Elementos de máquinas - demo e

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Elementos
mecánicos
Luis Pueyo Laporta
Elemento mecánicos
Transmisores del
movimiento
Transformadores
del movimiento
De Unión
Auxiliares
Maquinas
complejas
1. Transmisores del movimiento
Acoplamiento
entre árboles
Ruedas
Directos
Articulaciones
Elementos
mecánicos de
transmisión del
movimiento
Por cuerda o
cable
Por cadena
Indirectos
Por correa
Directos
Acoplamiento entre árboles
Acoplamiento
entre árboles
Rígidos
Bridas
Móviles
Junta elástica
Junta cardán
Junta
homocinética
Junta Oldham
Deslizante
Eje estriado
Brida
Junta homocinética
Junta elástica
Junta Oldam
Junta cardán
Eje estirado
Ruedas
Ruedas
De fricción
Dentadas
De fricción
De fricción
Exteriores
Interiores
Troncocónicas
Exteriores
Interiores
Troncocónicas
Dentadas
Dentadas
Montadas en
ejes paralelos
Montadas en
ejes…
Que se
cruzan
Que se cortan
Montadas en ejes paralelos
Dientes rectos
Dientes en V
Dientes helicoidales
Epicicloidales
Montadas en ejes….
Que se cortan:
Engranajes cónicos rectos
Engranaje cónico helicoidal
Que se cruzan:
Tornillos sin fin
Hipoide
Engranajes helicoidales
Articulaciones
Articulaciones
De igual
sentido
De sentido
contrario
Otra
dirección del
movimiento
Por cuerda o cable
Mediante polea simple
Mediante polea compuesta ( polipasto )
Indirectos
Por cadena
Entre engranajes ( piñones )
Por correa
Correa
plana
Entre
poleas
Correa
trapezoidal
Correa
redonda
Por correa
Entre
engranajes
Correa
dentada
Entre poleas
Correa plana
Correa trapezoidal
Correa redonda
Entre engranajes
Correa dentada
2. Transformadores del movimiento
...rectilíneo
continuo.
Circular
continuo en...
...rectilíneo
alternativo.
...circular
continuo.
...circular
alternativo.
Transmisores
del movimiento
Rectilíneo
continuo en...
Rectilíneo
alternativo en...
...circular
continuo.
...circular
alternativo.
...circular
continuo.
Circular continuo en...
• Aplicaciones:
Apertura y
cierre de
puertas
automáticas.
Tornillo-tuerca
Piñón-cremallera
...rectilíneo continuo.
• Aplicaciones:
Prensa para
vino, aceite,
manzanas,
etcétera.
...rectilíneo alternativo.
Excéntrica:
Leva:
Apertura y
cierre de
válvulas de
motores.
Apertura y
cierre de
válvulas de
motores.
Bielamanivela:
Sierras
mecánicas de
vaivén.
...circular continuo.
Trinquete: impide el
giro de un eje en un
sentido y lo permite en
otro.
Rueda libre: permite la
transición desde el eje
motriz al resistente: no
a la inversa.
...circular alternativo.
Articulaciones
Rectilíneo continuo en...
... circular continuo.
Piñón-cremallera
( se emplean muy poco
como en calculadoras
mecánicas o cremalleras
del torno )
Rectilíneo alternativo en...
...circular continuo.
Pistón-biela-cigüeñal
( Se utilizan en motores de combustión
interna o de cuatro tiempos y
locomotoras de vapor. )
3. De Unión
Bulón o tornillo
pasante y tuerca
Tornillo de unión
Prisioneros
Espárragos
Uniones
Pernos
Tornillo de rosca
cortante
Tirafondos
Rosca métrica
El sistema
Whitworth
Bulón o tornillo pasante y tuerca
Se trata de un tornillo que enrosca una tuerca. Tal como se
observa en la imagen.
Las piezas a unir no van roscadas. Los diámetros de los agujeros
de las piezas son un poco más grande que el diámetro del
tornillo.
Tornillo de unión
Son tornillos semejantes a los anteriores, pero en este caso no se
emplean tuercas.
Es la pieza más alejada de la cabeza del tornillo la que hace de tuerca,
gracias a la rosca que se le ha practicado.
Este tipo de unión se utiliza cuando hay que sujetar una pieza a otra de
gran grosor.
Prisioneros
Son tornillos que se roscan a una pieza y se
alojan en el hueco que lleva la otra. Se
emplean cuando se quiere que una de la
piezas no gire ni se desplace con respecto a la
otra.
Espárragos
Son varillas roscadas por ambos
extremos con la parte central sin
roscar. Se suelen utilizar en piezas
metálicas donde se unen otras más
simples.
Pernos
Sirven para unir varias piezas.
Según la función que realice
existen diversos tipos de pernos:
de apoyo, de articulación y de
anclaje.
Tornillos de rosca cortante
Se utilizan para unir piezas metálicas de
poco espesor. Tiene la cualidad de
realizar la rosca a medida que son
introducidos, por lo que no hace falta
roscar el agujero previamente.
Tirafondos
Se utilizan para unir piezas de madera o
derivados, si el tornillo no es de gran
diámetro, no es necesario hacer agujero
previo en la madera. A medida que se
introduce el tornillo de hace también la
rosca
Rosca métrica
La rosca métrica es una de las roscas más utilizadas
en el ensamblaje de piezas mecánicas. El juego que
tiene en los vértices del acoplamiento entre el
tornillo y la tuerca permite el engrase. Los datos
constructivos de esta rosca son los siguientes:
La sección del filete es un triángulo equilátero cuyo
ángulo vale 60º.
El fondo de la rosca es redondeado y la cresta de la
rosca levemente truncada
El lado del triángulo es igual al paso.
El ángulo que forma el filete es de 60º.
Paso es la distancia entre dos puntos homólogos.
Su diámetro exterior y el avance se miden en
milímetros, siendo el avance la longitud que avanza
en dirección axial el tornillo en una vuelta completa.
Se expresa de la siguiente forma: ejemplo: M24 x 2 x
60. La M significa rosca métrica, 24 significa el valor
del diámetro exterior en mm, 2 significa el paso en
mm y 60 significa la longitud de la rosca en mm.
El sistema Whitworth
La primera persona que creó un tipo de rosca
normalizada, aproximadamente sobre 1841 fue el
ingeniero mecánico inglés sir Joseph Whitworth
El sistema de roscas Whitworth todavía se utiliza, para
reparar la vieja maquinaria y tiene un filete de rosca
más grueso que el filete de rosca métrico.
El sistema Whitworth fue un estándar británico,
abreviado a BSW (BS 84:1956) y el filete de rosca fino
estándar británico (BSF) fue introducido en 1908
porque el hilo de rosca de Whitworth resultaba grueso
para algunos usos.
El ángulo del hilo de rosca es de 55° en vez de los 60º
que tiene la rosca métrica la profundidad y el grosor
del filete de rosca variaba con el diámetro del tornillo
(es decir, cuanto más grueso es el perno, más grueso
es el filete de rosca).
En este sistema de roscas el paso se considera como el
número de filetes que hay por pulgada, y el diámetro
se expresa en fracciones de pulgada (por ejemplo
1/4", 5/16").
4. Auxiliares
Elementos
auxiliares
Acumuladores
de energía
Disparadores
de energía
Embragues
Cojinetes
Soportes o
estructuras
Acumulador de energía
El volante de inercia es un disco
macizo, normalmente de fundición,
que se monta en un eje con la misión
de garantizar un giro regular.
Disipadores de energía
Zapatas
Tambor
Disco
Embragues
Embrague de dientes
Embrague de fricción
Embrague hidráulico
Cojinetes
Cojinetes de fricción
Cojinetes de rodamientos
Soportes o estructuras
Son las encargadas de soportar el peso
del resto de los elementos mecánicos.
5. Máquinas complejas
Motor de explosión
Motor de combustión interna
Motor wankel
Motor de explosión de dos tiempos
Caja de cambios
Motor de explosión o ciclo Otto
El ciclo de trabajo para un motor de cuatro
tiempos es como sigue:
Carrera de admisión
Durante la carrera de descenso del pistón, se
abre una válvula conocida como válvula de
admisión (la de la izquierda) y entra al cilindro
(según indican las flechas) la mezcla de aire y
gasolina atomizada (previamente elaborada
en el carburador o por la inyección), debido al
vacío resultante. La otra válvula o válvula de
escape (la de la derecha) permanece cerrada.
Cuando el pistón llega a su punto mas bajo,
conocido como punto muerto inferior todo el
cilindro está lleno de la mezcla combustible y
el pistón comenzará a subir.
• Carrera de compresión
En el momento en que el pistón sube, se cierra
la válvula de admisión y la de escape
permanece cerrada, por lo que se produce la
compresión de la mezcla de aire y
combustible. Esta parte del ciclo se conoce
como carrera de compresión, durante ella y
debido al aumento de presión, el aire se
calienta, la gasolina se evapora y mezcla
íntimamente con el aire, quedando preparada
para el encendido, que se produce cuando el
pistón alcanza una posición muy próxima al
punto mas alto conocido como punto muerto
superior.
Este encendido se produce debido al salto de
una chispa eléctrica en la bujía, muy bien
sincronizada en el momento preciso.
La inflamación de la mezcla produce un
aumento brusco de la presión que empuja el
pistón hacia abajo para producir la fuerza de
trabajo del motor.
• Carrera de trabajo
La gran presión de los gases, al
quemarse el combustible hace
descender el pistón con gran
fuerza y es en este momento que
el motor puede producir trabajo
útil capaz de mover una carga, en
este caso el automóvil.
Cerca del punto muerto inferior los
gases se han enfriado un poco y
perdido parte de la presión por lo
que ya no son útiles para realizar
el trabajo, en ese momento se
abre la válvula de escape y
comienza la última parte del ciclo.
Carrera de escape
El movimiento ascendente
del pistón limpia el cilindro
de los gases quemados que
salen a través de la válvula
de escape (según las
flechas) mientras la válvula
de admisión permanece
cerrada.
Cuando llega al punto
muerto superior y el
cilindro está limpio,
empieza un nuevo descenso
y se comienza un nuevo
ciclo de admisión para
perpetuar el movimiento
del motor.
Motor diesel o de combustión interna
Carrera de admisión
Durante la carrera de
descenso del pistón, se abre
una válvula conocida como
válvula de admisión (la de la
izquierda) y entra al cilindro el
aire debido al vacío
resultante. La otra válvula o
válvula de escape (la del
medio en este dibujo)
permanece cerrada.
Cuando el pistón llega a su
punto mas bajo, conocido
como punto muerto inferior
todo el cilindro está lleno de
aire y el pistón comenzará a
subir.
Carrera de compresión
En el momento en que el pistón sube, se
cierra la válvula de admisión y la de escape
permanece cerrada, por lo que se produce
la compresión de la mezcla del aire. Esta
parte del ciclo se conoce como carrera de
compresión, durante ella y debido al
aumento de presión, el aire se calienta.
Luego cerca del punto muerto superior, se
inyecta el combustible a muy alta presión
dentro del cilindro finamente atomizado,
con un dispositivo conocido como inyector;
la temperatura del aire enciende el
combustible espontáneamente (sin bujía) y
se produce el aumento de presión.
La inflamación del aire produce un aumento
brusco de la presión que empuja el pistón
hacia abajo para producir la fuerza de
trabajo del motor.
Carrera de trabajo
La gran presión de los
gases, al quemarse el
combustible hace
descender el pistón con
gran fuerza y es en este
momento que el motor
puede producir trabajo útil
capaz de mover una carga,
en este caso el automóvil.
Cerca del punto muerto
inferior los gases se han
enfriado un poco y perdido
parte de la presión por lo
que ya no son útiles para
realizar el trabajo, en ese
momento se abre la
válvula de escape y
comienza la última parte
del ciclo.
Carrera de escape
El movimiento ascendente
del pistón limpia el cilindro
de los gases quemados que
salen a través de la válvula de
escape (según las flechas)
mientras la válvula de
admisión permanece
cerrada.
Cuando llega al punto muerto
superior y el cilindro está
limpio, empieza un nuevo
descenso y se comienza un
nuevo ciclo de admisión para
perpetuar el movimiento del
motor.
Motor Wankel
Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador el Dr. Félix Wankel, es un motor de
combustión interna que funciona de una manera completamente diferente de los motores
alternativos.
En un motor alternativo; en el mismo volumen se efectúan sucesivamente 4 diferentes trabajos –
admisión, compresión, combustión y escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4
tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; es decir, viene a ser como tener un
cilindro dedicado a cada uno de los tiempos, con el pistón moviéndose continuamente de uno a
otro. Más concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se
encuentra un pistón triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistón comunica su
movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro
único.
Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la
mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara
formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este
tipo de motores reemplaza a los pistones.
El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el alojamiento,
delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de
la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta
expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la
mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape.
Ventajas:
Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un motor
convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está formado por segmentos y
regletas), árbol motriz y sistema de refrigeración/engrase (similar a los que montan los
motores de pistón). Esto redunda en una mayor fiabilidad.
Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el mismo
sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las que está sometido
un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos giratorios para suprimir
cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva,
dado que cada etapa de combustión dura 90° de giro del rotor y a su vez como cada
vuelta del rotor representa 3 vueltas del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es
decir, 3/4 de cada vuelta; compárenlo con un motor mono cilíndrico, donde cada
combustión transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta del
cigüeñal. Se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje.
Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la velocidad del eje, las
piezas principales del motor se mueven más lentamente que las de un motor
convencional, aumentando la fiabilidad.
Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy pequeñas (no hay
bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones), solo se producen pequeñas
vibraciones en la excéntrica.
Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación
con los de pistones y dado que generalmente se construyen motores de dos o tres rotores
de 600cc o 700cc cada uno, ayuda a conseguir un menor peso final del mismo.
Desventajas :
Emisiones: es más complicado (aunque no
imposible) ajustarse a las normas de emisiones
contaminantes.
Costos de mantenimiento: al no estar tan
difundido, su mantenimiento resulta costoso.
Consumo: la eficiencia termodinámica
(relación consumo-potencia) se ve reducida
por la forma alargada de las cámaras de
combustión y la baja relación de compresión.
Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar
cada una de las 3 secciones del cilindro en
rotación, que deben ser impermeables unas de
otras para un buen funcionamiento. Además
se hace necesario cambiar el sistema de
estanqueidad cada 6 años aproximadamente,
por su fuerte desgaste.
Sincronización: la sincronización de los
distintos componentes del motor debe ser
muy buena para evitar que la explosión de la
mezcla se inicie antes de que el pistón rotativo
se encuentre en la posición adecuada. Si esto
no ocurre, la ignición empujará en sentido
contrario al deseado, pudiendo dañar el motor.
Motor de explosión de 2 tiempos
Fase de admisión-compresión
El pistón se desplaza hacia arriba (la culata) desde su punto
muerto inferior, en su recorrido deja abierta la lumbrera de
admisión. Mientras la cara superior del pistón realiza la
compresión en el cilindro, la cara inferior succiona la mezcla de
aire y combustible a través de la lumbrera. Para que esta
operación sea posible el cárter tiene que estar sellado. Es posible
que el pistón se deteriore y la culata se mantenga estable en los
procesos de combustión.
Fase de explosión-escape
Al llegar el pistón a su punto muerto superior se finaliza la
compresión y se provoca la combustión de la mezcla gracias a una
chispa eléctrica producida por la bujía. La expansión de los gases
de combustión impulsan con fuerza el pistón que transmite su
movimiento al cigüeñal a través de la biela.
En su recorrido descendente el pistón abre la lumbrera de escape
para que puedan salir los gases de combustión y la lumbrera de
transferencia por la que la mezcla de aire-combustible pasa del
cárter al cilindro. Cuando el pistón alcanza el punto inferior
empieza a ascender de nuevo, se cierra la lumbrera de
transferencia y comienza un nuevo ciclo
Ventajas
• El motor de dos tiempos no precisa válvulas de los mecanismos que las gobiernan,
por lo tanto es más liviano y de construcción más sencilla, por lo que resulta más
económico.
• Al producirse una explosión por cada vuelta del cigüeñal, desarrolla más potencia
para una misma cilindrada y su marcha es más regular.
• Pueden operar en cualquier orientación ya que el cárter no almacena el lubricante.
Inconvenientes
• Este motor consume aceite, ya que la lubricación se consigue incluyendo una parte
de aceite en el combustible. Este aceite penetra con la mezcla en la cámara de
combustión y se quema produciendo emisiones contaminantes y suciedad dentro del
cilindro que pueden afectar a la bujía impidiendo un correcto funcionamiento.
• Su rendimiento es inferior ya que la compresión, en la fase de compresión-admisión,
no es enteramente efectiva hasta que el pistón mismo cierra las lumbreras de
transferencia y de escape durante su recorrido ascendente y es por esto, que en las
especificaciones de los motores de dos tiempos aparecen muchas veces dos tipos de
compresión, la compresión relativa (relación entre los volúmenes del cilindro y de la
cámara de combustión) y la compresión corregida, midiendo el cilindro solo desde el
cierre de las lumbreras. Esta pérdida de compresión también provoca una pérdida de
potencia.
• Durante la fase de potencia-escape, parte del volumen de mezcla sin quemar (mezcla
limpia), se pierde por la lumbrera de escape junto a los gases resultantes de la
combustión provocando no solo una pérdida de rendimiento, sino más emisiones
contaminantes.
Caja de cambios
En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades es el elemento
encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con diferentes
relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la misma velocidad de
giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las
ruedas. El resultado en la ruedas de tracción generalmente es la reducción de
velocidad de giro e incremento del par motor.
En función de que la velocidad transmitida a las ruedas sea mayor, la fuerza
disminuye, suponiendo que el motor entrega una potencia constante: dado
que potencia es trabajo por unidad de tiempo y, a su vez, trabajo es fuerza por
distancia, una distancia mayor tiene por consecuencia una fuerza menor. De
esta manera la caja de cambios permite que se mantenga la velocidad de giro
del motor, y por lo tanto la potencia y par más adecuado a la velocidad a la que
se desee desplazar el vehículo.
La caja de cambios tiene la misión de reducir el número de revoluciones del
motor e invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando las necesidades de la
marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual
recibe movimiento a través del embrague, en transmisiones manuales; o a
través del convertidor de par, en transmisiones automáticas. Acoplado a ella va
el resto del sistema de transmisión.

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