c. Balance energético en la transmisión de los movimientos.

Transcripción

1 Desarrollo del tema : a. Mecanismos que transforman movimientos. 1. El trinquete. 2. Mecanismos biela-manivela. 3. Mecanismo piñón-cremallera. 4. El torno. 5. Mecanismo tornillo-tuerca. 6. Leva y excéntrica. b. Elementos auxiliares de las máquinas. 7. Los cojinetes. 8. Acumuladores de energía. 9. Los frenos. 10. Los lubrificantes. c. Balance energético en la transmisión de los movimientos. 1

2 1. El trinquete. El trinquete es un mecanismo destinado a impedir el giro de un eje en un sentido y permitir el giro en el otro. Normalmente, consta de una rueda dentada exterior o interior de dientes oblicuos y de una uña que actúa contra los dientes mediante un muelle o por el propio peso. El sentido de bloqueo puede ser regulada en cada momento. 2. Mecanismos biela-manivela. El mecanismo biela-manivela está destinado a transformar movimientos rectilíneos alternativos regulares en otro circular uniforme o viceversa. Es un mecanismo que se aplica en una gran cantidad de elementos de máquinas. Por ejemplo en el pistón del motor de explosión, que proporciona la fuerza necesaria para mover la rueda motriz del coche; en un compresor, que proporciona el par necesario para comprimir el aire con el pistón. En el caso del motor de explosión, la biela y el cigüeñal, permite mover la rueda motriz. Los pistones y las bielas, actúan como elemento motor y el cigüeñal como conducido. Los elementos que forman el sistema biela-manivela son los siguientes: El pistón, que se fabrica con un material muy resistente y ligero. Suele ser de duraluminio, es hueco para rebajar su inercia, puesto que se mueve a gran velocidad; posee una serie de 2

3 ranuras en donde se montan unos segmentos para que ajuste perfectamente al cilindro. Estos segmentos están construidos con un material fuerte pero elástico. El pistón posee un orificio, donde se monta un eje vacío o bulón, que transmite el movimiento a la biela. La biela. Es el elemento que transmite la fuerza y el movimiento del pistón hasta la manivela, al eje de la excéntrica o al cigüeñal. Es una pieza ligera y fuerte y por eso se fabrica en forma de doble T en su cuerpo central. En los puntos de articulación, se colocan cojinetes o rodamientos lubrificados. La manivela, es una barra metálica que se articula con la biela y con el eje del rotor. Varias manivelas unidas por un eje, recibe el nombre de cigüeñal. Esta pieza se encuentra sometida a la fuerza alternativa de todos los pistones. Durante el recorrido, y para evitar los tiempos muertos, los cigüeñales poseen en lugares muy calculados, unos contrapesos que permiten mover al cigüeñal en los tiempos muertos. Para equilibrar el sistema se coloca al final un volante de inercia, que es un engranaje con una gran masa; en este engranaje, llamado corona, es el lugar donde engrana el motor de arranque. Sistema biela-cigüeñal en los automóviles Los puntos en los que el pistón invierte su sentido de movimiento, se denominan puntos muertos y en ellos la velocidad es nula. Estos puntos muertos son dos: el punto muerto inferior y el superior. Si la longitud de la manivela es l m y la de la biela es lb, el punto inferior será igual a lb lm, en tanto que el punto muerto superior será : lb + lm. El desplazamiento del pistón desde un punto muerto a otro, recibe el nombre de carrera y es igual a: 2. lm. Un ejemplo clásico de este sistema lo encontramos en el funcionamiento del motor de explosión. En este caso, hay que tener en cuenta que funciona alternativamente describiendo cuatro tiempos: Admisión. La válvula de admisión está abierta y la de escape cerrada. El piston se mueve desde el punto muerto superior al inferior, describiendo una carrera, produciendo un vacio 3

4 que hace que la mezcla de gasolina aire entre en el cilindro. Compresión. Las dos válvulas se encuentran cerradas; el pistón comprime la mezcla gracias a la manivela inercial o ocontrapeso, moviéndose desde el punto muerto inferior al superior. Explosión. En este momento, con las dos válvulas cerradas, y gracias a una bujía, se produce un punto de ignición, explotando la mezcla, desplazando el pistón hasta el punto muerto inferior, debido a la compresión producida por la explosión. Escape. La válvula de escape se abre y los gases resultantes de la combustión son eliminados, pasando el pistón desde el punto muerto inferior al superior. En el siguiente esquema se explica los cuatro tiempos de un motor de explosión de un automóvil. Cigüeñal 3. Mecanismo piñón-cremallera. Este mecanismo transforma un movimiento circular en lineal y viceversa. Está formada por 4

5 una barra recta con un lado dentado, que recibe el nombre de cremallera y una rueda dentada que recibe el nombre de piñón. La cremallera se mueve de forma lineal, al realizar el piñón un movimiento de rotación. Si la rotación del piñón es en ambos sentidos, la cremallera podrá realizar un movimiento alternativo. El perfil de los dientes de la cremallera es de 40º. El piñón es un engranaje normal, con dientes rectos o helicoidales. Cuando el piñón gira, la cremallera avanza el paso tantas veces como dientes posea el piñón. Como en el caso de los engranajes, se ha de cumplir que : p = π. m, siendo m el módulo del piñón que es el cociente entre el diámetro y el número de dientes. Entre las aplicaciones que poseen se encuentran el sistema de dirección de los automóviles, el sistema de subida y bajada del taladro vertical, el tren de cremallera, para salvar pendientes elevadas, etc. 4. El torno. El torno está formado por un cilindro, que puede girar en torno a un eje horizontal que pasa por su centro; dicho eje, se apoya en dos soportes verticales. Alrededor de la superficie lateral del cilindro se enrolla una cuerda, uno de cuyos extremos se ancla al propio cilindro y el otro extremo se sujeta al objeto que se pretende levantar o resistencia ( R ). En el eje se acopla una manivela, donde se aplica la fuerza o bien se acopla el eje de un motor para hacer girar el eje. Aplicando : Σ Mo = 0, se cumplirá : F. If = R. r En este caso es la ley de la palanca aplicada al torno. 5

6 5. Mecanismo tornillo-tuerca. El mecanismo tornillo tuerca, además de ser un elemento de unión desmontable entre piezas, permite convertir un movimiento de rotación en lineal. El tornillo es un cilindro provisto en su exterior de una rosca. La tuerca es un cilindro hueco provisto de una rosca en su interior. La sección de la tuerca es generalmente hexagonal en su superficie exterior. Tanto la tuerca como el tornillo va provisto de un pieza enrollada helicoidal que recibe el nombre de filete. Las formas del filete pueden ser: a. Rectangular, usados para el movimiento. b. Triangulares, usados para fijación de piezas. Estas pueden ser métricas (M), si el ángulo es de 60º, o withworth (W) si el ángulo es de 55º, usada por los anglosajones. c. Trapezoidales, usadas tanto para el movimiento como para la fijación de piezas. Recibe el nombre de paso, p la distancia entre dos puntos iguales de dos filetes consecutivos, medida sobre la generatriz. En un tornillo puede haber una, dos o tres entradas, si existen más de un filete enrollado. Se denomina avance, A al producto del paso (p) por el número de entradas (a). A= a. p Según esto el trabajo motriz será WF = F.2.π. lf El trabajo resultante será: WR = R. A Si igualamos ambos trabajos: WF = WR F.2.π. lf = R. A Es decir : F = R.A avance 2.l f 6

7 Roscados h = hilos por pulgada p = (25,4/h) (mm) ; 1 inch (1 ) = 25,4 mm. 7

8 6. Leva y excéntrica. Las levas y las excéntricas son elementos que transforman un movimiento circular en un movimiento circular alternativo. La excéntrica consiste en un disco cuyo eje de giro no coincide con el centro. La distancia entre el centro del disco y el centro de giro, se denomina excentricidad. El movimiento transmitido depende del perfil de la pieza que gira. La leva consiste en un disco irregular, que gira en torno a un eje que pasa por su centro. Sobre la periferia de la excéntrica o la leva, se coloca una varilla seguidora con un sistema de recuperación mecánica para que siga su movimiento. La varilla seguidora puede ser: Oscilante, cuando el seguidor realiza un movimiento alternativo hacia arriba y hacia abajo. Seguidor de rodillo Seguidor de zapata Sistema leva- seguidor lineal. Permiten transformar los movimientos de rotación en lineal alternativo irregular. Para que ello sea posible, es necesario que en todo momento la superficie de la leva se encuentre en contacto con el taqué seguidor o varilla. Se denomina elevación al máximo desplazamiento que se produce en el eslabón seguidor. 8

9 b. Elementos auxiliares de las máquinas. Entre los elementos auxiliares que se pueden encontrar en los mecanismos son los siguientes: 7. Los cojinetes. Tanto los ejes como los árboles de transmisión necesitan unos puntos donde apoyarse para soportar el peso, guiarlos en su rotación y evitar desplazamientos. Un cojinete es un elemento mecánico que tiene como función la de soportar y permitir el giro de un eje o de un elemento móvil de una máquina, con el rozamiento lo más suave posible. Los cojinetes pueden ser de fricción, si el contacto con el elemento móvil se produce por deslizamiento, se realiza la unión mediante casquillos o bujes; o de rodamiento, cuando el contacto se realiza mediante elementos móviles por rodadura ( rodamientos de bolas o rodamientos cilíndricos). 8. Acumuladores de energía. Los acumuladores de energía son los elementos de máquinas capaces de almacenar una clase de energía determinada y suministrarla posteriormente. Los más empleados son: a. Los elementos elásticos. Son elementos que se deforman por la acción de una fuerza de compresión, tracción, flexión, o torsión y que recupera su forma original cuando la fuerza deja de actuar. Entre estos elementos se encuentran: los muelles o los anillos elásticos. b. las ballestas. Son elementos elásticos formados por láminas de acero de diferente longitud, unidas por diferentes abrazadoras. Las ballestas se someten a flexión. Se utilizan en la suspensión de los vehículos, para evitar que las vibraciones del firme de la carretera. 9

10 c. El volante de inercia es una rueda o disco macizo de fundición o acero, que se monta en un eje para asegurar un giro regular. Las irregularidades del eje de giro se compensan con la energía que el volante ha acumulado, de modo que se frena el giro cuando el eje tiende a acelerar y lo obliga a girar cuando éste tiende a detenerse. 9. Los frenos. Los frenos son elementos disipadores de energía. Sirven para reducir o parar el movimiento de uno o varios elementos de una máquina cuando era necesario. La energía mecánica se transforma en energía calorífica por la fricción entre dos piezas denominadas frenos. Los más utilizados son los frenos de disco, de tambor o eléctricos. 1. Frenos de disco. Consta de un disco que gira solidariamente con el eje y de una pieza, llamada pastilla, situada en una determinada zona del disco. Al accionar la pastilla, aprisiona al disco, produciendo una disminución de la velocidad del eje o el frenado completo. Se utilizan sobre todo en los automóviles. 2. Frenos de tambor. Son frenos usados también en automoción. Consta de una pieza, denominada tambor, que gira solidariamente con el eje de rotación. La otra pieza está sujeta al bastidor y se denomina zapata, que al accionar el freno se aproxima al tambor, por lo que la velocidad de giro disminuye. La zapata puede interaccionar con el tambor en el exterior o en el interior, dando lugar a frenos de tambor exteriores o interiores. Zapata exterior Zapata interior 10

11 Para aumentar el rozamiento, los frenos de disco o de tambor, suelen tener en la zona de contacto con el disco o tambor, una película de amianto que recibe el nombre de ferodo; cuando éste se calienta, el rendimiento del freno disminuye, dando lugar al fenómeno de fatiga térmica. Frenado eléctrico. El sistema de frenado eléctrico transforma la energía cinética de rotación que se pretende detener, en energía eléctrica, transformándose en energía calorífica y se disipa en el medio ambiente, o bien se puede aprovechar para otro acometido. Cuando la energía se disipa al medio ambiente, el sistema utilizado es un disco conductor. Cuando se quiere aprovechar la energía resultante, el sistema es un rotor con devanados. Ambos sistemas giran con el eje y se encuentran rodeados por un electroimán fijado al bastidor. El sistema funciona mediante atracción de los campos magnéticos, que permite frenar el rotor hasta pararlo. Los camiones y los autobuses, poseen este sistema de frenado además del mecánico. 10. Los lubrificantes. Las piezas al girar, rozan unas con otras y al presentar rugosidades sufren desgastes físicos y ocasionan un calentamiento por fricción. Para evitar este efecto que podría ser peligroso para las máquinas, se realiza una lubricación o engrasado que consiste en interponer una película de lubrificante entre las superficies que se desplazan o en los elementos de las máquinas que trabajan moviéndose uno respecto al otro. Los lubricantes más utilizados son los aceites minerales, clasificándose según su viscosidad. La grasa es un aceite que a temperatura ambiente se presenta en forma pastosa. Dependiendo de los elementos que se vayan a lubrificar, se utilizará un aceite con determinada viscosidad. La dispersión del lubrificante se hará por aportación externa, por presión o por chapoteo. c. Balance energético en la transmisión de los movimientos. La elección y el diseño del tipo de transmisión de movimientos en una máquina dependerá del trabajo que deba realizarse. La potencia será igual: P = F. v La Potencia, P se mide en vatios (W). La Fuerza, F se mide en Newton (N) La velocidad, v se mide en (m/s) Si se considera que la velocidad lineal es igual a la angular por el radio, se obtendrá : v = ω. R 11

12 La Potencia P = F. ω. R Si el momento del par M = F. R La Potencia, P = M. ω M, el momento del par se mide en N. m ω, velocidad angular se mide en (rad/s) 1 rev. = 2. π rad = 360 º Si en la transmisión no existe pérdidas, la potencia del par motor será igual a la potencia esistente. MM. ω M = MR. ω R n será la velocidad angular en rev/ min, entonces ω = MM. n1 = MR. n2 ; La relación de transmisión será n (rad/s) ω1 MM = ω2 Mr i= z 1 ω 2 n2 M 1 = = = M M =i. M R z 2 ω 1 n1 M 2 Cuando i > 1, entonces actúa como multiplicador. La velocidad de salida es mayor que la velocidad de entrada. Cuando i < 1, entonces es reductor. La velocidad de salida es menor que la entrada. Cuando i = 1, el sistema es simplemente un sistema transmisor de movimiento con la misma velocidad y par de entrada que de salida. En los sistemas de transmisión de movimientos, se cumple el principio de conservación de la energía, convirtiéndose parte de la energía en calor. Considerando que la potencia es el cociente entre la energía y el tiempo, se debe de tener en cuenta: Pab (Potencia absorbida). Es la potencia de entrada del sistema. Cuando el sistema es mecánico, la potencia es mecánica. Pu (Potencia útil). Es la potencia de salida del sistema que puede aprovecharse realmente y que será inferior a la potencia absorbida. Rendimiento (η). Es la relación entre la potencia útil y la absorbida. Se mide en tanto por ciento. Potencia perdida ( PP) es la diferencia entre la potencia absorbida y la potencia útil. PP = Pab - Pu 12