5. SELECCIÓN SELECCI ÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS MECÁNICO S Y MATERIALES MATERIALES.. 5.1. TIPOS, APLICACIONES Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS. 5.1.1 RODAMIENTOS. Los término términoss cojinete de contacto rodante , cojinete cojinete antifricc antifricción ión y cojinete de roda rodami mien ento to se emplean para describir la clase de cojinete en la cual se transfiere la carga principal mediante elementos que experimentan contacto rodante en vez de contacto deslizante. En un cojinete de rodamiento, la fricción inicial aproximadamente duplica la fricción de operación, pero aún es despreciable en comparación con la fricción inicial de un cojinete de manguito. La carga, la velocidad y la viscosidad de operación del lubricante afectan las caractersticas de fricción de un cojinete de roda rodami mien ento to.. !rob !robab able leme ment nte e no sea sea adec adecua uado do desc descri ribir bir un coji cojine nete te de rodamiento como "antifricción#, pero este término se utiliza a menudo en la industria. Los cojinetes de bolas resisten un empuje$ adem%s una unidad de empuje causa un da&o diferente por revolución al de una carga radial unitaria, por lo que es necesario encontrar la carga radial pura equivalente que cause el mismo da&o que la carga radial y de empuje existentes. Los cojine cojinetes tes de rodill rodillos os cónico cónicoss presen presentan tan alguna algunass compl complica icacio ciones nes,, pero pero nuestra experiencia 'asta a'ora contribuye a su comprensión. TIPOS DE COJINETES Los cojine cojinetes tes se fabric fabrican an para para soport soportar ar cargas cargas radial radiales es puras, puras, cargas cargas de empuje puras o una combinación de ellas. La nomenclatura de un cojinete de bolas se ilustra en la figura (()(, en la que también se muestran las cuatro partes esenciales de un cojinete.
*ic'as partes son+ el anillo exterior, el anillo interior, las bolas o elementos rodantes y el separador. En los cojinetes baratos, algunas veces se omite el separador, a pesar de que realiza la importante función de aislar los elementos de manera que no ocurra contacto de rozamiento entre ellos. En la figura (() se presentan algunos de los diversos tipos de cojinetes estandarizados que se fabrican. El cojinete de una fila de ranura profunda estar% sujeto a carga radial, as como a cierta carga de empuje. Las bolas se introducen en las ranuras, desplazando el anillo interior a una posición excéntrica.
Las bolas se separan después de la carga, para insertar a continuación el separador. La utilización de una ranura de llenado -figura (() b en los anillos interior y exterior permite que se inserte un mayor número de bolas, lo que incrementa la capacidad de carga. /in embargo, disminuye la capacidad de empuje debido al golpeteo de las bolas contra el borde de la ranura, cuando se presentan cargas de empuje. El cojinete de contacto angular -figura (() c proporciona una capacidad de empuje mayor.
En la figura (()0 se ilustran algunos cojinetes de rodillos est%ndar, de la gran variedad existente. Los cojinetes de rodillos cilndricos -figura (()0 a soportar%n una carga mayor que los de bolas del mismo tama&o, debido a la mayor %rea
de contacto. /in embargo, presentan la desventaja de que requieren una geometra casi perfecta de las pistas y rodillos. 1n ligero desalineamiento provoca que los rodillos se muevan oblicuamente y pierdan la alineación. !or esta razón, el retén debe ser grueso y resistente. !or supuesto, los cojinetes de rodillos cilndricos no se dise&an ni deben operar con cargas de empuje. Los rodillos 'elicoidales se fabrican devanando material rectangular alrededor de la forma de los rodillos, para después endurecerlos y rectificarlos. *ebido a la flexibilidad in'erente, soportan un desalineamiento considerable. /i es necesario, el eje y el alojamiento se emplean como pistas en vez de utilizar una pista interior y otra exterior separadas, lo cual es muy importante si el espacio radial es limitado. VIDA DE LOS COJINETES. 2uando rotan la bola o el rodillo de los cojinetes de contacto, se desarrollan esfuerzos de contacto en el anillo interior, en el elemento rodante y en el anillo exterior. /i un cojinete est% limpio y se lubrica de manera apropiada, si est% montado y sellado para evitar la entrada de polvo y suciedad, si se mantiene en esta condición y si se 'ace funcionar a temperaturas razonables, entonces la fatiga del metal ser% la única causa de falla. !uesto que la fatiga del metal implica muc'os millones de aplicaciones de esfuerzo que se 'an soportado con éxito, se necesita una medida cuantitativa de la vida. Las medidas comunes son+ 3 El número de revoluciones del anillo interior -el anillo exterior est% inmóvil 'asta que se presenta la primera evidencia tangible de fatiga. 3 El número de 'oras de uso a una velocidad angular est%ndar 'asta que se advierte la primera evidencia tangible de fatiga. La medida de la vida de un cojinete individual se define como el número total de revoluciones -u 'oras a una velocidad constante de operación del cojinete 'asta que se presente el criterio de falla. 4ajo condiciones ideales, la falla por fatiga consiste en el descascarado de las superficies de soporte de la carga. La norma de la 5merican 4earing 6anufacturers 5ssociation -5465 establece que el criterio de falla es la primera evidencia de la fatiga. EFECTO CARGA-VIDA DEL COJINETE A CONFIABILIDAD NOMINAL. 2uando se prueban grupos de cojinetes nominalmente idénticos con el criterio vida)falla a cargas diferentes, los datos se representan en gr%ficas como las de la figura (()7, mediante una transformación log)log. !ara establecer un punto individual, la carga F ( y la vida nominaldel grupo uno - L(8( son las
coordenadas que se transforman de manera logartmica. La confiabilidad asociada con este punto, y todos los dem%s, es 8.98. *e esta forma, se obtiene una visión moment%nea de la función del efecto carga)vida a una confiabilidad de 8.98. 6ediante una ecuación de regresión de la forma+ 1/ a
F L = constante
El resultado de muc'as pruebas de varias clases de cojinetes es+ 3 a : 0 para cojinetes de bolas 3 a : (8;0 para cojinetes de rodillos -rodillo cilndrico y cónico. 5.1.2 BANDAS Y POLEAS. Los elementos de m%quinas flexibles, como bandas, cables o cadenas, se utilizan para la transmisión de potencia a distancias comparativamente grandes. 2uando se emplean estos elementos, por lo general, sustituyen a grupos de engranajes, ejes y sus cojinetes o a dispositivos de transmisión similares. !or lo tanto, simplifican muc'o una m%quina o instalación mec%nica, y son as, un elemento importante para reducir costos. BANDAS /on el%sticos y generalmente de gran longitud, de modo que tienen una función importante en la absorción de cargas de c'oque y en el amortiguamiento de los efectos de fuerzas vibrantes.
Las bandas se distinguen por la forma de la sección transversal, por la construcción, material y tecnologa de fabricación, pero el rasgo m%s importante que determina la construcción de las poleas y de toda la transmisión, es la forma de la sección transversal de la correa. BANDAS PLANAS Las transmisiones de banda plana ofrecen flexibilidad, absorción de vibraciones, transmisión eficiente de potencia a altas velocidades, resistencia a atmosferas abrasivas y costo comparativamente bajo.
Las bandas planas de transmisión de potencia se dividen en tres clases+
Convn!"on#$%& bandas planas ordinarias sin dientes, ranura o entalladura.
R#n'(#)#% o En*#$$#)'(#%& bandas planas b%sicamente modificadas que proporcionan las ventajas de otro tipo de producto de transmisión, por ejemplo, bandas en =.
D +#n)o o%"*"vo& bandas planas b%sicas modificadas para eliminar la necesidad de fuerza de fricción en la transmisión de potencia.
BANDAS EN V. Las bandas en = son las m%s utilizadas en la industria$ adaptables a cualquier tipo de transmisión. /e dispone de gran variedad las cuales brindan diferentes tipos de peso de carga. >ormalmente las tensiones de bandas en = funcionan mejor a velocidades de ? a 08 m;s. !ara bandas est%ndar la velocidad ideal es de aproximadamente 0 m;s. /in embargo 'ay algunas como las bandas en = angostas que funcionan 'asta a @8 m;s.
VENTAJAS& Las transmisiones de bandas en = permiten altas relaciones de velocidad y son de larga duración. A%ciles de instalar y remover, silenciosas y debajo mantenimiento. Las bandas en = también permiten la absorción de vibración entre los ejes.
DESVENTAJAS& !or el 'ec'o de estar sometidas al cierto grado de resbalamiento, las bandas en = no deben ser utilizadas en casos que se necesiten velocidades sincrónicas. Estas bandas en = siempre se fabrican en secciones transversales est%ndar. BANDAS REDONDAS Las bandas redondas se utilizan en transmisiones de poca potencia, como maquinas de oficina y enseres domésticos. *ebido a la simetra de una sección redonda, es muy sencillo trabajar con ejes múltiples u oblicuos, por lo que pueden ser útiles en aparatos con transmisiones complicadas.
BANDAS ESLABONADAS La banda eslabonada puede cubrir ampliamente y en forma satisfactoria la mayora de los requerimientos industriales de bandas en B=B. 5bsorben 'asta el 98C de la vibración, alargando as la vida útil de los dem%s componentes de la transmisión, mejorando también la calidad del trabajo. Las bandas eslabonadas pueden ajustarse a cualquier longitud y adaptarse en cualquier transmisión con poleas en B=B.
BANDAS DENTADAS Las bandas dentadas moldeadas son la mejor y m%s rentable alternativa para la transmisión de potencia con banda en =. El dise&o de las ranuras moldeadas ofrece una disipación inmediata del calor generado durante la operación de las transmisiones, pueden circular con facilidad sobre poleas de di%metros peque&os.
POLEA 1na polea, también llamada garruc'a, carruc'a, trocla, trócola o carrillo, es una m%quina simple que sirve para transmitir una fuerza. /e trata de una rueda, generalmente maciza y acanalada en su borde, que, con el curso de una cuerda o cable que se 'ace pasar por el canal -BgargantaB, se usa como elemento de transmisión para cambiar la dirección del movimiento en m%quinas y mecanismos. 5dem%s, formando conjuntos Daparejos o polipastosD sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.
La polea simple se emplea para elevar pesos, consta de una sola rueda con la que 'acemos pasar una puerta. /e emplea para medir el sentido de la fuerza 'aciendo m%s cómodo el levantamiento de la carga entre otros motivos, porque nos ayudamos del peso del cuerpo para efectuar el esfuerzo, la fuerza que tenemos que 'acer es la misma al peso a la que tenemos que levantar.
5.1. CADENAS Y CATARINAS. CADENAS bjeto con eslabones, originalmente la palabra cadena se 'a utilizado para referirse a un objeto constituido por una serie de eslabones, generalmente met%licos, enlazados entre s.
Las cadenas junto con las bandas y engranes son las formas m%s comunes de transmitir potencia de un eje a otro. 1na cadena es un componente confiable de una m%quina, que transmite energa por medio de fuerzas extensibles, y se utiliza sobre todo para la transmisión y transporte de energa en los sistemas mec%nicos.
!laca exterior e interior • • • •
•
/oporta la tensión que se ejerce en la cadena. /ometidas a cargas de fatiga /e pueden presentar fuerzas de c'oque. /oporta una gran fuerza extensible est%tica y las fuerzas din%micas de las cargas de c'oque. *ebe soportar condiciones ambientales.
!asador •
• •
5ctúa junto al casquillo como arco de contacto de los dientes del pi&ón. /oporta toda la fuerza de transmisión. tros Fequerimientos+ Fesistencia a la flexión, Fesistencia contra fuerzas de c'oque.
2asquillo • •
Estructura sólida 4ase cilndrica perfecta para el rodillo+ *uración del rodillo en condiciones de alta velocidad
Fodillo •
• •
•
•
/ometido a la carga de impacto cuando esta en contacto con los dientes del pi&ón con la cadena. /e sostiene entre los dientes del pi&ón y del casquillo /e mueve en la cara del diente mientras que recibe una carga de compresión. /u superficie interna constituye una pieza del cojinete junto con la superficie externa del casquillo Fequerimientos+ Fesistencia al desgaste, contra c'oques, fatiga y compresión.
La tensión de la cadena de transmisión es calculada dividiendo la energa transmitida -indicada en GiloHatts o caballos de fuerza por la velocidad de cadena y multiplic%ndose por un coeficiente adecuado. !ara velocidades constantes tales como el transportador 'orizontal, la tensión es seleccionada por los factores+ (. El coeficiente de fricción entre la cadena y el carril cuando los objetos transportados se ponen en la cadena . El coeficiente de la fricción entre los objetos transportados y el carril cuando los objetos transportados se llevan a cabo en el carril y son empujados por la cadena. IJ!/ *E 25*E>5/. (. 25*E>5/ !5F5 ELE=52JK>. La forma común para la cadena de elevación es la que consiste de eslabones ovalados, tal como se muestra en la figura (.(. El otro tipo de cadena de este tipo es la de travesa&os -=er figura (. que tiene la particularidad que no se aplasta ni se enreda tan f%cilmente como la cadena común.
. 25*E>5 !5F5 IF5>/!FIE. !uede ser del tipo desmontable o de unión por ganc'os, ejemplo de esta se muestra en la figura (.0, o del tipo articulado de extremos cerrados, como la que es mostrada en la figura (.7. El dise&o de los dientes de la catarina para este tipo de cadenas se da en gran parte de forma emprica, teniendo cuidado de que el diente posea una forma y un espaciado tal que, la cadena entre y salga de la catarina con cierta suavidad y sin interferencia, aún después de que por alguna circunstancia sea estirada o que est% presente desgaste. Las cadenas de esta clase generalmente se utilizan a menudo para transmitir potencia a velocidades bajas, como en el caso de la maquinaria agrcola. !or último, cabe mencionar que estas cadenas est%n 'ec'as de eslabones fundidos de 'ierro maleable, y carecen de las cualidades de marc'a suave de las cadenas 'ec'as m%s cuidadosamente.
. CADENAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA. Las articuladas de clavijas, de rodillos y silenciosa son los tres tipos conocidos de esta clase de cadenas. Estos tipos de cadenas generalmente est%n elaboradas de acero, maquinadas con precisión, las partes que se desgastan est%n endurecidas, y corren sobre catarinas que est%n dise&adas cuidadosamente. La figura muestra una cadena articulada de clavijas. Las cadenas de este tipo se emplean para la transmisión de fuerza a velocidades relativamente bajas, as como también en un momento dado, se pueden emplear como cadenas de transporte.
. CADENA DE RODILLOS. Est% constituida por eslabones los cuales son de dos tipos+ eslabones de pernos y eslabones de rodillos. La distancia lineal que existe entre los rodillos se le conoce como "paso# y el "anc'o# es una medida del espacio interior entre placas de eslabón -Aigura (..
CATARINA En mec%nica, se llama rueda catalina, o catalina a secas, a la que, con fines mec%nicos, est% provista de peque&os o grandes dientes puntiagudos. La de dientes agudos y oblicuos que 'ace mover el volante de cierta clase de relojes. TIPOS DE R/EDAS CATARINAS. Las cadenas, en la transmisión de potencia, conducen y son conducidos por ruedas dentadas denominadas "ruedas catarinas#. Las ruedas dentadas de esta clase se presentan principalmente en cuatro tipos de est%ndares+ El tipo 5 no tiene cubo, el tipo 4 tiene cubo de un lado, el tipo 2 presenta cubo de ambos lados y el tipo * posee un cubo desmontable, a continuación se muestran ejemplos de estas divisiones de ruedas.
IJ! 5
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IJ! *
S$!!"0n ) $# !#n*")#) ) )"n*% ) $# C#*#("n# 2on el fin de que la rueda dentada tenga una larga vida y una operación suave se recomienda que el número de dientes sea mayor a (M pero menor a M. En los casos en que por limitación de espacio o se esté trabajando a velocidades bajas se puede utilizar ruedas con una cantidad menor a (M dientes. tra recomendación es que con la selección de las ruedas, no debe de exceder de M la relación de velocidad. B#%% #(# $# %$!!"0n ) 'n# *(#n%+"%"0n o( !#)n# Las variables importantes son el paso de la cadena, tama&o y la velocidad de giro de la rueda dentada m%s peque&a. La lubricación es de fundamental importancia para la operación satisfactoria de una transmisión por cadena. Los fabricantes, cabe mencionar, recomiendan el tipo de método de lubricación para combinaciones particulares de tama&o de cadena, tama&o de rueda dentada y velocidad. !or otro lado, existen tablas donde se muestra la potencia indicada para distintos tama&os de cadena est%ndar. APLICACIONES. 1na de las aplicaciones m%s importantes, es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energa, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, 'asta otro eje situado a cierta distancia y que 'a de realizar un trabajo.
5.1. COPLES Los coples y conexiones con extremos ranurados son la parte medular para la unión de tuberas y accesorios en una gran variedad de sistemas. Los coples se 'an dise&ado para proveer juntas o uniones autocentrantes, que se adaptan a las fuerzas internas o externas de presión o vaco, vibraciones, contracciones o expansiones, etc.
El cople ejerce una fuerza de unión alrededor de toda la circunferencia de la tubera y evita la separación de ambos extremos en una forma proporcional a las fuerzas de presión ejercidas 'asta su m%xima presión de trabajo de dise&o. CARACTERISTICAS Las mejores propiedades de los coples se deben principalmente a sus caractersticas de rigidez o flexibilidad. 2uando se requieren uniones sin movimiento se utilizan los coples rgidos que en el dise&o interior de la carcasa cuenta con unos seguros o rebordes dentados que oprimen fuertemente la tubera o conexión fij%ndolos en ambos extremos, 'aciendo la unión firme, adem%s de que el cuerpo de la carcasa llena perfectamente el espacio de la ranura no permitiéndole movimiento alguno. Este tipo de cople se recomienda en largas secciones continuas de tubera o a cierta altura. ELEMENTOS DEL COPLE. El cople est% conformado b%sicamente por+ 5 1na carcasa de 'ierro en dos piezas que se ajustan alrededor de toda la circunferencia de la tubera o conexión, 'aciendo la unión y evitando la separación de los extremos, teniendo adem%s como función la de contener al empaque contra las fuerzas internas o externas del sistema de presión o vaco. /e puede fabricar en 'ierro dúctil de acuerdo a la norma 5/I6 5)@0 Nrado @)7@)(, o en 'ierro maleable de acuerdo a 5/I6 5)7M Nrado 0@(8. Los coples se ofrecen con un recubrimiento exterior con una base de pintura antimo'o y corrosión sin plomo en color naranja, que los protege durante su almacenamiento o el tiempo que el material se encuentre en obra para su instalación. /in embargo cuando el medio ambiente donde se van a instalar es
altamente corrosivo se cuenta con material con recubrimiento galvanizado por inmersión en caliente o en acero inoxidable. 4 El empaque que se fabrica a base de un elastómero el%stico en una sola pieza con un dise&o único en forma de B2B de acuerdo a la norma 5/I6 5) 888, y que ofrece un sello a prueba de fugas sin importar si el sistema opera a presión o al vaco. Los BlabiosB del empaque se ajustan alrededor de la tubera y por el efecto del flujo en el mismo sistema se ad'ieren 'aciendo el sellado de la instalación. 2 Los tornillos y tuercas 'exagonales cuya función es la de asegurar las dos secciones de la carcasa, con un dise&o oval en la base del cuello del tornillo para utilizar únicamente una llave para ajustar la tuerca, se fabrican de acuerdo a la norma 5/I6 5)(?0 Nrado en acero al carbón para resistir una fuerza tensl mnima de ((8,888 psi. Estos se ofrecen con un recubrimiento est%ndar a base de zinc, en caso de ambientes altamente corrosivos se pueden ofrecer en acero inoxidable.
5.1.5 CABLES. /e llama cable a un conductor o conjunto de ellos generalmente recubierto de un material aislante o protector, existen varios tipos de cables, desde los met%licos y de aceros que son empleados para esfuerzos, 'asta los de transmisión que se emplean en el mundo de la inform%tica. CABLES METÁLICOS. Los cables met%licos se fabrican en dos tipos de arrollamientos, como se ilustra en la figura (M)(9. El torzal regular , que es el est%ndar aceptado, tiene el alambre enrollado en una dirección para constituir los toroides y los toroides torcidos en la dirección opuesta, a fin de formar el cable. En el cable terminado, los alambres visibles est%n colocados casi paralelos al eje del cable. Los cables de torzal regular no se tuercen y son f%ciles de manejar. Los cables de torzal Lang tienen los alambres en el toroide y los toroides en el cable torcido en la misma dirección, de aqu que los alambres exteriores estén en diagonal a través del eje del cable. Los cables con torzal Lang son mas
resistentes al desgaste abrasivo y a la falla por fatiga que los cables con torcido regular, pero es mas probable que se retuerzan y dejen de entrelazarse. Los cables est%ndares se fabrican con núcleo de c%&amo que soporta y lubrica los toroides. 2uando el cable se somete a calor, se debe emplear un centro de acero o un toroide de alambre. Los cables de acero se designan, por ejemplo, como cable de arrastre de ((? pulg. de O M. El primer numero corresponde al di%metro del cable -figura (M) (9c . El segundo y el tercero son los números de toroides y de alambres en cada toroide, respectivamente. En la tabla (M)7 se enumeran algunos de los diversos tipos de cables disponibles, junto con sus caractersticas y propiedades. El %rea del metal en cables est%ndar de izar y de arrastre es A m =0.38 d
2
.
2uando un cable met%lico pasa alrededor de una polea, se produce cierto reajuste de los elementos. 2ada uno de los alambres y toroides debe deslizarse sobre otros y puede ocurrir alguna flexión individual. Es probable que en esta acción compleja exista alguna concentración de esfuerzo. El esfuerzo en uno de los alambres de un cable que pasa alrededor de una polea puede calcularse como sigue. *e la mec%nica de sólidos, se ti ene que M =
EI ρ
y
M =
σ I c
*onde las cantidades tienen el significado 'abitual. Eliminando M despejando para el esfuerzo, se obtiene
y
Ec σ = ρ
!ara el radio de curvatura ρ, se sustituye el radio de la polea D;. 5simismo, c = d w /2 , donde d w es el di%metro del alambre. Estas sustituciones dan
σ = Er
dw D
*onde Er es el módulo de elasticidad del cable , no del alambre. La tensión de un cable met%lico que da el mismo esfuerzo de tensión que la flexión de la polea se llama carga de flexión equivalente
F b
, la que se
determina mediante E r d w A m F b =σ Am = D
1n cable met%lico puede fallar si la carga est%tica excede la resistencia última del cable. !or lo general, la falla de esta naturaleza no se atribuye al dise&ador, sino al operador al permitir que el cable se someta a cargas para las que no fue dise&ado. La primera consideración al seleccionar un cable met%lico consiste en determinar la carga est%tica, que se compone de los siguientes puntos+ 3 El peso conocido o muerto 3 2argas adicionales causadas por paros o arranques repentinos 3 2argas de impacto 3 Aricción del cojinete de la polea 2uando se suman estas cargas, el total se compara con la resistencia última del cable para determinar el factor de seguridad. /in embargo, la resistencia ultima que se utiliza en esta determinación se debe reducir debido a la perdida de resistencia que ocurre cuando el cable pasa sobre una superficie curva, como una polea estacionaria o sobre un pasador. 5.2 MATERIALES /TILIADOS EN INGENIERA.
