apuntes de mecanismos 3
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I.E.S. “FUENTEBUENA”
Departamento de Tecnología CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN
NOMBRE Y APELLIDOS:
UNIDAD DIDÁCTICA: ¿POR QUÉ FUNCIONAN LAS MÁQUINAS?.
APUNTES.
3º E.S.O.
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I.E.S. “FUENTEBUENA”
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1. Introducción.
2. Máquinas y mecanismos.
3. Clasificación de los mecanismos.
4. Ejes y árboles de transmisión.
5. Mecanismos de transformación de movimiento circular en rectilíneo.
5.1. Mecanismo manivela torno.
5.2. Mecanismo piñón cremallera.
5.3. Mecanismo tornillo tuerca.
6. Mecanismos de transformación de movimiento circular en rectilíneo
alternativo o viceversa.
6.1. Mecanismo biela-manivela.
6.2. Leva y excéntrica.
6.3. Cigüeñal.
7. Mecanismos para dirigir el movimiento.
8. Mecanismos para regular el movimiento.
9. Mecanismos de acumulación de energía.
10. Mecanismos de acoplamiento.
11. Soportes y cojinetes.
ÍNDICE:
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1.- INTRODUCCIÓN.
Si miramos a nuestro alrededor comprobaremos que estamos rodeados de objetos
que se mueven o tienen capacidad de movimiento. Ahora bien, ¿qué es lo que hace posible
el movimiento de dichos objetos?.
Recordaréis del curso pasado como el sistema de piñones, platos y cadena de una
bicicleta permitía desplazarse a las personas de un lugar a otro o bien como el sistema de
poleas y correa de una lavadora nos hace la tarea de lavar la ropa sensiblemente más
cómoda.
En estos ejemplos y otros muchos más que analizasteis, hay algo en común, y es que
todos ellos necesitan un elemento motriz (o motor) que origine el movimiento, un
mecanismo que transmita y/o transforme el movimiento del motor y elementos receptores
que permitan realizar el trabajo para el cual han sido diseñados esos objetos.
2.- MÁQUINAS Y MECANISMOS.
Coincidiréis conmigo en que las máquinas simples y mecanismos estudiados el curso
pasado tienen todos en común que transmitían el movimiento de entrada a la máquina
(motriz) a otra parte de la misma pero no existía transformación de movimiento, es decir,
el movimiento de entrada y de salida de la máquina coincidían.
Sin embargo, los mecanismos que vamos a conocer este curso se van a caracterizar
porque el tipo de movimiento que tenga el elemento de entrada del mecanismo es
diferente del tipo de movimiento que tenga el elemento de salida, es decir, el tipo de
movimiento se transforma en otro distinto, de ahí que a estos mecanismos se les denomine
mecanismos de transformación de movimiento.
Pero… ¿De qué tipos de movimiento estamos hablando? 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 cíclicamente, como por ejemplo el de un
péndulo.
Los mecanismos son, pues, 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.
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3.- CLASIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS.
Sin embargo, atendiendo a la función que realizan, los mecanismos pueden
clasificarse tal y como se recoge en la siguiente tabla:
GRUPO FUNCIÓN TIPOS
Mecanismos de transformación de
movimientos
Transforman un movimiento circular en uno rectilíneo o viceversa
Mecanismos de transformación de movimiento circular en rectilíneo: � Manivela-torno � Piñón-cremallera � Tornillo-tuerca Mecanismos de transformación de movimiento circular en rectilíneo alternativo o viceversa: � Biela-manivela � Leva y excéntrica � Cigüeñal
Mecanismos para dirigir el movimiento
Permiten el giro en un sentido y lo impiden en el sentido contrario
� Trinquetes
Mecanismos para regular el movimiento
Reducen la velocidad del movimiento
� Frenos
Mecanismos de acumulación de energía
Absorben la energía cuando son sometidos a una presión
� Muelles � Gomas
Mecanismos de acoplamiento
Permiten el acoplamiento o desacoplamiento de los ejes o árboles de transmisión
� Embragues � Acoplamientos
En los mecanismos de transformación de movimiento el movimiento de entrada,
generalmente, es circular y el de salida lineal o rectilíneo (alternativo o no) aunque, hay
que señalar que algunos de los mecanismos de transformación son reversibles. Así, por
ejemplo, el mecanismo biela-manivela se puede considerar, también, un mecanismo de
transformación alternativo-circular, pues el elemento de entrada puede ser el que tiene
movimiento alternativo, mientras que elemento circular lo tiene el elemento conducido.
4.- EJES Y ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN.
Los elementos mecánicos pueden ir montados sobre ejes de transmisión o sobre
árboles de transmisión. Los primeros son piezas cilíndricas que sirven de soporte a poleas,
ruedas de fricción, ruedas dentadas, etc. Pueden ser fijos o giratorios y únicamente
transmiten el movimiento. Los árboles de transmisión son también piezas cilíndricas,
normalmente de mayor longitud que los anteriores. Son siempre giratorios y transmiten
movimiento y potencia.
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5.- MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO CIRCULAR EN
RECTILÍNEO.
Para transformar el movimiento circular en movimiento rectilíneo se emplean los
mecanismos de manivela-torno, tornillo-tuerca y piñón-cremallera.
5.1.- Mecanismo manivela torno.
El torno o cabria es una máquina simple que
consiste en un cilindro, cuyo eje está situado sobre
dos soportes, que gira al accionar una manivela
conectada al eje.
Sobre el cilindro se fija un extremo de una
cuerda, mientras que del otro extremo pende el
peso. Al girar el cilindro, la cuerda se enrolla sobre
él y el peso asciende.
La distancia desde el extremo de la
manivela hasta el centro del cilindro es el brazo de
la fuerza y el radio del cilindro es el brazo de la resistencia.
Para que el torno se encuentre en equilibrio debe cumplirse
que: el producto de la fuerza motriz por la longitud del brazo de la
manivela sea igual al producto del peso que se ha de elevar por el
radio del cilindro del torno. La expresión matemática de la ley de
equilibrio del torno es:
F · BF = R · BR
Así, cuanto mayor es la longitud de la manivela, mayor será el brazo de la fuerza y,
por tanto, la fuerza que se ha de ejercer para subir el peso es menor.
5.2.- Mecanismo piñón-cremallera.
El piñón cremallera es un mecanismo que transforma un movimiento circular de una
rueda dentada (piñón) en movimiento rectilíneo de una barra prismática (cremallera), a la
que desplaza longitudinalmente al engranar en los dientes tallados en ella.
Brazo de una
fuerza: es la
mínima distancia
desde el punto de
apoyo al punto
de aplicación de
la fuerza.
RECUERDA
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El avance (L) en milímetros de un mecanismo de piñón-cremallera se calcula
aplicando la fórmula:
L = Pz · z · n
Si tenemos en cuenta el número de revoluciones o vueltas del
piñón en un minuto, el avance de la cremallera vendrá dado en
milímetros por minuto (mm/min).
Una llave inglesa funciona gracias al mecanismo piñón-
cremallera, de tal forma que cuando giramos el tornillo que actúa de piñón la cremallera
se desplaza linealmente y permite la apertura o el cierre de la boca móvil de la llave.
Es necesario apuntar que si mantenemos fijo el piñón y desplazamos la cremallera
linealmente, el piñón girará, es decir, este mecanismo es reversible.
5.3.- Mecanismo tornillo-tuerca.
El mecanismo tornillo-tuerca está formado por un tornillo (husillo) que, al girar,
produce un desplazamiento longitudinal (movimiento rectilíneo) en la tuerca.
Como cualquier tornillo, éste se caracteriza por:
� El número de entradas: es el número de hélices
enrolladas sobre el núcleo del tornillo, que suelen ser una, dos o
tres.
� El paso de rosca: es la distancia entre dos filetes
consecutivos de una misma hélice del tornillo.
El avance (L) o longitud que se desplaza la tuerca al girar el
tornillo se calcula por medio de la siguiente fórmula:
L = PT · z · n Un tornillo de una entrada y un paso de 2 mm, al girar una vuelta completa, hace
avanzar la tuerca 2 mm. En cambio, un tornillo similar, pero con dos entradas, al girar los
dos filetes a la vez, hace avanzar la tuerca 4 mm en cada vuelta completa.
Es necesario apuntar que si fijamos el tornillo y giramos la tuerca, ésta se
desplazará linealmente, es decir, este mecanismo es reversible.
L: avance de la cremallera (mm)
Pz: paso de los dientes de la cremallera (mm)
z: número de dientes del piñón
n: número de revoluciones o vueltas del piñón
Paso: es la distancia
que hay entre dos
puntos iguales de dos
dientes consecutivos.
RECUERDA
L: avance del tornillo (mm)
PT: paso del tornillo (mm)
z: número de entradas del tornillo
n: número de revoluciones o vueltas del tornillo
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Los tornillos de banco emplean el mecanismo tornillo-tuerca para desplazar su boca
móvil.
6.- MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO CIRCULAR EN
RECTILÍNEO ALTERNATIVO O VICEVERSA.
Para transformar el movimiento circular en un movimiento de vaivén o movimiento
rectilíneo alternativo se emplean los mecanismos de biela-manivela, leva y excéntrica y
cigüeñal.
6.1.- Mecanismo biela-manivela.
El conjunto biela-manivela está
formado por una manivela y una barra
denominada biela. Esta se encuentra
articulada por un extremo con dicha
manivela y por el otro con un
elemento que describe un movimiento
lineal alternativo.
Al girar la rueda, la manivela
transmite el movimiento circular a la biela, que experimenta un movimiento de vaivén.
Este sistema de biela-manivela también funciona a la inversa, es decir, transforma
un movimiento rectilíneo alternativo o de vaivén en un movimiento de rotación.
Este mecanismo tuvo una importancia decisiva en el desarrollo de la locomotora de
vapor, pero también se utiliza en motores de combustión interna, máquinas herramienta,
etc.
Este sistema es totalmente reversible, pues se puede imprimir un movimiento lineal
alternativo al pie de biela y obtener uno giratorio en el eje de la manivela.
Puede observarse en la imagen
adjunta que por cada vuelta que
describe la manivela, la biela recorre
dos veces la misma longitud. A esa
longitud se le llama carrera, es
decir, por cada vuelta de manivela la
biela hace dos carreras.
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6.2.- Leva y excéntrica.
La leva es un elemento giratorio con un
contorno de forma especial, que, al girar, transmite
movimiento alternativo a otro elemento que está en
contacto con su periferia (seguidor). La leva
transforma movimiento circular en movimiento
alternativo, y no al revés, ya que el seguidor no puede
mover a la leva.
Un conjunto de levas colocadas sobre el mismo eje se
denomina árbol de levas y se emplea en motores de combustión
interna para regular de forma automática la apertura y el cierre de
las válvulas del motor que permiten la entrada y salida de
combustible y gases.
Los tipos de leva más utilizados son:
1. Levas de disco. Son elementos giratorios con un perfil especial, a lo largo del
cual se desplaza el seguidor.
2. Leva de tambor. Consisten en un cilindro que tiene una ranura en su superficie
lateral, por donde se desplaza el seguidor, al que sirve de guía.
La excéntrica es una pieza circular que
gira alrededor de un punto no situado en el
centro y produce un desplazamiento alternativo
hacia arriba y hacia abajo de cualquier elemento
que esté en contacto con ella. El movimiento no
es reversible, ya que la excéntrica sólo
transforma movimiento circular en movimiento
alternativo, pero no al contrario.
6.3.- Cigüeñal.
Si se coloca una serie de bielas en un mismo eje
acodado, cada uno de los codos del eje hace las veces
de manivela, y el conjunto se denomina cigüeñal.
El cigüeñal transforma el movimiento de
rotación de un eje en los movimientos alternativos
desacompasados de las diferentes bielas. También
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puede convertir el movimiento de vaivén de las bielas en un movimiento de rotación del
eje.
Este mecanismo se emplea en motores de combustión, donde la acción combinada
de los cilindros acoplados a las bielas genera un movimiento acumulado de rotación en el
eje. También se ha utilizado tradicionalmente en máquinas de coser.
7.- MECANISMOS PARA DIRIGIR EL MOVIMIENTO.
El ejemplo más característico de este tipo de mecanismos es el trinquete.
Un trinquete es un mecanismo formado por una rueda con dientes inclinados, en los
que encaja una uña que impide el giro en uno de los sentidos. Existen dos tipos de
trinquetes:
1. Irreversibles. Impiden el giro siempre en
el mismo sentido y pueden tener dentado exterior,
interior o frontal.
2. Reversibles. Pueden impedir el giro en
los dos sentidos al invertir la orientación de la
actuación de la uña.
Este elemento se utiliza en relojería, como
elemento tensor de cables o de seguridad en máquinas elevadoras, en frenos, etc.
8.- MECANISMOS PARA REGULAR EL MOVIMIENTO.
Los mecanismos más utilizados para regular el
movimiento son los frenos. Los hay de varios tipos: de disco,
de cinta y de tambor.
Los frenos de disco constan de unas pastillas y un
disco acoplado al elemento que se desea frenar. Funcionan
por la fricción o rozamiento de las pastillas cuando presionan
el disco.
El freno de cinta consta de una cinta
metálica o fleje que presiona un tambor
acoplado al eje que se desea frenar; funciona,
igualmente, por fricción o rozamiento.
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Por último, en el freno de tambor, la
reducción de velocidad se consigue cuando
una o dos zapatas, fabricadas con material de
fricción, entran en contacto con un tambor de
frenada que gira simultáneamente con el
elemento que se desea frenar.
9.- MECANISMOS DE ACUMULACIÓN DE ENERGÍA.
Los muelles son dispositivos que, gracias a la elasticidad de los materiales con que
están elaborados, absorben energía cuando son sometidos a cierta presión. Esta energía
puede ser liberada más tarde, ya sea dosificada en pequeñas cantidades o de golpe.
Según el tipo de fuerza externa que se aplique, los muelles trabajan de diferentes
formas:
1. a compresión. El muelle se aplasta o
comprime, como en un sillón.
2. a tracción. El muelle es estirado, como en
un somier.
3. a torsión. El muelle es retorcido, como en
las pinzas de tender la ropa.
Los muelles tienen aplicaciones muy diversas: máquinas industriales y domésticas,
juguetes de cuerda, relojes, bolígrafos, colchones, somieres, alicates, pinzas, etc.
10.- MECANISMOS DE ACOPLAMIENTO.
Son mecanismos que realizan funciones de conexión o desconexión en la transmisión
de movimiento entre diferentes elementos. Los mecanismos de acoplamiento por
excelencia son los embragues.
Los embragues son mecanismos que permiten conectar o desconectar elementos de
transmisión de movimiento de una máquina. Constan de un elemento fijo, colocado en el
árbol conductor, y un elemento desplazable, situado en el elemento que ha de recibir el
movimiento (árbol conducido). Los embragues pueden ser:
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1. Embragues de dientes. Acoplan árboles de
transmisión accionando una palanca que los desplaza
lateralmente hasta lograr su unión. Este tipo de embrague
requiere que los elementos que se han de acoplar estén
parados durante la operación.
2. Embragues de fricción. Funcionan
mediante la fuerza de rozamiento producida
entre dos superficies que presionan una en la
otra. Las piezas que entran en contacto deben
ser lisas para realizar el embragado y
desembragado con los elementos de
transmisión en movimiento.
Las superficies que entran en contacto
en el acoplamiento pueden ser de metal o
estar revestidas de ferodo. En todo caso, los
materiales usados deben favorecer el
rozamiento y evitar que las superficies patinen.
En un automóvil el embrague transmite el giro del motor a las ruedas. Cuando se
desembraga un vehículo durante una parada, se interrumpe la transmisión y el motor
puede seguir funcionando con el automóvil parado. Las diferentes marchas de un embrague
permiten que el motor funcione a un ritmo constante a pesar de las diferentes velocidades
y potencias que desarrolle el vehículo.
Si lo que se quiere es unir ejes o árboles de transmisión
largos, enlazados de forma permanente, se utilizarán los
acoplamientos fijos o bridas. Este tipo de acoplamiento une
rígidamente los árboles que están conectados y no admiten
ningún tipo de movimiento relativo entre ellos. Los
acoplamientos fijos pueden ser de manguito o de plato,
dependiendo del diámetro de los ejes que se desean unir. Acoplamiento fijo de manguito
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Y por último, en el caso que deseemos unir árboles de transmisión que puedan
desplazarse a lo largo del eje o que formen un ángulo entre sí se utilizarán los
acoplamientos móviles. Las juntas Oldham transmiten el movimiento entre árboles
enlazados o situados a poca distancia, mientras que las articulaciones universales o juntas
Cardan transmiten el movimiento entre árboles que forman un determinado ángulo.
11.- SOPORTES Y COJINETES.
Son los elementos sobre los que se apoyan los árboles y los ejes de transmisión.
Podemos clasificarlos en dos grupos: cojinetes de fricción y
rodamientos.
En los primeros, el eje o árbol que se apoya roza o
fricciona al girar, por lo que necesitan ser engrasados o
lubricados con aceite, lo cual facilita el giro y reduce el
desgaste y el rozamiento.
Para evitar el rozamiento entre el eje o árbol de
transmisión y el elemento de soporte, se usan los
rodamientos, formados por dos anillos concéntricos entre
los que se colocan bolas o rodillos. El anillo interior se
une o ajusta al eje o árbol de transmisión, y el exterior,
al elemento soporte.
Tanto los cojinetes de fricción como los
rodamientos se fabrican con materiales muy resistentes al
desgaste por rozamiento, como el bronce y otros
materiales antifricción.