea es una rueda que tiene una ranura o acanaladura en su periferia, que gira alrededor de un eje que pasa por su centro. Esta ranura sirve para que, a través de ella, pase una cuerda que permite vencer una carga o resistencia R, atada a
uno de sus extremos, ejerciendo una potencia o fuerza F, en el otro extremo. De este modo podemos elevar pesos de forma cómoda e, incluso, con menor esfuerzo, hasta cierta altura. Es un sistema de transmisión lineal puesto que resistencia y potencia poseen tal movimiento. Podemos distinguir tres tipos básicos de poleas: a) Polea fija: Como su nombre indica, consiste en una sola polea que está fija a algún lugar. Con ella no se gana en Fuerza, pero se emplea para cambiar el sentido de la fuerza haciendo más cómodo el levantamiento de cargas al tirar hacia abajo en vez de para arriba, entre otros motivos porque nos podemos ayudar de nuestro propio peso para efectuar el esfuerzo. La fuerza que tenemos que hacer es igual al peso que tenemos que levantar (no hay ventaja mecánica) F=R. Así, por ejemplo, si deseo elevar una carga de 40 kg de peso, debo ejercer una fuerza en el otro extremo de la cuerda de, igualmente, 40 kg. b) Polea móvil: Es un conjunto de dos poleas, una de las cuales es fija, mientras que la otra es móvil. La polea móvil dispone de un sistema armadura-gancho que le permite arrastrar la carga consigo al tirar de la cuerda. La principal ventaja de este sistema de poleas es que el esfuerzo que se emplea para elevar la carga representa la mitad del que haría si emplease una polea fija. Así, por ejemplo, si quisiera elevar una carga de 40 kg de peso, basta con ejercer una fuerza de tan sólo 20 kg. Esto supone que la cuerda que emplee para este mecanismo pueden ser la mitad de resistentes que en el caso anterior. Sin embargo, presenta una desventaja: El recorrido que debe hacer la cuerda para elevar la carga una altura determinada (h) debe ser el doble de la altura buscada (2h).
Aunque consta de dos poleas, en realidad se puede construir este mecanismo con una sola polea (observa la imagen de la derecha). Para ello se debe fijar un extremo de la cuerda, la carga a la polea y tirar de la cuerda de forma ascendente. Precisamente, este es la desventaja, mientras que en el caso de emplear dos poleas, este problema desaparece. c) Sistemas de poleas compuestas : Existen sistemas con múltiples de poleas que pretenden obtener una gran ventaja mecánica, es decir, elevar grandes pesos con un bajo esfuerzo. Estos sistemas de poleas son diversos, aunque tienen algo en común, en cualquier caso se agrupan en grupos de poleas fijas y móviles: destacan los polipastos:
Polipasto: Este mecanismo está formado por grupos de poleas fijas y móviles, cada uno de ellos formado a su vez por un conjunto de poleas de diámetro decreciente y ejes paralelos entre sí que se montan sobre la misma armadura, de modo que existe el mismo número de poleas fijas que móviles. El extremo de la cuerda se sujeta al gancho de la armadura fija y se pasa alternativamente por las ranuras de las poleas — de menor a mayor diámetro en el caso del polispasto — comenzando por la del grupo móvil y terminando en la polea fija mayor o extrema donde quedará libre el tramo de cuerda del que se tira. La expresión que nos indica el esfuerzo que se debe realizar para vencer una carga (o resistencia) es la siguiente:
siendo n el número de poleas fijas del polipasto. Así, por ejemplo, si disponemos de un polipasto de tres poleas móviles, el esfuerzo que debo realizar para elevar una carga es seis veces menor (2n = 2·3 =6). Suponiendo que la carga sea, por poner
un ejemplo, de 60 kg, el esfuerzo que deberíamos efectuar en este caso es de 10 kg. Otro modelo de polipasto es aquel que emplea dos ramales distintos paralelos y a distinta altura en los que se alojan las poleas. En el ramal superior se sitúan las poleas fijas y en el de abajo las poleas móviles, conjuntamente con la carga. Por último, es importante señalar que en este tipo de sistema, al igual que la polea móvil, debemos hacer un mayor recorrido con la cuerda; mayor recorrido cuanto mayor es el número de poleas.
Tornillo sinfín y rueda dentada (corona)
El tornillo sin fin es un mecanismo de transmisión circular compuesto por dos elementos: el tornillo (sinfín), que actúa como elemento de entrada (o motriz) y la rueda dentada, que actúa como elemento de salida (o conducido) y que algunos
autores llaman corona. La rosca del tornillo engrana con los dientes de la rueda de modo que los ejes de transmisión de ambos son perpendiculares entre sí. El funcionamiento es muy simple: por cada vuelta del tornillo, el engranaje gira un solo diente o lo que es lo mismo, para que la rueda dé una vuelta completa, es necesario que el tornillo gire tantas veces como dientes tiene el engranaje. Se puede deducir de todo ello que el sistema posee una relación de transmisión muy baja, o lo que es lo mismo, es un excelente reductor de velocidad y, por lo tanto, posee elevada ganancia mecánica. Además de esto, posee otra gran ventaja, y es el reducido espacio que ocupa.
Ejemplos del arreglo tornillo sinfín-corona
El tornillo es considerado una rueda dentada con un solo diente que ha sido tallado helicoidalmente (en forma de hélice). A partir de esta idea, se puede deducir la expresión que calcula la relación de transmisión:
donde Z representa el número de dientes del engranaje. Veamos un ejemplo: supongamos que la rueda tiene 60 dientes. En este caso, el
tornillo debe dar 60 vueltas para el engranaje complete una sola vuelta y, por lo tanto, la relación de transmisión del mecanismo es
Este mecanismo no es reversible , es decir, la rueda no puede mover el tornillo porque se bloquea. En nuestra vida cotidiana lo podemos ver claramente en las clavijas de una guitarra. En este caso, la cuerda es recogida con precisión por el eje de transmisión de una pequeña rueda dentada que es conducida por un tornillo que gira gracias a la acción de la clavija.
Rodamientos
Los rodamientos se diseñan para permitir el giro relativo entre dos piezas y para soportar cargas puramente radiales, puramente axiales o combinaciones de ambas. Cada tipo de rodamiento presenta unas propiedades que lo hacen más o menos adecuado para una aplicación determinada. Los rodamientos son unos cojinetes en los que se intercala entre el árbol y el soporte, una serie de bolas o rodillos que sustituye el rozamiento por fricción por el de rodadura que es mucho menor. Las ventajas, aparte de esta última comentada, son el calentamiento y el desgaste son pequeños, admite mayores presiones tanto radiales como axiales y permite mayores velocidades contribuyendo a la unificación de medidas debido a la normalización.
La fabricación de los cojinetes de bolas es la que ocupa en tecnología un lugar muy especial, dados los procedimientos para conseguir la esfericidad perfecta de la bola. Los mayores fabricantes de ese tipo de cojinetes emplean el vacío para tal fin. El material es sometido a un tratamiento abrasivo en cámaras de vacío absoluto. El producto final no es casi perfecto, también es atribuida la gravedad como efecto adverso. Las bolas no se o rodillos no se tocan entre sí porque aumentaría el rozamiento, sino que van separadas mediante una jaula. Las superficies exterior del aro mayor e interior del aro menos que están en contacto con soporte y árbol respectivamente se rectifican.
Clases de rodamientos Cada tipo de rodamientos muestra propiedades características, que dependen de su diseño y que lo hace más o menos apropiado para una aplicación dada. Rodamientos para cargas radiales
Rodamiento rígido de simple hilera de bolas
Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables, capaces de operara a altas e incluso muy altas velocidades y
requieren poca atención o mantenimiento en servicio. Estas características, unidas a su bajo coste, hacen a estos rodamientos los más populares.
Rodamiento de rodillos
Tiene guiados sus rodillos por pestañas en uno de sus aros. El otro aro, que esta libre, no tiene ninguna pestaña. Esto permite que el eje se desplace axialmente dentro de ciertos límites, con respecto al soporte. Este rodamiento es adecuado para cargas radiales relativamente grandes y puede también soportar altas velocidades. El desmontaje es muy fácil, aunque ambos aros estén montados con ajustes fuertes.
Rodamiento de bolas a rótula
Posee doble fila de bolas guiada por dos pistas de rodadura mecanizadas en el aro interior. Esto hace que el rodamiento sea autoalineable, permitiéndose desviaciones angulares del eje respecto al soporte. La pista del aro exterior tiene el
centro en el eje del árbol. Este tipo de rodamiento, además de soportar mayores cargas que el de bolas, se adapta a las flexiones del árbol.
Rodamiento de rodillos a rótula
Están compuestos por dos hileras de rodillos con un camino de rodadura esférico común sobre el aro exterior. Cada uno de los dos caminos de rodadura del aro interior está inclinado formando un ángulo con el eje del rodamiento. Estos rodamientos son autoalineables, pueden soportar cargas radiales y cargas axiales, y tienen una gran capacidad de carga.
Rodamientos para cargas axiales
Rodamientos de simple efecto
Los rodamientos axiales de simple efecto absorben las fuerzas axiales en un determinado sentido, desmontándose cuando la fuerza axial actúa en el sentido contrario. Se componen de dos aros entre los que se interponen las bolas, uno de ellos girando con el árbol y el otro va fijo al soporte.
Rodamientos de doble efecto
Estos rodamientos tienen la misma aplicación que los de simple efecto salvo que estos absorben las cargas axiales en ambos sentidos. El aro intermedio es el que va fijo al árbol.
Rodamientos axiales de rodillos a rótula
El rodamiento axial de rodillos a rótula tiene una hilera de rodillos situados oblicuamente, los cuales, guiados por una pestaña del aro fijo al eje, giran sobre la superficie esférica del aro apoyado en el soporte. En consecuencia, el rodamiento posee una gran capacidad de carga y es de alineación automática. Debido a la especial ejecución de la superficie de apoyo de los rodillos en la pestaña de guía, los rodillos giran separados de la pestaña por una fina capa de aceite. El rodamiento puede, por lo mismo, girar a una gran velocidad, aun soportando elevada carga. Contrariamente a los otros rodamientos axiales, éste puede resistir también cargas radiales.
Rodamiento de rodillos cilíndricos de empuje
Son apropiados para aplicaciones que deban de soportar grandes cargas axiales. Además, son insensibles a los choques, son fuertes y requieren poco espacio en sentido axial. Son de una sola dirección. Rodamientos para cargas mixtas
Rodamiento de simple efecto y contacto oblicuo
Además del esfuerzo radial, puede soportar cargas axiales en una sola dirección. La capacidad de carga axial aumenta al hacerlo el ángulo de contacto, que se define como el ángulo que forma la normal al contacto de la bola con el aro exterior, con la perpendicular al eje del rodamiento.
Rodamiento de doble efecto y contacto oblicuo
Tiene la misma forma de trabajo que el rodamiento de simple efecto y contacto oblicuo salvo que puede soportar cargas axiales en ambos sentidos.
Rodamiento de rodillos cónicos
Constan de dos aros entre cuyas pistas de rodadura son guiados rodillos cónicos. Su capacidad de carga axial está por el ángulo de la pista de rodadura del aro exterior. Cuanto mayor es este ángulo, mayor es la capacidad de carga axial del rodamiento.
