Tema 4. Máquinas complejas. Tecnología. 3º ESO.
Tema 4: Máquinas complejas. 1. Introducción. Ya sabemos que el hombre inventa máquinas para reducir el esfuerzo necesario para realizar un trabajo. Hoy en día estamos rodeados de máquinas: una grúa, un excavadora, un ordenador, una bicicleta, una batidora, una lavadora...todos tienen la finalidad de favorecer el hacer un trabajo, bien porque hacemos menos fuerza, lo hacemos en menos tiempo, o simplemente, nos resulta más cómodo. 2. Fundamentos de una máquina. En una máquina se pueden diferenciar tres partes: Elemento motriz: es el que introduce la fuerza o el movimiento en la máquina. Mecanismo: son los dispositivos que trasladan la fuerza o el movimiento hasta el elemento de salida. Elemento receptor o de salida: Es el último elemento que recibe la fuerza o el movimiento y que cumple la función para la cual la máquina ha sido creada. Además el mecanismo de una máquina puede ser: Acelerador: Si el elemento de salida va a mayor velocidad que el elemento motriz. Reductor: Si ele elemento de salida va a menor velocidad que el motriz. En un mecanismo podemos distinguir claramente tres tipos de movimiento diferentes: a) Movimiento circular o rotatorio, como el que tiene una rueda. b) Movimiento lineal o rectilíneo. c) Movimiento alternativo o de vaivén. En este caso, el elemento tiene un movimiento de ida y vuelta, que se repite de forma cíclica como, por ejemplo, un péndulo. Así que teniendo en cuenta los movimientos existentes en un mecanismo, podemos diferenciar dos grupos: I. Los mecanismos de transformación: el movimiento del elemento de entrada es diferente al movimiento del elemento de salida. Hay dos tipos: Mecanismos de transformación circular-lineal: En este caso, el elemento de entrada tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento lineal. Ejemplo: El mecanismo piñón-cremallera.
Mecanismos de transformación circular-alternativo: En este caso, el elemento de salida tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento alternativo. Ejemplo: El mecanismo de biela-manivela. II. Los mecanismos de transmisión: el movimiento del elemento de entrada y de salida es el mismo. Hay dos tipos: Mecanismos de transmisión circular: En este caso, el elemento de entrada y el elemento de salida tienen movimiento circular. Ejemplo: Los sistemas de engranajes. Mecanismos de transmisión lineal: En este caso, el elemento de entrada y el elemento de salida tienen movimiento lineal. Ejemplo: La palanca. Además, teniendo en cuenta el sentido del movimiento, se distinguen: Sistema inversor: Es cuando el elemento de salida va en sentido contrario al elemento de entrada. Sistema no inversor: Cuando el elemento de salida y el de entrada, tienen el mismo sentido del movimiento. 3. Mecanismos de transmisión. En este apartado veremos varios mecanismos de transmisión. 3.1. Sistema simple de poleas con correa. El sistema de poleas con correa más simple consiste en dos poleas situadas a cierta distancia, que giran a la vez por efecto del rozamiento de una correa con ambas poleas. Es este un sistema de transmisión circular puesto que ambas poleas poseen movimiento circular. La correa puede colocarse de dos maneras: La correa debe mantenerse lo suficientemente tensa pues, de otro modo, no cumpliría su cometido satisfactoriamente. Inconvenientes sobre este mecanismo: Es un mecanismo ocupa demasiado espacio. La correa puede patinar si la velocidad es muy alta con lo cual no se garantiza una transmisión efectiva.
La potencia que se puede transmitir es limitada. Aplicaciones: Este mecanismo es esencial en los motores de los automóviles, pues la transmisión circular entre diferentes ejes de los mismos se hacen con correas. Hemos oído hablar multitud de veces de la correa de transmisión (o de distribución) del coche. Pues bien, es esencial para el funcionamiento del ventilador de refrigeración, el alternador, Ambos mecanismos puedes verlos en los siguientes vídeos: https://www.youtube.com/watch?v=sff0zciq_ws https://www.youtube.com/watch?v=7_htbtz7xnw 3.2. Ruedas de fricción. Este mecanismo de transmisión circular consiste en dos o más ruedas que rozan entre ellas, de modo que, mediante la fuerza que produce el rozamiento entre ambas, es posible transmitir el movimiento giratorio. Inconvenientes sobre este mecanismo: Solamente se puede usar cuando se transmiten pequeñas potencias, pues, por deslizamiento existe una pérdida de velocidad. Además, el uso continuo lleva al desgaste de las ruedas, a pesar de que las ruedas están revestidas de un material especial para evitarlo. Ventajas sobre este mecanismo: El bajo coste que supone la fabricación del mecanismo. Es un mecanismo que ocupa poco espacio, al contrario que el sistema de poleas con correa. Aplicaciones: Es muy común en equipos de sonido y vídeo, pues las ruedas de fricción facilitan el avance de la cinta. También es común en impresoras para facilitar el avance del papel. 3.2. Engranajes. Distinguimos dos tipos: 3.2.1. Engranaje directo. Este sistema de transmisión de movimiento está constituido por el acoplamiento, diente a diente, de dos ruedas dentadas. A la mayor se le llama corona y a la menor piñón.
Hay diferentes tipos de engranajes, según la forma de sus dientes o la forma del engranaje: Engranajes rectos Tanto la forma de la rueda como la del diente, son rectas. Son uno de los mecanismos más utilizados, y se encuentran en cualquier tipo de máquina: relojes, juguetes, máquinas herramientas, etc. Engranajes helicoidales Debido a su forma, su construcción resulta más cara que los anteriores y se utiliza en aplicaciones específicas tales como cajas de cambios, cadenas cinemáticas, máquinas herramientas de gran precisión En este sistema de engranaje hay varios pares de dientes en contacto al mismo tiempo y eso hace que se trate de un sistema más silencioso, con una transmisión de fuerza y de movimiento más uniforme y segura. Engranajes cónicos. Se trata de ruedas dentadas en forma de tronco de cono, y pueden tener los dientes rectos o curvos (hipoides), siendo estos últimos muy utilizados en sistemas de transmisión para automóviles. Ventajas sobre este mecanismo: Ocupan espacios reducidos. No hay pérdidas por deslizamiento. Gran capacidad de transmitir potencia. Elevado rendimiento. Bajo mantenimiento, solo necesita lubricación. Inconvenientes sobre este mecanismo: Son más costosos. Son más ruidosos.
3.2.2. Engranaje por cadenas.. En este caso, los engranajes están unidos por una cadena cuyos eslabones engranan con las ruedas dentadas. Ventajas sobre este mecanismo: La cadena no corre peligro de deslizarse. Transmisión de grandes potencias (al contrario que el sistema de poleas con correas), lo que se traduce en una mayor eficiencia mecánica. Inconvenientes sobre este mecanismo: Es más costoso. Más ruidoso. Necesita lubricación. Imposibilidad de invertir el giro de los engranajes. Aplicaciones: Es el mecanismo de transmisión que utilizan las bicicletas y motocicletas, y en muchas máquinas e instalaciones industriales. 4. Leyes físicas. Todos los mecanismos anteriores, se rigen por la siguiente ley: w 1 * d 1 = w 2 * d 2 w 1 y w 2 son las velocidades de giro de la rueda motriz y conducida. Se miden en rpm o rps (para pasar de rpm a rps se divide entre 60) d 1 y d 2 son los diámetros de la rueda motriz y conducida respectivamente. Su unidad es de longitud: metro, decímetro, centímetro, milímetro... A partir de la ley anterior se obtiene una expresión que relaciona los parámetros de los elementos de entrada y de salida, es decir, se obtiene una relación en la transmisión: w 1 / w 2 = d 2 /d 1 según esa expresión, si el valor obtenido es mayor a 1 el sistema sería reductor ( pues w 1 > w 2 ) y si en menor a uno sería un sistema acelerador.
5. Rueda o engranaje loco. Es una rueda o engranaje cuya finalidad es cambiar el sentido de giro del engranaje conducido. Se coloca en medio de las dos ruedas consideradas. De esta manera, mecanismos que eran inversores del sentido del movimiento se convierten en no inversores. 6. Tren. Los trenes se emplean cuando es necesario transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes. Los trenes se construyen de manera que existe un elemento motriz que mueve a uno conducido; éste último se instala sobre un árbol que transmite el movimiento a otro elemento que actúa como motriz. y que transmite el movimiento a otro conducido situado en otro árbol en las siguientes imágenes se muestran diferentes tipos de trenes: Tren de transmisión por correas. Tren de engranajes. Aplicaciones: lavadoras, ventiladores, lavaplatos, pulidoras, vídeos, cortadoras de carne, taladros, generadores de electricidad, cortadoras de césped, transmisión en motores, etc... 7. Tornillo sin fin- corona (plato). El tornillo sin fin es la aplicación práctica equivalente a tener un piñón de un solo diente. El tornillo engrana con una corona o plato, según vemos en la imagen. Este mecanismo se caracteriza porque el elemento motriz siempre es el tornillo, es decir, el movimiento pasa del tornillo a la corona, pues el
movimiento contrario (de la corona al tornillo), no puede llevarse a cabo pues produce el bloqueo del movimiento. Es el mecanismo más reductor de todos. Aplicaciones: tensar las cuerdas de la guitarra, en sacacorchos, en el ajuste de la llave inglesa Vídeo que refleja el movimiento. http://www.robives.com/content/worm_gear 8. Piñón cremallera. La cremallera es la aplicación práctica equivalente a disponer de un plato con infinitos dientes. Este mecanismo es reversible, es decir, puede transformar el movimiento de circular a lineal (el elemento motriz es el piñón), o de lineal a circular (El elemento motriz sería la cremallera). Aplicaciones: movimientos lineales de precisión (microscopios), regulación de altura de los trípodes, movimiento de estanterías móviles en archivos, farmacias o bibliotecas, funiculares, apertura y cierre de puertas automáticas de corredera, desplazamiento máquinas herramientas (taladros, tornos, fresadoras...), etc. Vídeo que refleja el movimiento: http://www.robives.com/mechanisms/rackpinion http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/68/rack_and_pinion_animation.gif
9. Levas y Excéntricas. Las levas y excéntricas son mecanismos que permiten convertir un movimiento giratorio en un movimiento lineal (pero no viceversa), es decir, no son movimientos reversibles. La leva es una pieza giratoria de contorno especial cuyo contorno está siempre en contacto con un elemento seguidor que se mueve linealmente. Las excéntricas son ruedas que tienen su eje de giro desplazado, de tal manera que al rotar provocan un efecto similar a las levas. Aplicaciones: su aplicación fundamental es en la apertura y cierre de válvulas o de circuitos. Ejemplo: motores de automóviles, programadores de lavadoras y lavavajillas Vídeo que refleja el movimiento: http://www.robives.com/mechanisms/cams 10. Bielas - manivelas. Está formado por una manivela que por un extremo se encuentra unido de forma articulada a una rueda que gira y por el otro a una barra denominada biela. La unión biela manivela también es articulada. El extremo libre de la biela describe un movimiento lineal en el interior de una guía. Este mecanismo es reversible, es decir, a partir del movimiento rectilíneo de la biela se obtiene uno giratorio de salida. Vídeo de este mecanismo: http://www.robives.com/mechanisms/piston
Aplicaciones: antiguas locomotora de vapor, motor de explosión (motor de gasolina de los automóviles), limpiaparabrisas, rueda de afilar, máquina de coser... 10.1. Cigüeñal. Consiste en disponer varios mecanismos biela - manivela sobre un eje común. Aplicaciones: en un motor de gasolina o las atracciones de feria. Ejercicios: 1. Se tiene un mecanismo de dos ruedas de fricción. La velocidad de giro de la pequeña es de 30 rpm y su diámetro 20 mm. Calcula la velocidad de giro de la rueda mayor, si tiene 40 mm de diámetro. a) Si el sistema es reductor, qué rueda es la motriz? 2. Se tiene un mecanismo formado por dos ruedas de fricción que es acelerador. La rueda pequeña tiene 15 milímetros de diámetro y gira a 20 rps. Indica: a) Qué rueda es la motriz. b) El mecanismo es inversor o no? c) Calcula la velocidad de giro de la rueda grande si su diámetro es 60 mm. 3. Dibuja un mecanismo de transmisión por correa que sea reductor e inversor. La rueda pequeña tiene un diámetro de 15 mm y la grande 45 mm. La velocidad de giro de la rueda pequeña es 60 rpm. Calcula: a) La velocidad de giro de la rueda grande. b) La velocidad de giro del elemento de salida. 4. Dibuja un mecanismo de transmisión por correa lineal. De él se sabe que existe una relación en la transmisión (d 2/d 1) de 0,25 y que la rueda de mayor tamaño mide 80 mm. Responde: a) Es acelerador o reductor?
b) Señala sobre el dibujo la rueda motriz y la conducida. c) Calcula el diámetro de la rueda pequeña. d) Si el elemento de salida gira a 30 rpm, calcula la velocidad de giro de la otra rueda. 5. Se tiene un mecanismo formado por dos ruedas de fricción. Existe una relación en la transmisión (d 2/d 1) de 4. Si el diámetro de la rueda pequeña es 25 mm, calcula: a) Si el mecanismo es acelerador o reductor. b) Dibújalo y señala la rueda motriz y la conducida. c) Averigua el diámetro de la rueda grande. d) Si el elemento de entrada gira a 400 rpm, calcula la velocidad del elemento de salida. 6. Dado el siguiente tren de poleas: Datos: d1 = d3= d5 0 80 mm d2 = 20 mm d4 = d6 = 40 mm a) Calcula la relación en la transmisión (d 2/d 1) e indica si el sistema es acelerador o reductor. b) Si el elemento de salida gira a 1200rpm, calcula la velocidad del elemento de entrada. c) Es inversor? d) Es transmisor o transformador? 7. Diseña un mecanismo de engranajes directos que sea no inversor. a) Indica sobre el dibujo el elemento motriz, los elementos conducidos y el elemento de salida. b) Si la relación en la transmisión (d 2/d 1) es 0,2 y el piñón tiene 10 dientes 1. Es acelerador o reductor? 2. Transformador o transmisor? 3. Averigua los dientes del plato. c) Si el elemento de salida a 150 rpm, qué velocidad de giro lleva el elemento de entrada? d) Si el piñón da cinco vueltas, cuántas vueltas da el plato?