ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y SISTEMAS

Transcripción

1 ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y SISTEMAS MECANISMOS Y SISTEMAS MECÁNICOS.- U mecaismo es u cojuto de elemetos coectados etre sí por medio de articulacioes móviles y cuya misió es: - trasformar ua velocidad e otra velocidad -trasformar ua fuerza e otra fuerza -trasformar ua trayectoria e otra diferete o -trasformar u tipo de eergía e otro tipo distito. Segú el úmero de elemetos, los mecaismos se puede clasificar como: -Simples: si tiee dos elemetos de elace. -Complejos: si tiee más de dos elemetos de elace. A partir de aquí, defiimos u sistema mecáico: U sistema mecáico o máquia es ua combiació de mecaismos que trasforma velocidades, trayectorias, fuerzas o eergías mediate ua serie de trasformacioes itermedias. Los movimietos que puede describir u elemeto de u mecaismo so: -Movimieto rectilíeo: e u úico setido -Movimieto alterativo: o movimieto de vaivé. -Movimieto circular o de rotació. Los mecaismos (y por extesió los sistemas mecáicos) costa de los siguietes elemetos básicos:.sistema motriz o sistema de etrada: recibe la eergía de etrada, la cual será trasformada o trasmitida. E u automóvil sería el motor.. Sistema trasmisor: medio que permite modificar la eergía o el movimieto proporcioado por el sistema motriz. E u automóvil este sistema estaría compuesto por ejes de trasmisió, embragues, caja de cambios, Sistema receptor o sistema de salida: realiza el trabajo co la salida que le proporcioa el sistema trasmisor, y es el objetivo del sistema mecáico. E u automóvil este sistema estaría compuesto por las ruedas motrices. Los mecaismos se puede clasificar e dos grades grupos difereciados:. Sistemas de trasmisió del movimieto: E este caso el sistema motriz y el sistema receptor tiee el mismo tipo de movimieto. E base a esto, podemos ecotrar dos tipos de sistemas de trasmisió: o Mecaismos de trasmisió lieal: movimieto rectilíeos emovimietos rectilíeos (poleas, palacas, etc) o Mecaismos de trasmisió circular: movimietos de rotació e otra rotació (trasmisió por correas, co cadeas, egraajes,...). Sistemas de trasformació del movimieto: E este caso el sistema motriz y el sistema receptor tiee distito tipo de movimieto. E base a esto, podemos ecotrar dos tipos de sistemas de trasformació: o Mecaismos que trasforma el movimieto circular e rectilíeo o Mecaismos que trasforma el movimieto circular e alterativo

2 ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE LAS MÁQUINAS ROTATIVAS La mayoría de las máquias realiza u movimieto rotativo a partir del cual realiza la operació para la que ha sido diseñadas. Este tipo de movimieto puede trasformarse posteriormete e otros tipos por medio de diversos mecaismos. Los elemetos pricipales de este tipo de máquias so: los ejes, los apoyos de éstos e soportes fijos y los sistemas de trasmisió de los ejes hasta los elemetos que arrastra..- EJES: Tambié se les llama árboles y costituye el elemeto giratorio pricipal de la máquia pues so los resposables de recibir y trasmitir el movimieto. Suele teer secció circular y accioa otros elemetos (egraajes, poleas ) que se ecuetra motados sobre ellos. El problema fudametal para el diseño de u eje está e determiar su diámetro de forma que las fuerzas que debe soportar o lo deteriore. De hecho, los ejes suele teer seccioes diferetes, e fució del esfuerzo que se realice e cada tramo..- APOYOS DEL EJE: Los ejes suele ir alojados e máquias cuyo soporte está fijo; por tato ecesita elemetos que permita sujetar el eje e su posició, sirviédole de apoyo. Debe utilizarse elemetos especiales pues de lo cotrario el rozamieto que se produce etre la parte móvil (eje) y la fija (apoyo) provocaría u desgaste que crearía holgura etre ambas piezas lo que daría lugar a u icorrecto fucioamieto de la máquia. Además, el calor despredido e este cotiuo rozamieto podría llegar ser tal que las dos piezas e cotacto quedara soldadas. Existe dos tipos de elemetos que sirve como apoyos: cojietes de fricció y rodamietos Cojietes de fricció: e este tipo de apoyos el eje gira rozado co los cojietes, o bie el eje y el cojiete so solidarios y gira cojutamete rozado co el soporte. Los cojietes se fabrica co materiales co bajo coeficiete de rozamieto y que absorba el calor geerado; los más habituales so ylo, grafito y broces (aleacioes Babbit). Rodamietos: e este sistema se itercala esferas, cilidros o coos etre el eje y el soporte. De esta formase evita la fricció y el rozamieto es por rodadura, de meor efecto. Se utiliza u sistema de lubricació para miimizar rozamieto y el calor producidos.

3 ELEMENTOS DE MÁQUINAS Por lo geeral las máquias que produce u movimieto ecesita de sistemas que trasmita, trasforme o regule dicho movimieto co el objeto de que éste sea utilizable e algua operació cocreta. Por trasmisió etedemos la acció de llevar el movimieto desde dode se produce hasta dode se pretede utilizar. Las máquias puede realizar los siguietes tipos de movimietos: Movimieto rotatorio: El que se produce cuado u elemeto gira respecto a u eje. Movimieto lieal: El que se produce e líea recta, e u solo setido. Movimieto alterativo: El que se produce e líea recta, e ambos setidos alterativamete. Movimieto oscilate: Se trata de aquel movimieto de vaivé que o es e líea recta. Etedemos por trasformació del movimieto la acció de covertir alguo de los movimietos ateriores e otro de ellos. Por último, e multitud de ocasioes es ecesario modificar la velocidad de u movimieto. Por lo geeral, u aumeto de velocidad colleva ua dismiució del mometo que es capaz de realizar, y viceversa, ua dismiució de la velocidad permite realizar u mometo mayor. A esta acció de modificar la velocidad de u movimieto la deomiaremos regulació..- TRANSMISIÓN POR CORREAS Y POLEAS. Se trata del sistema de trasmisió más habitual, secillo y barato para trasmitir movimieto etre ejes o alieados. La polea es ua rueda co u surco o caal e su circuferecia exterior, al que se adapta la correa, que es ua cita o cuerda flexible uida e sus extremos que sirve para trasmitir el movimieto de giro etre ua polea y otra. El movimieto se trasmite mediate la fricció que se produce etre la correa y la polea. La polea que geera el movimieto se deomia coductora y la que es movida por la primera se deomia coducida, trasmitiédose así el movimieto etre los ejes de ambas. El movimieto se trasmite desde el eje motriz a la polea coductora y de ésta a la correa por fricció; ésta a su vez accioa la polea coducida y hace girar el eje receptor. Ambos ejes girará e el mismo setido. Se puede ivertir el setido de giro cruzado la correa. Las codicioes de velocidad depede de los diámetros de las poleas. Se deomia relació de trasmisió ( i ) a la relació etre la velocidad de giro de la polea coducida ( ) y la polea coductora ( ): i Como la velocidad lieal de la correa debe ser la misma para las dos poleas, se cumple:.d =.d Y por tato: i d d La relació de trasmisió idica el º vueltas que dará la polea coducida por cada vuelta de la coductora. Es decir, la relació de trasmisió os dice cuátas veces más rápida o leta gira la polea coducida que la motriz. Si i<, el sistema se deomia reductor, mietras que si i>, el sistema es multiplicador. No obstate, e este tipo de trasmisioes, siempre existe u estiramieto de la correa y u cierto deslizamieto de ésta sobre la polea. Por tato, la relació aterior o es exacta, sio que existe ligeras variacioes defiidas mediate el coeficiete de deslizamieto (), co lo que la relació de trasmisió real será: i d d 3

4 Cuado la separació etre los ejes es muy grade o se ecesita ua relació de trasmisió complicada se usa trees de poleas formados por varios pares de poleas co sus respectivas correas. La relació de trasmisió del tre de poleas es igual al producto de las relacioes de trasmisió de cada uo de los pares de poleas idividuales que coforma el tre: i = i i i U caso particular de este tipo de trasmisió lo costituye las trasmisioes reguladoras, que puede ser por correas detadas o de cadea. E este caso, debido a su diseño, la correa o cadea o desliza i se estira, por lo que al relació de trasmisió se matiee costate (o es ecesario itroducir el factor de correcció)..- TRANSMISIÓN POR ENGRANAJES Se cooce co el ombre de egraaje al cojuto de dos o más ruedas detadas. Los dietes de la rueda so todos iguales y co separació costate, y además debe ser la misma e las ruedas que tega que egraar etre sí. Si se poe e cotacto dos ruedas detadas co estas características de maera que alguos huecos de ua se ecuetre ocupados por los dietes de la otra, al hacer girar ua de ellas (coductora o motriz), los dietes e cotacto empujará a los de la otra rueda (coducida) comuicádole u movimieto de giro e toro a su eje. Habitualmete al egraaje coductor se le deomia piñó, y al coducido, rueda. A efectos ciemáticos el movimieto se produce al rodar dos circuferecias cocétricas a los egraajes, deomiadas circuferecias primitivas Los ruedas de los egraajes exteriores gira e setido cotrario, mietras que e los egraajes iteriores girará e el mismo setido. Los egraajes so los medios más utilizados para la trasmisió de potecia ya que, al o resbalar puede trasmitir grades esfuerzos y coserva la relació de trasmisió siempre costate. A cotiuació vamos a aalizar los pricipales tipos de egraajes: a) ENGRANAJES CILÍNDRICOS CON DIENTES RECTOS Se utiliza para trasmisioes etre ejes paralelos. So los más simples y ecoómicos. Se caracteriza mediate los siguietes parámetros: Circuferecia iterior o de pie: es la que limita la parte iterior de los dietes; su radio se deomia radio iterior o radio de pie: Rp Circuferecia exterior o de cabeza: es la que limita la parte exterior de los dietes; su radio se deomia radio exterior o radio de cabeza: Rc Circuferecia primitiva: es la rueda que se egedra al uir todos los putos de cotacto etre las dos ruedas que egraa etre sí; su radio se deomia radio primitivo: R Paso (p): es la distacia etre dos putos homólogos de dos dietes cosecutivos, tomada sobre la circuferecia primitiva Módulo (m): es el cociete etre el paso y ; por tato se correspode co el valor del diámetro de ua circuferecia que tiee como logitud el valor p del paso. m π Tambié se puede defiir el módulo como la relació etre el diámetro de la circuferecia primitiva (D) y e úmero de dietes (Z) del egraaje: D m Z 4

5 El diámetro de la circuferecia primitiva marca el tamaño de la rueda mietras que el módulo fija el úmero de dietes. Para que dos ruedas detadas egrae debe teer el mismo módulo (mismo paso). Altura de cabeza (hc): es la logitud del diete compredida etre la circuferecia primitiva y la exterior; su valor coicide co el módulo: h C = m Altura de pie (hp): es la logitud del diete compredida etre la circuferecia primitiva y la iterior: h P =,5m Altura de diete (h): es igual a la suma de la altura de cabeza y la altura de pie: H = hc + hp =,5m Acho de diete (b): es el espesor del diete; su valor debe estar compredido etre 6m y m La relació de trasmisió es la relació etre la velocidad de la rueda coducida y la rueda coductora; dicha relació es igual al cociete etre los dietes de ambas ruedas: Z i Z La distacia etre los ejes de ambas ruedas viee dada por la siguiete expresió: (Z Z ) m D Los diámetros iterior y exterior se relacioa co el módulo de la siguiete forma: Dc = D + m = m( Z+ ) Dp = D -,5m = m( Z -,5 ) El perfil de los dietes suele presetar forma de curva evolvete, que es la curva geerada por el puto de ua recta que rueda si deslizar sobre la circuferecia base del egraaje. Cuado se ecesita ua relació de trasmisió complicada co el fi de buscar uas velocidades específicas se utiliza los trees de egraajes. b ) TORNILLO SIN FIN El torillo si fi es u caso especial de egraaje que utiliza u egraaje llamado torillo si fi que cueta co u diete tallado e su exterior e forma de hélice. Preseta la propiedad de que es ecesario que el torillo dé ua vuelta completa alrededor de su eje para que la rueda co la que está egraado avace u diete. Por lo tato, el torillo puede ser tratado como u egraaje cuyo úmero de dietes es. Así, la relació de trasmisió de u sistema torillo-rueda será iz Si el torillo tiee más de ua hélice, por cada vuelta del torillo la rueda avazará u úmero de dietes igual al úmero de hélices del torillo. Por tato, si u torillo tiee hélices o etradas, la relació de trasmisió del sistema quedará: i Z 5

6 c ) SISTEMA PIÑÓN CREMALLERA El mecaismo piñó cremallera se compoe de ua rueda detada deomiada piñó y de u egraaje plao deomiado cremallera. La cremallera se desplaza liealmete al realizar el piñó u movimieto de rotació. Cuado el piñó gira la cremallera avaza tatos dietes como dietes avace el piñó. Este mecaismo se utiliza, por ejemplo, e el sistema de direcció de los automóviles o para subir y bajar u taladro de columa vertical. La relació de trasmisió de este mecaismo depederá del úmero de dietes de la cremallera y del piñó.: Z p = úmero de dietes del piñó z c = úmero de dietes, por uidad de logitud, de la cremallera La logitud que recorre la cremallera por cada vuelta completa del piñó es: Y por tato, la velocidad lieal de la cremallera (e m/s) será: piñó. v L 60 Z L z p c siedo la velocidad agular del d ) TRANSMISIÓN ENTRE EJES PERPENDICULARES. Para trasmitir movimieto etre dos ejes que forma u cierto águlo se utiliza egraajes cóicos y egraajes helicoidales. e) CAJA DE VELOCIDADES. La caja de cambios de u automóvil dispoe de dos ejes, uo de los cuales va uido al embrague y el otro cotiúa por cadea de trasmisió hasta las ruedas, y ua palaca que se accioa desde el iterior del vehículo y que permite seleccioar e cada mometo la relació más adecuada. El eje acoplado al motor se deomia eje primario y el eje acoplado a las ruedas eje secudario. E cada uo de los ejes se distribuye ua serie de ruedas detadas piñoes que egraa co las del otro eje. Se utiliza dietes helicoidales, salvo e el caso de la marcha atrás. 6

7 Velocidad Piñó Eje primario Piñó Eje secudario Relació de trasmisió r.p.m. del secudario si el primario gira a 000 r.p.m. r.p.m. del secudario si el primario gira a 3000 r.p.m. Primera Seguda Tercera Cuarta Quita Marcha atrás ACOPLAMIENTOS So elemetos que sirve para trasmitir potecia etre ejes alieados. Existe cuatro tipos pricipales: Acoplamietos rígidos: Realiza ua uió fija etre el trasmisor y el receptor, por lo que es ecesaria ua alieació muy precisa etre ambos ejes. La forma más habitual cosiste e dos platos uidos etre sí mediate torillos. Acoplamietos elásticos: Permite que los ejes o esté perfectamete alieados, puesto que los elemetos elásticos (cuero, caucho, goma o resorte) puede absorber desviacioes agulares o logitudiales, así como las vibracioes que se produzca durate el fucioamieto. Existe varios tipos; uo de los más secillos so los acoplamietos co casquillos de goma, que so parecidos a los rígido pero se sustituye los torillos por maguitos elásticos. Acoplamietos articulados: So los más utilizados para la trasmisió etre ejes icliados. - La más habitual es la juta cardá, que puede usarse hasta co ejes que forme 45º, auque tega limitacioes co la potecia que puede trasmitir. 7

8 - Otro tipo, meos usual, es el acoplamieto Oldham que permite la trasmisió etre dos ejes o coaxiales gracias al doble deslizamieto del plato cetral sobre los dos exteriores. Embragues: So acoplamietos que se utiliza co ejes alieados que es ecesario poder desacoplar e mometos cocretos. Existe dos tipos fudametales de embragues: - Embrague de arrastre istatáeo: El desacoplamieto se puede realizar tato e marcha como parado, pero el acoplamieto sólo se puede hacer co la máquia parada. - Embrague de arrastre progresivo: Permite el acoplamieto y desacoplamieto e marcha. Los más habituales so los embragues de fricció, formados por u plato iterior, otro exterior, la superficie de rozamieto y u resorte que matiee la fuerza etre los dos platos. Se puede mejorar el mometo máximo trasmisible haciedo que los discos embrague e ua superficie icliada. 8

9 TRANSFORMACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL MOVIMIENTO BIELA-MANIVELA: Trasforma u movimieto rotativo uiforme e u movimieto lieal alterativo. Al girar la maivela, la biela se ve obligada a retroceder y avazar, realizado su extremo u movimieto rectilíeo alterativo. Y al revés, si la biela produce el movimieto de etrada, la maivela se ve obligada a girar. La distacia que se desplaza la biela depede de la logitud de la maivela; cuado la maivela gira 80º, la biela se desplaza ua logitud igual al doble de la logitud de la maivela: d =.r LEVA-SEGUIDOR: Las levas permite trasformar u movimieto giratorio uiforme e otro lieal alterativo. Existe varios tipos de levas; las más habituales so las levas de disco: costa de u disco que ha sido coformado depediedo de la forma del desplazamieto que se quiere coseguir. Sobre la leva se apoya u elemeto deomiado seguidor que se desplaza a medida que la leva va girado. U tipo particular de leva es la excétrica, que se trata de ua rueda cuyo eje de giro está desplazado del cetro. DISIPADORES DE ENERGÍA Este tipo de dispositivos tiee la misió de reducir o parar el movimieto de uo o varios elemetos mecáicos cuado sea ecesario. Para ello trasforma la eergía ciética e calorífica por medio de la fricció etre dos piezas, ua fija y otra que gira. Los freos so los elemetos disipadores de eergía que posee ua máquia para reducir la velocidad de giro. Geeralmete fucioa por fricció y su costrucció es parecida a la de u embrague de fricció, pero e el freo el eje receptor está bloqueado. Los freos más comues so los de zapata (iterior o exterior) y los freos de disco. - Freos de zapata:: Costa de ua pieza que gira, deomiada tambor, solidario co el eje. Para reducir la velocidad del tambor, se aproxima la zapata al mismo, rozado co él. - Freos de disco: Se compoe de u disco colocado e el eje de giro y dos piezas o pastillas fijas que se aplica sobre ambas caras del disco para reducir su movimieto. 9