1. Ejes y árboles
Un eje es un elemento de máquina, normalmente cilíndrico, que sirve para sostener diferentes piezas mecánicas que giran, sin transmitir potencia.
Estos ejes están sometidos a esfuerzos de torsión y a veces a esfuerzos de cortadura como consecuencia del rozamiento. Dependiendo de la forma del trabajo son:
- Ejes fijos; permiten el giro de los elementos mecánicos situados sobre ellos, aunque no giran a la vez. El roce es entre los elementos mecánicos y el eje.
- Ejes giratorios; pueden girar junto con algunos de los elementos situados sobre ellos. El roce es entre los extremos del eje y los soportes.
Según los esfuerzos, los ejes pueden ser.
- Ejes macizos; soportan las cargas y golpes bruscos pero pueden deformarse a flexión con esfuerzos grandes
- Ejes huecos; soportan mejor los esfuerzos a flexión con igual cantidad de material.
Un árbol es un elemento de máquina, cilíndrico o no, sobre el que se montan diferentes piezas mecánicas y es capaz de transmitir momentos torsores.
Siempre giran solidarios a los elementos montados sobre ellos. Los árboles también son conocidos como ejes de transmisión. Están sometidos a esfuerzos de torsión, flexión, cortadura, compresión y tracción. La forma de los árboles pueden ser rectos o acodados. En condiciones de transmisión, distinguimos entre:
- Árboles rígidos; están en un mismo eje con los elementos unidos por bridas, platillos o tornillos. Existe el problema de que se pueden desalinear los elementos. Son tan rígidos que pueden romperse.
- Árboles móviles; son flexibles y así reducen los problemas de rotura por flexión.
Ejemplos de acoplamientos que llevan los árboles móviles.
- Acoplamiento rígido entre árboles:
- Mediante bridas; Se basa en colocar en los extremos de dos árboles alineados dos medias bridas, de tal forma que al apretar los tornillos que las unen aprisionan a los árboles, impidiendo que se mueven uno con respecto al otro.
- Mediante platillos; Constan de dos platos que se atornillan entre ellos comprimiendo una pieza cónica que atrapan los árboles a unir.
- Acoplamiento móvil entre árboles:
- Juntas elásticas; La unión entre los dos ejes se realiza interponiendo una pieza de material con elevada elasticidad, como el caucho o el neopreno, con capacidad para absorber pequeñas vibraciones.
- Juntas homocineticas; (velocidad constante), son utilizadas para la transmisión del movimiento a las ruedas en los automóviles: Permiten la transmisión de fuerzas y movimiento permitiendo variaciones de posición debidos a la suspensión y la dirección.
- Juntas oldham; La unión entre los dos ejes se realiza interponiendo una pieza que tiene movilidad transversal y se usan para unir árboles cercanos y con algo de desalineación.
- Eje estriado deslizante; Permite variar la longitud de un árbol gracias al deslizamiento de un árbol dentro de otro. Sus utilidades son muy variadas.
- Juntas Cardan; Permite la transmisión del movimiento de rotación de un árbol a otro cuando estos formen entre sí un grado α. Consta de una 'cruceta' articulada en dos 'horquillas' solidarias a los árboles que giran.
El embrague es un mecanismo que permite acoplar dos piezas que se encuentran en ejes alineados para transmitir a una un movimiento de rotación a otra.
2. Poleas y correas
Se utilizan cuando hay distancia entre el árbol motriz y el conducido.
Una polea es una rueda acanalada solidaria a un árbol.
Una correa es un elemento mecánico que se utiliza para unir dos poleas.
Tipos de correas según su sección:
- Correas planas; hechas de cuero, cáñamo, algodón o material sintético. Para esfuerzos de transmisión pequeños.
- Correas trapeciales; hechas con caucho. Para poleas pequeñas con alta velocidad.
- Correas circulares, también para pequeños esfuerzos de transmisión.
Para mejorar el rendimiento y evitar el deslizamiento, la correa debe estar tensa. Para ello se utilizan rodillos tensores o carriles tensores.
La relación de transmisión es igual al cociente entre el diámetro de la polea motriz y el diámetro de la conducida.
3. Relación de transmisión
- Cuando i>1 es un sistema multiplicador
- Cuando i=1 es un simple transmisor de movimiento
- Cuando i<1 es un sistema reductor
Sabiendo esto, si deseamos mayor momento torsor, utilizamos un sistema reductor. Y si deseamos mayor velocidad, utilizamos un sistema multiplicador.
4. Ruedas de fricción
Las ruedas de fricción son elementos de máquinas que permiten transmitir el movimiento circular, cuando la distancia entre ejes es pequeña y la fuerza a transmitir también, de forma continua entre dos árboles por contacto directo de sus superficies.
La fuerza de rozamiento depende de la presión que ejerce una rueda sobre la otra y del material de que esta hecha la rueda. Según la forma que tienen las ruedas son:
- Ruedas de fricción exteriores: Forma cilíndrica y el contacto se produce en la parte externa. El sentido de giro es inverso de una rueda con respecto a la otra.
- Ruedas de fricción interiores: Forma cilíndrica y el contacto se produce en la parte interna. El sentido de giro es igual para ambas ruedas.
- Ruedas de fricción troncocónicas: Forma troncocónica y el contacto se produce en la parte lateral. Para árboles no paralelos.
5. Ruedas dentadas
La ruedas dentadas son elementos de máquinas que permiten transmitir el movimiento circular, cuando la distancia entre ejes es pequeña y la fuerza a transmitir grande, evitando el peligro de deslizamiento y permitiendo gran variedad de relaciones de transmisión.
Las ruedas dentadas pueden tener:
- Dientes rectos; estos son paralelos al eje de giro de la rueda.
- Dientes helicoidales; estos están inclinados respecto al eje de giro de la rueda.
Los dientes de las ruedas presentan un perfil curvo característico denominado perfil de evolvente, para garantizar la misma dirección de empuje y la misma relación de transmisión.
Parámetros de una rueda dentada:
- Dp: diámetro primitivo
- De: diámetro exterior > De = Dp + 2Hc ; Dp + 2·m
- Di: diámetro interior > Di = Dp - 2’25·m
- w: ancho del diente > w = 21/40 · P
- s: ancho del hueco del diente > s = 19/40 · P
- b: longitud del diente > b = 10·m
- hc: addendum > Hc = m
- hp: deddendum > Hp = 1’25·m
- hd: altura del diente > Hd = Hc + Hp ; 2’25·m
- m: módulo > m = Dp / z
- P: paso circular > P = Lp/z = π·Dp/z = m · z
- z: número de dientes
- e: distancia entre dientes > e = Dp1+Dp2/2
i = Nc/Nm = Dpm/Dpc = Zm/Zc = Mm/Mc
Para que engrane dos ruedas dentadas: m1 = m2 ; p1 = p2
6. Engranajes
Engranaje; Conjunto formado por dos ruedas dentadas que se adaptan perfectamente entre sí y que son capaces de transmitir movimiento. Para que engranen la condición es que ambas tengan igual módulo ‘m’ o paso ‘p’. La transmisión puede ser:
- Entre ejes paralelos; se utilizan engranajes cilíndricos de exteriores, de interiores o de cremallera.
- Entre ejes que se cortan: se utilizan engranajes cónicos.
- Entre ejes perpendiculares: se utilizan engranajes cilíndricos helicoidales o hiperbólicos.
7. Trenes de engranajes o cadenas cinemáticas
Un tren de engranajes es un conjunto formado por más de un par de ruedas dentadas. Según el número de ruedas por eje tendremos:
- Tren simple de engranajes; una sola rueda por eje de giro.
- Tren compuesto de engranajes; Consta de dos o más árboles paralelos provistos de diversas ruedas dentadas, de modo, que al menos dos de ellas giran solidariamente sobre el mismo árbol.
i = Nc/Nm = Dm/Dc = Zm/Zc = Mm/Mc
7.1 Tren simple de engranajes
La relación de transmisión sólo depende de la primera rueda y de la última, ya que la velocidad lineal de las circunferencia primitivas es la misma. El sentido de giro final depende del número de ruedas que componen el tren (número impar de ruedas = mismo sentido).
i= Zm / Zc = Nc / Nm
7.2 Tren compuesto de engranajes
La relación de transmisión total es igual al producto de las relaciones de transmisión de los engranajes simples que lo componen.
i1-2 = Nc / Nm = Dm / Dc = Zm / Zc ¡OJO!
Se denomina Par o Momento al producto de la fuerza (F) por la distancia (R) entre el punto de aplicación de la fuerza y el punto de giro o de resistencia. M = F · R ; P = M · w ; P = M · 2π·n/60 ; M = 60 · P / 2π · n ; P=W/t
8. Elementos transformadores de movimientos
Movimiento circular a movimiento alternativo (Biela-Manivela, pistón-biela-cigüeñal, levas, excéntricas). Movimiento circular a movimiento lineal (Piñón-cremallera, Manivela-tornillo-tuerca). Movimiento circular a movimiento circular de ejes perpendiculares (Tornillo sin fin-corona).
8.1 Mecanismo biela - manivela
Es un mecanismo reversible que transforma el movimiento alternativo en movimiento circular o viceversa. Sus partes son:
- Manivela: Pieza rígida que gira alrededor de un punto y hace un movimiento circular.
- Biela: Pieza rígida que se acopla a la manivela por la cabeza de la biela. El pie de la biela está unido a la parte que hace el movimiento de vaivén.
La manivela actúa como elemento motriz, mientras que la biela actúa como elemento conducido. El nº de oscilaciones por minuto que realiza la biela es igual al nº de rpm de la manivela.
8.2 Mecanismo pistón - biela - cigüeñal
Es una aplicación característica del mecanismo biela-manivela usado en los motores de combustión interna. Sus partes son:
- Cigüeñal: árbol acodado. Sobre cada uno de los codos se pone la cabeza de una de las bielas.
- Biela: Pieza rígida de acero compuesta por tres partes: cabeza, cuerpo y pie.
El conjunto pistón-biela es el elemento motriz y el cigüeñal el conducido. Se transforma el movimiento alternativo en movimiento circular. El nº de rpm del cigüeñal es igual al nº de oscilaciones por minuto de cada biela.
8.4 Manivela con tornillo y tuerca
Tiene tres elementos:
- Manivela: describe el movimiento circular de radio R.
- Tornillo o husillo: se mueve con la manivela y también describe un movimiento circular.
- Tuerca: es una pieza fija. Se desliza por su interior siguiendo la trayectoria helicoidal de los filetes. Pueden ser de diferentes formas según la aplicación a la que se dedica el mecanismo.
Por cada vuelta completa de la manivela el tornillo avanza una distancia equivalente al paso de rosca (p).
8.5 Levas y excéntricas
Leva: consiste en un disco que se apoya sobre un elemento movil (varilla, seguidor o vástago). La diferencia entre el punto más alto y más bajo se llama carrera o recorrido. El perfil de disco tiene dos tipos de movimientos:
- Leva de corazón: el vástago asciende hasta alcanzar el límite. Lo hace con movimiento uniforme.
- Leva de Morin: el movimiento del vástago es uniformemente acelerado en la primera mitad de la carrera y segunda mitad en uniformemente retardado.
Excéntrica: consiste en una pieza de diversas formas geométricas en la que el eje de giro no coincide con su eje geométrico. La distancia entre ejes se llama excentricidad ‘e’.
Cuando se une el vástago y excéntrica se convierte el movimiento circular en rectilíneo. La más habitual es la excéntrica de cuadro. Son aquellas que van montadas en el interior de una carcasa cúbica que lleva incorporado el vástago. Dependiendo del perfil de la pieza que gira:
- Excéntrica circular: D=2r=2e. Movimiento continuo del vástago
- Excéntrica triangular: D=e. Movimiento continuo alternativo con reposos
- Excéntrica de Trezel: D= R-r. Movimiento continuo del vástago con reposos
8.6 Mecanismo tornillo sin fin corona
Se trata de una de las formas de transición de movimientos entre ejes que se cruzan en el espacio. Tiene dos piezas básicas:
- Tornillo sin fin: pieza cilíndrica que dispone de uno o varios filetes enrollados de forma helicoidal.
- Corona: Rueda dentada de dientes helicoidales que coincide con el tornillo sin fin.
El tornillo sin fin actúa como elemento motor y la corona, como elemento conducido. Un piñón da una vuelta completa y engrana un nº de dientes de la rueda conducida, igual a su nº de dientes.
La relación de transmisión 'i':
- Cuando un piñón da una vuelta completa, engrana un número de dientes de la rueda conducida igual a su número de dientes.
- Cuando el tornillo sin fin da una vuelta completa, engrana un número de dientes de la corona igual al número de filetes que posee.
i = Zm/Zc = Zsf/Zc = Msf/Mc
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