Unidade 5 Mecanismos (Apuntes) LOS MECANISMOS

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1 LOS MECANISMOS CLICA SOBRE LA IMAGEN PARA SABER MÁS 1. INTRODUCCIÓN Si observamos a nuestro alrededor, observaremos que estamos rodeados de objetos que se mueven o tienen capacidad de movimiento. Los elementos de la transmisión por cadena de la bicicleta, los engranajes de un reloj, una polea para elevar un peso son algunos de los mecanismos más sencillos que se encuentran formando parte de muchos objetos. Los mecanismos son elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y movimientos desde un elemento motriz (motor) a un elemento receptor. Permiten al ser humano realizar determinados trabajos con mayor comodidad y menor esfuerzo. Existen dos grupos de mecanismos: 1. Mecanismos de transmisión del movimiento. 2. Mecanismos de transformación del movimiento. Los mecanismos de transmisión son aquellos en los que el elemento motriz (o de entrada) y el elemento conducido (o de salida) tienen el mismo tipo de movimiento. Los mecanismos de transformación son aquellos en los que el elemento motriz y el conducido tienen distinto tipo de movimiento. 2. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN Como su nombre indica, transmiten el movimiento desde un punto hasta otro distinto. Tenemos, a su vez, dos tipos: Mecanismos de transmisión lineal y Mecanismos de transmisión circular. Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 1

2 2.1. Palanca La palanca es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o articulación, también llamada fulcro. En un punto de la barra se aplica una fuerza F con el fin de vencer una resistencia R, que actúa en otro punto de la misma. La palanca se encuentra en equilibrio cuando se cumple la ley de la palanca Ley de la palanca P.dp=R.dr Hay tres tipos de palanca: de primer, segundo y tercer grado: Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 2

3 2.2. Sistema de poleas Una polea es una rueda con una ranura que gira alrededor de un eje por la que se hace pasar una cuerda que permite vencer una resistencia R de forma cómoda aplicando una fuerza F. De este modo podemos elevar pesos hasta cierta altura. Es un sistema de transmisión lineal, pues el movimiento de entrada y salida es lineal. Polea fija. Se encuentra en equilibrio cuando la fuerza F es igual a la resistencia R, que representa a la carga; es decir, cuando F=R. Sirve para cambiar la dirección del esfuerzo y nos permite subir o bajar cargas con facilidad, aunque el esfuerzo aplicado es igual que el peso del objeto que se levanta. No hay ganancia mecánica. Polea móvil. Es un conjunto de dos poleas, una fija, y otra que puede desplazarse linealmente. Se encuentra en equilibrio cuando F=R/2, es decir, el esfuerzo que necesitamos es la mitad que el peso a levantar. A cambio, si tiramos de un metro de cuerda, la carga sólo se levanta medio metro. Polipasto: Es un tipo de polea móvil con un número par de poleas, la mitad son fijas y la otra mitad son móviles. En un polipasto, si quiero vencer una resistencia R debo hacer una fuerza mucho menor, de modo que Donde n es el número de poleas móviles Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 3

4 2.3. Sistema de ruedas de fricción Consisten en dos ruedas que se encuentran en contacto. Es un sistema de transmisión circular. Pues la rueda de entrada (motriz) transmite el movimiento circular a una rueda de salida (conducida). El sentido de giro de la rueda conducida es contrario al de la rueda motriz y, siempre, la rueda mayor gira a menor velocidad que la otra. No están muy extendidas porque son incapaces de transmitir mucha potencia, pues se corre el riesgo de que patinen las ruedas. Relación de transmisión: Definimos la relación de transmisión (i) como la relación que existe entre la velocidad de la polea de salida (n 2 ) y la velocidad de la polea de entrada (n 1 ).i = n 2 / n 1. Relación de velocidades: n 1 x d 1 = n 2 xd 2. En la igualdad anterior, los diámetros se expresan en unidades de longitud (normalmente milímetros) y las velocidades en revoluciones por minuto (r.p.m.) Si la rueda motriz es más pequeña que la conducida, la rueda conducida gira más despacio que la motriz. Se dice entonces que el mecanismo es reductor de velocidad (i menor que 1). Si la rueda motriz es más grande que la conducida se dice que el mecanismo es multiplicador de velocidad (i mayor que 1) Sistema de poleas con correa Son conjuntos de poleas o ruedas situadas a cierta distancia,que giran simultáneamente por efecto de una correa. Se aplica igual que en el apartado anterior la relación de transmisión y el cálculo de velocidades. Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 4

5 Transmisión por correa cruzada: También se emplea en ejes paralelos aunque solo si se desea que éstos giren en sentidos opuestos Transmisión por correa con rodillo tensor :Un problema de las correas es que producen deslizamiento, esto puede mejorarse si colocamos un rodillo tensor. Este sistema aumenta la superficie de contacto entre polea y correa por lo que el deslizamiento disminuye y se puede aumentar la potencia a transmitir Engranajes Son juegos de ruedas que poseen salientes denominados dientes, que encajan entre sí, de modo que unas ruedas arrastran a las otras. Todos los dientes han de tener la misma forma y tamaño. Los engranajes giran de modo que, los más pequeños giran a mayor velocidad, de modo similar al caso del sistema de poleas con correa. En este caso, en lugar de tener en cuenta el diámetro de la polea, se tienen el cuenta el número de dientes de cada rueda. Fíjate en el dibujo de la izquierda: Supongamos que, en este caso, la rueda mayor es la rueda motriz (entrada) y la rueda conducida es la menor. En este caso: La rueda de entrada tiene 20 dientes. (Z1= 20). La rueda de salida tiene 10 dientes. (Z2= 10) Se puede intuir que la rueda conducida, que tiene la mitad de dientes que la motriz, girará al doble de velocidad. Se puede calcular las velocidad de los engranajes a partir de los tamaños de las mismas n 1 xz 1 = n 2 xz 2 Siendo: n 1 = velocidad del engranaje de entrada n 2 = velocidad del engranaje de salida Z 1 = número de dientes del engranaje de entrada Z 2 = número de dientes del engranaje de salida Los engranajes tienen la ventaja de que transmiten movimiento circular entre ejes muy próximos y además transmiten mucha fuerza (porque los dientes no deslizan entre sí), al contrario que con el sistema de poleas con correa. La relación de transmisión (i) en un sistema de engranajes se puede calcular del siguiente modo: o también como hemos visto i = n 2 / n 1 i = Z 1 / Z 2 Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 5

6 Normalmente al engranaje mayor se le llama rueda y al menor piñón. Características de engranajes de dientes rectos Circunferencia primitiva: El diámetro primitivo es el diámetro que tendría la rueda dentada si esta fuese de fricción. es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes. Circunferencia exterior: Limita los dientes por la parte externa Circunferencia interior: Limita los dientes por la parte interna Módulo (m): Valor característico de las ruedas dentadas, se expresa en mm. Para que dos engranajes puedan trabajar juntas deber tener el mismo módulo. se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. Paso(p): longitud medida sobre la circunferencia primitiva que hai entre el mismo punto de dos dientes consecutivos. Diámetro primitivo: Módulo: Paso circular: Número de dientes: Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 6

7 2.6. Transmisión por engranajes con cadena Consiste en dos ruedas dentadas acopladas a dos ejes que se encuentran a cierta distancia, el giro entre ambos ejes se transmite por efecto de un cadena que engrana a ambas. Evita los resbalamientos que se producían en el caso de las correas, por lo que permite transmitir más potencia Tren de poleas con correa o engranajes Un tren de un sistema de poleas con correa consiste en la combinación de más de dos poleas. Veamos un ejemplo: La rueda de entrada del sistema de poleas es la motriz 1 y la rueda de salida es la conducida 3. En este caso hay cuatro ejes de transmisión El movimiento circular del eje motriz se transmite al eje 2 a través de la polea motriz 1 y la conducida 1. Las poleas motriz 2 y conducida 1 está acopladas al mismo eje, giran a igual velocidad. La polea motriz 2 transmite el movimiento a la conducida 2 gracias a la acción de otra correa. Las poleas motriz 3 y conducida 2 giran a igual velocidad porque comparten el mismo eje. Por último y gracias a una tercera correa el movimiento circular se transmite desde la motriz 3 a la conducida3. Se puede observar el movimiento circular se va reduciendo más a medida que añadimos más poleas y más correas. n1 = velocidad de la polea motriz 1 n2 = velocidad de la polea conducida 1 = velocidad polea motriz 2 n3 = velocidad de la polea conducida 2 =velocidad polea motriz 3 n4 = velocidad de la polea conducida 3 La relación de transmisión del sistema es i = n4/ n1 También se puede hallar esta relación de transmisión a partir de la relación de transmisión de cada par de poleas i = i1 i2 i3 siendo i1 = n2/ n1 = d1/ d2 i2 = n3/ n2 = d2/ d3 i3 = n4/ n3 = d3/ d4 Si hacemos los cálculos con los diámetros la relación de transmisión queda d1xd3 x...(d.rodas.motrices) i = d xd x...(d.rodas.conducidas) 2 4 Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 7

8 Los engranajes también se pueden combinar formando un tren de engranajes Con la gran ventaja de que, a diferencia del tren de poleas, ocupan mucho menos espacio. Las fórmulas anteriores se mantienen solo que ahora en vez de diámetros calcularemos con nº dientes(z) 2.8. Tornillo sinfin - corona Es un mecanismo que sirve para transmitir un movimiento circular entre dos ejes que se cruzan perpendicularmente. Es un mecanismo no reversible, ya que si gira el tornillo, también lo hace el engranaje, pero si intentamos hacer girar este último, el mecanismo permanece bloqueado. Un tornillo gira engarzado a un engranaje (corona o piñón) de forma que se produce una gran reducción de velocidad. Si el engranaje tiene 20 dientes el tornillo deberá dar 20 vueltas(si tiene una entrada) para que el engranaje gire una vuelta completa. El tornillo se distingue por el número de entradas, si un tornillo es de dos entradas significa que por cada vuelta del tornillo engranan dos dientes. Si volvemos a analizar el ejemplo anterior con un engranaje de 20 dientes y un tornillo de dos entradas tendríamos que por cada vuelta del tornillo engranarían dos dientes por lo que el tornillo tendría que dar 10 vueltas para que el engranaje lo hiciera una vuelta completa. Se emplean las fórmulas de engranajes para el cálculo de velocidades. Donde la velocidad del tornillo (n 1 ) y el Nº de entradas del tornillo (Z 1 ). n 1 xz 1 = n 2 xz 2 Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 8

9 3. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN Como ya hemos visto transforman el movimiento circular en rectilíneo o viceversa Piñón cremallera En mecánica se entiende por cremallera a un prisma rectangular con una de sus caras laterales dentada. Desde el punto de vista tecnológico podemos considerarla como un caso particular de la rueda dentada, pues puede suponerse que es un engranaje de radio infinito. Se emplea, junto con un engranaje (piñón), para convertir un movimiento giratorio en longitudinal. Cuando el piñón gira, sus dientes empujan los de la cremallera, provocando el desplazamiento lineal de estos. Si lo que se mueve es la cremallera, sus dientes empujan a los del piñón consiguiendo que este gire. Es de gran aplicación en puertas automáticas de corredera, algunas máquinas herramientas (taladros, tornos, fresadoras...), cerraduras, gatos de coche Tornillo-tuerca Permite convertir un movimiento giratorio en uno lineal continuo. Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 9

10 El sistema consiste en un tornillo que gira en el interior de una tuerca. Este mecanismo se puede plantear de dos formas básicos: Un tornillo de posición fija (no puede desplazarse longitudinalmente) que al girar provoca el desplazamiento de la tuerca. Una tuerca fija (no puede girar ni desplazarse longitudinalmente) que produce el desplazamiento del tornillo cuando este gira. Además de permitir la conversión de un movimiento rotativo en uno lineal, tiene la ventaja de que en cada vuelta solo avanza la distancia que tiene de separación entre filetes (paso de rosca). Aplicaciones prácticas: Unión desmontable de objetos. Se emplea en forma de tirafondos (tornillo afilado que emplea al propio objeto como tuerca) o de tornillo-tuerca (compás, unión de chapas,..) Mecanismo de desplazamiento. Se emplean en: tapones de botellas y frascos, lápices de labios, barras de pegamento, elevadores de talleres, gatos de coche, tornillos de banco, presillas, máquinas herramientas, sacacorchos Manivela-torno Permite convertir un movimiento giratorio en uno lineal continuo, o viceversa. Sistema básico formado por un torno (cilindro) sobre el que se encuentra enrollado un cable con un extremo libre; a estos operadores suelen añadirse una manivela solidaria con el torno y unos soportes. El funcionamiento consiste en que, cuando giramos la manivela, gira con ella el cilindro, lo que hace que el cable se enrolle a su alrededor (o se desenrolle, según el sentido de giro del torno) y ello provoque el desplazamiento lineal de su extremo libre. El torno está en equilibrio cuando se cumple la igualdad que puedes ver en el dibujo (ley de la palanca). De esta forma, cuanto más larga sea la manivela y menor el diámetro del tambor, mayor será la fuerza que podremos vencer. Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 10

11 Se emplea en grúas (accionado por un motor eléctrico en vez de una manivela), barcos (para recoger las redes de pesca, izar o arriar velas, levar anclas...), pozos de agua (elevar el cubo desde el fondo), elevalunas de los automóviles Biela-manivela Está formado por una manivela y una barra denominada biela. Ésta se encuentra articulada por un extremo con dicha manivela y, por el otro, con un elemento que describe un movimiento alternativo. Al girar la rueda, la manivela transmite un movimiento circular a la biela que experimenta un movimiento de vaivén. Este sistema también funciona a la inversa, es decir, transforma un movimiento rectilíneo alternativo de vaivén en un movimiento de rotación. Su importancia fue decisiva en el desarrollo de locomotora de vapor, y en la actualidad se utiliza en motores de combustión interna, limpiaparabrisas, máquinas herramientas, etc Cigüeñal Cuando varias manivelas se asocian sobre un único eje da lugar al cigüeñal. La utilidad práctica del cigüeñal viene de la posibilidad de convertir, con la ayuda de una biela, un movimiento rotativo continuo en uno lineal alternativo (o viceversa). Los cigüeñales son empleados en todo tipo de mecanismos que precisen movimientos alternativos sincronizados: motores de coches, juguetes en los que piernas y manos van sincronizados Leva_seguidor La leva es un disco con un perfil externo parcialmente circular sobre el que apoya un elemento móvil (seguidor de leva) destinado a seguir las variaciones del perfil de la leva cuando esta gira. La leva va Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 11

12 solidaria con un eje que le transmite el movimiento;(se pueden montar varias levas sobre un mismo eje o árbol (árbol de levas), lo que permite la sincronización del movimiento de los seguidores) Dependiendo del perfil de la leva obtendremos distintos movimientos de salida en el seguidor. Por tanto, la leva nos permite transformar un movimiento rotativo (giratorio) en alternativo, su principal utilidad está en la automatización de máquinas (programadores de lavadora, control de máquinas de vapor, apertura y cierre de las válvulas de los motores de explosión...) Trinquete Es un dispositivo de seguridad que permite el giro en un sentido y lo impide en el contrario. Se utiliza en relojería, como elemento tensor de cables de seguridad en máquinas elevadoras, frenos, etc. Dpto Tecnoloxía CPI San Sadurniño 12