Unidad
13
Elementos mecánicos transformadores del movimiento movimiento y unión un ión
13.1. Elementos mecánicos transformadores del movimiento Casi la tota totali lid dad de los los mot motores res primar primarios ios utiliz utilizad ados os en la actua actualid lidad ad proporci proporciona onan n un movimiento movimiento rotativo rotativo (circular (circular uniforme uniforme). ). Las aplicacion aplicaciones es a las las que que se dest destin inan an esto estos s moto motore res s exigen, en muchas ocasiones, otro tipo de movimien movimiento to,, como como es el caso caso de sierras y limpiaparabrisas (movimientos de vaivén alternativos) o lineales, como en la apertura automática de puertas. Por ello, ello, con frecuencia, frecuencia, es necesario necesario intercalar mecanismos entre el elemento elemento motriz y el elemento final para conseguir conseguir este ste tipo ipo de tra transfo sforma rmación ión del movimiento. A partir de la Revolución Industrial, con la aparición de la máquina de vapor, el desarrollo y surgimiento de este tipo de mecanismos ha sido espectacular. espectacular.
Existe una gran cantidad de elementos transfor transformado madores res del movimient movimiento, o, pero los más importantes importantes en la actualidad son los los que que se mues muestr tra an en la tabl tabla, a, clasificados según la transformación del movimiento que realizan.
Elementos transformadores del movimiento más importantes.
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A Piñón-cremallera Se
trata de un engranaje normal (piñón) que engrana con otro cuyo radio es infinito (cremallera). Los dientes de la cremallera son trapezoidales. El funcionamiento de este sistema es reversible. Dependiendo de cuál sea la rueda conductora y de que estén fijos o móviles, tendremos: El piñón gira y la cremallera está fija; entonces el piñón se desplaza. Es el sistema que tienen los tornos (máquinas herramientas) para desplazar el carro longitudinalmente de manera manual. ·
P iñón
cremallera.
Cremallera del torno. 2
· La
cremallera se desplaza mientras que el piñón está fijo; en este caso el piñón gira. Actualmente tiene muy pocas aplicaciones. Antiguamente se empleaba en calculadoras mecánicas.
Calculadora mecánica.
El piñón gira sin desplazarse; entonces la cremallera se desplaza. Se emplea en multitud de aplicaciones, como por ejemplo taladradoras de columna, dirección de vehículos y puertas de garaje automáticas. ·
3
Aplicaciones de piñón-cremallera cuando el piñón gira sin desplazarse, con lo que la cremallera se desplaza.
B Tornillo-tuerca. La aplicación más utilizada consiste en girar el tornillo y evitar que gire la tuerca. De este modo, la tuerca se desplaza longitudinalmente.
Concepto
de hélice.
Si
se enrolla un plano (rampa) inclinado sobre un cilindro, tal como se muestra en la figura de la derecha, se puede observar que la rampa forma la hélice del tornillo. Si sobre la hélice se pega un triángulo de goma de gran longitud, tendremos una rosca.
Aplicaciones de los tornillos y tuercas.
Desde el punto de vista de la transformación del movimiento, los tornillos y las tuercas tienen dos aplicaciones: · Para mover cargas y sujetar objetos: gato de coche y tornillo de banco. El par o momento (M) que se realiza para desplazar una carga (Q) verticalmente,
Concepto de hélice.
suponiendo que no exista rozamiento entre tuerca y tornillo, es igual a: M = (Q · p) / (2 · T) donde p = paso del tornillo (en metros); M = par (en N·m) y Q = carga (en Newton). · Para colocar objetos de manera precisa, tal y como se puede observar en el mecanismo de ajuste de enfoque de los prismáticos.
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Gato para automóvil.
Tornillo de banco.
Mecanismo de ajuste mediante tuerca-tornillo de unos prismáticos.
Ejemplos y ejercicios. Ejemplo 1.
Un montacargas utiliza un sistema de tornillo-tuerca para subir objetos. Despreciando rozamientos y pérdidas a los engranajes, calcula la máxima carga a levantar usando un motor de 0,5 CV, si el tornillo tiene un paso de 6mm y gira a 300 rpm. (Sol.: Q = 12.250 N)
Ejercicios: 1º. Calcula el desplazamiento de una broca colocada en el portabrocas de una taladradora cuando damos una vuelta a la manivela, si el piñón posee un módulo de 1,5mm y tiene 30 dientes. (Sol.: 141,37 mm).
2º.
Determina qué potencia mínima debe tener un motor que se emplee para elevar cuerpos de peso máximo 1.000N, mediante tornillo-tuerca, si el tornillo tiene un paso de 6mm y gira a 1.200 rpm. Se desprecian pérdidas de potencia por rozamiento y debidas a los engranajes empleados. (Sol.: 120 W)
5
C
Leva y excéntrica
Son
elementos que transforman el movimiento circular de un eje en un movimiento alternativo rectilíneo o circular.
Excéntrica. Es un disco o cilindro cuyo eje de giro no coincide con su centro
geométrico. La distancia d, entre el centro del disco y el del eje, recibe el nombre de excentricidad. Las excéntricas producen en un seguidor un suave movimiento continuo, denominado movimiento armónico simple. P artes de una excéntrica y ejemplo de utilización en un motor de combustión interna.
Leva.
Es una pieza metálica o de plástico con una forma determinada, sujeta a un eje, que al moverse produce el desplazamiento de una varilla o seguidor. Existen dos tipos de levas: f
Levas lineales. Tienen muy pocas aplicaciones.
f
Levas rotativas.
El desplazamiento máximo que sufre el seguidor se conoce como alzada de la leva. El retorno del seguidor se puede hacer por gravedad o mediante muelle. Dependiendo de la forma y del funcionamiento del seguidor, las levas se clasifican en los tipos indicados en la tabla de la siguiente página.
Leva lineal. 6
f
Levas rotativas.
Esquema del funcionamiento de apertura y cierre de las válvulas de un motor de combustión interna.
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Tipos de leva.
D Biela-manivela-émbolo. Permite transformar un movimiento circular en uno lineal, o viceversa. Es decir, si se gira la manivela (que en muchos casos es una rueda), el émbolo se desplaza hacia delante y hacia atrás. Pero también cuando se empuja o se tira del émbolo adecuadamente, la manivela o rueda gira.
Consta
de tres piezas principales, de las cuales recibe su nombre: manivela, biela y émbolo. Desde el punto de vista industrial, se aprovechan estas dos propiedades para fabricar diversas máquinas. Así, tenemos los siguientes ejemplos: Biela-manivela-émbolo.
Transformación
del movimiento circular en lineal (manivela-biela-émbolo).
El elemento conductor es la rueda (acoplada al eje de un motor) y el conducido el émbolo. Fijo al émbolo, o en su lugar, se coloca el elemento funcional de la máquina.
Sierra de vaivén. 8
Funcionamiento de un compresor de aire.
Transformación
del movimiento lineal en circular (pistón-biela-cigüeñal)
Esta posibilidad se usa habitualmente en motores de combustión interna. Al producirse la explosión en el cilindro, debido a la quema de un hidrocarburo (gasolina, gasóleo, queroseno, etc.) mezclado con oxígeno, el pistón se desplaza y provoca un cuarto de giro de la manivela. Los siguientes tres giros (de 90º cada uno) se encargan de hacerlos los otros tres pistones, en orden secuencial. El elemento que coloca adecuadamente cada pistón en el lugar que le corresponde es el cigüeñal. El cigüeñal está formado por un árbol acodado (a) con unos muñones (m) que se apoyan sobre soportes por medio de cojinetes y unas muñequillas (n) donde se colocan las bielas. Este elemento trabaja a flexión y torsión. Con objeto de conseguir un equilibrio estático y dinámico, se le colocan los contrapesos (c). En cada una de las muñequillas se acopla una biela, mediante tornillos. En el extremo opuesto de la biela va colocado un bulón o pasador, que facilita la unión entre la biela y el pistón.
Momento de la explosión en el interior de un cilindro.
(Ver flash sobre árbol de levas!!!). 9
Esquema del montaje del pistón-biela-cigüeñal en un motor.
E Trinquete. Los trinquetes tienen como misión impedir el giro de un eje en un sentido y permitirlo en el otro. Constan, básicamente, de una rueda dentada y de una uñeta, que se introducen entre los dientes de la rueda por efecto de un muelle o por su propio peso. La uñeta tiene la colocación idónea para impedir el giro en un sentido y permitirlo en el otro. Los trinquetes se pueden clasificar en:
Reversibles. Permiten variar el sentido del bloqueo según interese en cada momento.
No reversibles. misma dirección.
Siempre
bloquean el sentido de giro en la
Los trinquetes pueden ser exteriores, interiores y frontales.
Ejemplos de los diversos tipos de trinquetes. 10
Aplicación comercial del trinquete.
F Rueda libre. Es un elemento que se coloca en un eje o en un árbol de transmisión con objeto de permitir que el eje motriz mueva el eje resistente y no al contrario; es decir, desacopla ambos ejes cuando el árbol resistente gira a más revoluciones que el árbol motriz. Consiste
en dos ruedas (M y C), una de ellas con una serie de ranuras en forma de rampas, donde se introducen una serie de rodillos o bolas ( B) y unos muelles (R). Cuando la rueda motriz (M) gira, arrastra a la rueda ( C), gracias a que los rodillos o bolas ( B) se enclavan entre ambas haciéndolas solidarias. Por el contrario, si es la rueda C la que gira más deprisa, arrastra a los rodillos hacia la parte más ancha de la ranura, girando libres ambas ruedas. Este mecanismo se aplica sobre ejes que giran siempre en el mismo sentido. En sentido contrario no se prevé su funcionamiento.
Aplicaciones: f
Rueda trasera de bicicletas.
f
Motor de arranque de automóviles. Permite transmitir el movimiento desde el motor de arranque al motor térmico. Una vez que el motor térmico está en marcha y su velocidad de giro supera a la del motor de arranque, se desacopla para que las altas revoluciones alcanzadas no dañen el motor eléctrico.
R ueda
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libre aplicada a una bicicleta.
13.2 Elementos mecánicos de unión. Las máquinas están formadas por piezas y mecanismos unidos entre sí mediante distintos elementos o sistemas de unión. Los sistemas de unión más importantes son:
Fijos o no desmontables.
realizan con piezas cuyo desmontaje no se prevé durante la vida útil de la máquina o estructura o, en otros casos, por seguridad o exigencia del diseño. Para la separación de las piezas se necesita romper el elemento de unión o, también, deteriorar alguna de las piezas.
R oblones (unión fija).
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Se
Desmontables.
Permiten separar las piezas con facilidad, sin romper el medio de unión ni las propias piezas.
Las cremalleras y los botones son, probablemente, los elementos de unión desmontable más empleados.
Establecer el tipo de unión en cada una de las piezas que componen una máquina no es una tarea sencilla. En algunos casos interesará que sean desmontables para facilitar la limpieza, sustitución o reparación de alguna de las piezas que la componen. Pero esto puede acarrear peligros de seguridad si la pieza o el mecanismo se encuentran sometidos a vibraciones o movimientos bruscos (por ejemplo, el ala de un avión o las piezas que conforman una torre de alta tensión). En la tabla se muestra una clasificación general de los elementos de unión más empleados en la industria, realizada en función del material de las piezas que se van a unir.
Tipos de unión en función del material. 13
A Uniones desmontables. Los elementos de unión desmontables más utilizados en la industria son los que vemos a continuación.
Elementos roscados.
Los elementos roscados por excelencia son los tornillos y las tuercas. Su utilización como medio de unión en todo tipo de máquinas y mecanismos es muy común y existe una gran variedad de formas y tamaños con objeto de cubrir todas las aplicaciones posibles. Los más comunes son los incluidos en la tabla.
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Otros unión.
elementos
de
también muy Son importantes desde el punto de vista industrial. Los más empleados son los que se muestran en la tabla.
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B
Uniones fijas.
Los sistemas fijos de unión más empleados son: remaches, roblones, ajuste a presión, mediante adhesivo o pegamento y mediante soldadura.
Remaches.
Los remaches son varillas cilíndricas con una cabeza en un extremo que sirven para unir v arias chapas o piezas de pequeño espesor de manera permanente. Algunas de las formas más habituales se muestran en la figura de la derecha. Se fabrican de metales blandos, como acero suave, aluminio, latón, etc. El proceso de remachado consiste en: 1.
Cortar
el remache para que el vástago tenga una longitud igual a las piezas que se van a unir, más 1,5 veces el diámetro del remache (para cabezas esféricas) o igual diámetro (para cabezas avellanadas).
2. Hacer un agujero en las piezas a unir con un diámetro 0,25 mm mayor que el del remache a colocar. Luego se introduce el remache. 3. Realizar una cabeza por el lado opuesto a la existente. manual y con remachadora.
Se
Cabezas de remaches más habituales.
emplean dos métodos: el
P roceso
manual de remachado.
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R emachado
mediante máquina.
Roblones.
Son
remaches cuyo diámetro es mayor de 10 mm. El proceso de roblonado (fabricación de la cabeza del roblón) se hace en caliente, a una temperatura de unos 800º C si se trata de acero. El método es igual que para los remaches.
Ajuste a presión (unión forzada).
Se denomina ajuste a presión, o ajuste con aprieto, a aquel que se realiza cuando el eje es más grande que el agujero donde se va a colocar.
Dependiendo de la diferencia entre medidas, el aprieto será más fuerte o más débil. Cuando se requiere un aprieto fuerte, es necesario calentar previamente la pieza donde está el agujero para que se dilate; seguidamente se introduce el eje y, finalmente, se deja enfriar todo el conjunto. Este es el método que se emplea para fijar el bulón a la biela y al pistón. Si el aprieto es débil, la pieza se introducirá en el agujero a presión, manualmente o mediante prensas.
Ajusta a presión. 17
U nión forzada biela-bulón.
Unión mediante adhesivo.
en unir dos superficies interponiendo una capa de un material con alto poder de adherencia. Esta capa se coloca en la zona de contacto entre ambas piezas. Luego se juntan las superficies, ejerciendo una ligera presión, hasta que la capa de adhesivo esté seca. Según
Consiste
la procedencia, los adhesivos más importantes, se pueden clasificar en naturales y sintéticos: 1. Naturales: - Dextrinas. Obtenidas a partir del almidón. - Látex: obtenido a partir del árbol del caucho. - Goma arábiga: procedente de la exudación de las ramas de las acacias. 2. Sintéticos: Urea-formaldehido, resinas de epoxi, poliisocianatos y resinas vinílicas.
Dada la gran variedad de adhesivos usados para pegar todo tipo de materiales, es conveniente leer y seguir las instrucciones de uso y seguridad recomendadas por el fabricante.
Adhesivos y reparadores.
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Unión fija mediante soldadura. Existen dos tipos de soldaduras:
a)
Soldadura
en frío.
Recientemente está apareciendo en el mercado bastantes productos denominados soldaduras en frío o soldaduras químicas. Suelen estar compuestos por un polvo metálico y una resina plástica, que vienen separados. En el momento de la soldadura, se mezclan y se colocan entre las piezas a unir, dejándolos endurecer posteriormente. Con ellos se consiguen resistencias de hasta 350 kg/cm 2. Tienen
la ventaja de que se pueden unir entre sí piezas metálicas de distintos materiales, así como metales y no metales.
b)
Soldadura
Soldadura en frío.
en caliente.
Consiste
en la unión permanente de dos o más metales, mediante calor en la zona de unión hasta que el material de aportación funda, uniendo así ambas superficies, o cuando el propio material de las piezas se funde y las une. Si
el material de aportación es similar al de las piezas, se denomina soldadura homogénea y, si es distinta, soldadura heterogénea. Con la soldadura homogénea se consigue una unión mejor al fundirse las piezas y luego enfriarse. Aquellas piezas que no van a estar sometidas a grandes esfuerzos se pueden unir a temperaturas inferiores, interponiendo un material distinto que tenga menor temperatura de fusión ( soldadura heterogénea). Los tipos de soldadura más importantes se muestran en la tabla. 19
Tipos de soldaduras más usuales.
· Soldadura blanda. Es un tipo de soldadura heterogénea en la que se aplican temperaturas de hasta 400ºC. Como metal de aportación se usa una aleación de estaño y plomo que suele fundir a unos 230º C. Se emplea para soldar componentes electrónicos, cables eléctricos, chapas de hojalata fina, etc. Un soldador, como el de la fotografía, aporta el calor necesario para fundir la aleación. Para soldar, primero se deben calentar las zonas a unir (las cuales deben estar limpias) y luego se acerca el estaño, que debe fluir sobre las superficies en contacto. Soldadura blanda.
· Soldadura fuerte. Es un tipo de soldadura heterogénea en el que la temperatura alcanzada puede llegar hasta los 1.000º C. El material necesario es metal de aportación en forma de varillas de latón ( Cu-Zn) o de latón-plata y antioxidante (bórax). El elemento encargado de suministrar el calor es un soplete de gas. El proceso consiste en recubrir con bórax la superficie a soldar. Luego se calienta lentamente (procurando que la llama no toque el antioxidante). Cuando ha alcanzado la temperatura adecuada, se añade el metal de aportación, que debe fluir e introducirse de manera automática en las superficies que se van a soldar. Soldadura fuerte.
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· Soldadura oxiacetilénica o autógena. El calor necesario se obtiene de la llama de un soplete por el que sale acetileno y oxígeno. También se puede utilizar butano o propano en sustitución del acetileno. La temperatura alcanzada puede llegar a los 3.000º C. Los materiales necesarios son: 1.
Botella
de acetileno o butano. Lleva un regulador de presión a la salida. La presión de trabajo (indicada por el manómetro) debe ser aproximadamente de 0,20 kg/cm2.
2.
Botella
3.
Soplete.
de oxígeno con reductor de presión. La presión de trabajo es del orden de 2,5 kg/cm2.
Equipo de soldadura autógena.
Encargado de regular y mezclar la cantidad de oxígeno y combustible (acetileno, butano, etc).
La llama oxiacetilénica se obtiene al quemarse la mezcla de oxígeno y acetileno en la boquilla del soplete. Cuando la proporción de oxígeno y acetileno es la misma, se dice que la llama es normal, mientras que si la proporción de oxígeno es mayor de 1,3, se obtiene una llama oxidante. Cuando
las proporciones de oxígeno y acetileno son de 1,5 : 1, se obtienen temperaturas del orden de 3.100ºC en la zona denominada dardo. Como
metal de aportación se emplea un material igual al de las piezas que se quieren unir.
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Llama oxiacetilénica.
Diferentes temperaturas de llama.
· Soldadura eléctrica. Se
emplea para unir piezas metálicas, generalmente de acero. Consiste en hacer saltar un arco eléctrico entre dos electrodos. Con ese calor se funde una porción de las partes de las piezas que se van a unir. Los métodos más empleados son los que se enumeran a continuación:
1.
Soldadura
eléctrica por arco.
Se
utiliza en piezas de gran grosor. El equipo usado puede ser análogo al de la fotografía. Para ello, se usa un electrodo conectado a uno de los cables de un transformador. Al aproximarlo a las piezas que se van a unir, salta un arco eléctrico que funde el electrodo y la superficie de las piezas. El metal fundido se mezcla y cuando se enfría forma lo que se denomina cordón de soldadura. Equipo de soldadura eléctrica por arco.
2. Soldadura eléctrica por puntos. Consiste
en unir unas chapas o piezas muy finas sujetas entre dos electrodos, por los que se hace pasar una corriente eléctrica que funde los puntos en contacto más próximos a los electrodos.
Soldadura eléctrica por puntos. 22
c) Normas de seguridad y uso. Todos
los procesos de soldadura tienen asociados grados diferentes de riesgos de lesiones. Por ello, es conveniente tomar algunas precauciones que, de manera general, se pueden resumir en:
Uso de guantes de cuero y ropa adecuada, para evitar posibles quemaduras. Empleo de gafas protectoras contra chispas o radiaciones. Limpieza de suelos y ventilación de la zona de trabajo. Seguimiento de las normas específicas de cada equipo de soldadura.
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