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Los elementos mecánicos
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II
Lo
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en
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nic
os
Los elementos mecánicos
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II Identificación de elementos mecánicos
1. Cinemática y dinámica de las máquinas.
1.1. Velocidades en las máquinas
1.2. Acceleració en las máquinas
1.3. Fuerzas en las máquinas
1.4. Momento de fuerzas
1.5. Fuerzas de inercia
1.6. Potencia en las máquinas
2. Elementos mecánicos transmisores del movimiento: descripción,
funcionamiento, simbología, mantenimiento de primer nivel
2.1. Palancas. Tipos de palancas
2.2. Poleas. Tipos de poleas
2.3. Ruedas de fricción
2.4. Poleas y correas
2.5. Engranajes
2.5.1. Engranajes cilíndricos. De dientes rectos y helicoidales
2.5.2. Engranajes cónicos
2.5.3. Tornillo sin fin
2.6. Relación de transmisión
2.7. Juntas Cardan
2.8. Operaciones de mantenimiento
3. Elementos mecánicos transformadores del movimiento: descripción,
funcionamiento, simbología.
3.1. Manivela-torno
3.2. Biela-manivela
3.3. Piñón y cremallera
3.4. Leva y seguidor
4. Elementos mecánicos auxiliares: descripción, funcionamiento,
mantenimiento de primer nivel
4.1. Ralentitzadores y frenos
4.2. Acumuladores de energía. Volantes y resortes
4.3. Trinquetes
4.4. Elementos de fricción. Cojinetes y rodamientos
4.5. Embragues
5. Elementos auxiliares de unión: descripción, funcionamiento,
mantenimiento de primer nivel
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5.1. Roscas. Tornillos
5.2. Chavetas. Lengüetas. Pasadores
5.3. Roblones
5.4. Soldadura
6. Simbología de elementos mecánicos
7. Normas de prevención y seguridad en los elementos mecánicos
7.1. Elementos de máquinas que presentan riesgos
7.2. Dispositivos de protección de los mecanismos
7.3. Normas básicas de utilización de las herramientas
8. Valoración del desgate de los elementos mecánicos: lubricación y
mantenimiento preventivo
8.1. Desgaste en los elementos mecánicos
8.2. Lubricación en las máquinas
8.3. Mantenimiento preventivo de los elementos mecánicos
Annex I: Metrotecnia
Annex II: Mecanismos combinados
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Cinemática y dinámica de las máquinas
Si alguna característica tienen las máquinas en su funcionamiento es la existencia
de movimento de algunas de sus partes. Estos movimentos suponen la existencia
de velocidades, y como estas normalmente no son constantes darán lugar a
aceleraciones de las piezas en movimento.
Como las máquinas, además de transmitir velocidades, transmiten esfuerzos, tanto
estos como las fuerzas de inercia (debidas a las aceleraciones) han de tenerse en
cuenta en el estudio de su funcionamiento.
1.1. Velocidades en las máquinas
Básicamente hay dos tipos de velocidad en las máquinas, la velocidad lineal y la
velocidad angular.
Velocidad lineal Cuando un elemento mecánico se desplaza con una trajectoria en línea recta o
curva. Esta velocidad puede ser uniforme o variable, tanto en magnitud, como en
dirección y sentido. Como la definición de velocidad es el espacio recorrido en un
tiempo determinado tenemos:
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜; 𝑣 =
𝑒
𝑡
En el SI (Sistema Internacional de Unidades) el espacio se mide en metros (m) y
el tiempo en segundos (s), la velocidad tendrá como unidades de medida:
𝑒 (𝑚)
𝑡 (𝑠)= 𝑣 (𝑚 𝑠 )
Dos ejemplos de movimento
lineal son los de la limadora (a
la izquierda) o la aguja de una
máquina de coser (a la
derecha). Los dos movimentos
son rectilineos alternativos y
acelerados.
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Velocidad angular Se presenta cuando un elemento mecánico gira (sin desplazarse) sobre un punto
fijo que llamamos eje. La velocidad angular puede ser uniforme si el elemento gira
siempre en el mismo sentido y a la misma velocidad; será oscilante si el elemento
gira alternativamente en un sentido y en otro.
Dado que hay muchos elementos mecánicos que tienen movimiento de rotación, y
que no todos pueden girar en un sentido o en otro, hace falta definir los sentidos de
rotación, que son dos posibles: rotación a derechas cuando el elemento gira en el
mismo sentido que las agujas del reloj, y rotación a izquierdas cuando gira en el
sentido contrario de las agujas del reloj.
También podemos aplicar la regla del tornillo.
En el movimiento de rotación se dan una serie de características que hay que tener
en cuenta.
La velocidad angular se define como el ángulo recorrido por un elemento en un
tiempo determinado.
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 =á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜; 𝜔 =
𝛼
𝑡
En el SI el ángulo se mide en radianes y el tiempo en segundos (s), la velocidad
angular tendrá como unidades de medida:
𝛼
𝑡 (𝑠)= 𝜔 (1 𝑠 )
Los ventiladores industriales giran siempre en
el mismo sentido y normalmente a la misma
velocidad.
Los limpiaparabrisas de los automóviles
son un ejemplo de movimiento de rotación
oscilante.
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Ahora bién, la unidad de medida más utilizada no son los radianes por segundo,
sinó el número de vueltas de gira el elemento en un minuto, conocido como
revoluciones por minuto o rpm.(rev/min)
Para poder convertir una unidad en otra hay que tener en cuenta que una vuelta o
una revolución es un ángulo de 2 radianes, y que 1 minuto tiene 60 segundos. Por
ejemplo si hemos de convertir una velocidad angular de 30 s-1 en rpm haremos:
30 𝑟𝑎𝑑
𝑠·
1 𝑟𝑒𝑣
2𝜋 𝑟𝑎𝑑·
60 𝑠
1 𝑚𝑖𝑛=
30 · 1 · 60
2𝜋·𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛= 286,47
𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛= 286,47 𝑟𝑝𝑚
Así podemos establecer que la equivalencia entre las dos unidades es: 1 𝑠−1 =30
𝜋 𝑟𝑝𝑚
Otra cuestión es que en el movimiento de rotación, a parte de la velocidad angular,
aparecen velocidades lineales conocidas también com velocidades tangenciales.
Cuando la barra de la figura gira respecto de
un punto fijo o (eje) a una velocidad angular ,
todos los puntos que forman la barra (P, Q,)
tienen la misma velocidad angular, puesto que
recorren el mismo ángulo ( ) en el mismo
tiempo.
Ahora bién, si los dos puntos tienen la misma
velocidad angular, no tienen la misma
velocidad tangencial. Ésta es una velocidad
lineal que se representa per un vector aplicado
en el punto correspondiente y que tiene la
dirección de una recta perpendicular al eje de
la barra (o-P). Este vector también es tangente
a la trajectoria circular e y por eso se llama
velocidad tangencial.
Aplicando la definción de velocidad tenemos
que:
𝑉1 =𝑒
𝑡1; 𝑉2 =
𝑓
𝑡2 como 𝑒 > 𝑓 i 𝑡1 = 𝑡2
resulta que: 𝑉1 > 𝑉2, así tenemos que para una misma velocidad angular la
velocidad tangencial de un punto es tanto mayor cuanto más lejos del centre de
rotación se encuentra.
Finalmente para poder calcular la velocidad tangencial de cualquier punto lo
haremos de la forma siguiente:
𝑉 = 𝜔 · 𝑟; 𝜔 1
𝑠 · 𝑟 𝑚 = 𝑉
𝑚
𝑠
Donde V es la velocidad tangencial (m/s), es la velocidad angular (rad/s) y r es el
radio de rotación del punto correspondiente o sea la distancia des del punto (P, Q)
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hasta el centro de rotación o.
Actividad 1: Calcula la velocidad tangencial que llevará una persona que se situa
en el Ecuador terrestre y otra que está en el Polo Norte.
Dades:
Radio de la Tierra en el Equador: 6 371 km
Radio de la Tierra en el Polo: 0 km
Velocidad de rotación (angular): 1 rev/24 horas
𝜔 = 1 𝑟𝑒𝑣
24 ·
2𝜋 𝑟𝑎𝑑
1 𝑟𝑒𝑣= 0,261
𝑟𝑎𝑑
𝑉𝐸 = 𝜔 · 𝑟 = 0,261 𝑟𝑎𝑑
· 6371 𝑘𝑚 = 1 667,92 𝑘𝑚/
𝑉𝑃 = 𝜔 · 𝑟 = 0,261 𝑟𝑎𝑑
· 0 𝑘𝑚 = 0 𝑘𝑚/
Este dato significa que una persona situada en el Equador se desplaza a una
velocidad de 1 667,92 km/h respecto a otra situada en el Polo, pero las dos dan
una vuelta cada 24 horas, es decir, tienen la misma velocidad angular.
La velocidad tangencial se ha tener en cuenta en determinadas máquinas, que si
bién no tienen velocidades de rotación elevadas, por sus dimensiones pueden
adquirir velocidades tangenciales muy elevadas. Per ejemplo las palas de los
aerogeneradores giran a velocidades reducidas entre 13 y 20 rpm, pero como
algunas palas pueden tener una longitud de hasta 80 m, las velocidades
tangenciales de los extremos de las palas serian tan altas que podrían destruirlas.
Así cuando el viento supera los 25 m/s las palas dejan de girar al colocarlas en
“bandera”, es decir paralelas a la dirección del viento.
1.2. Aceleraciones en las máquinas
En Física se define la aceleración como la variación de la velocidad en un tiempo
determinado:
𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜=
∆𝑣
𝑡 → 𝑎
𝑚
𝑠2 =
∆𝑣 (𝑚 𝑠)
𝑡 (𝑠)
Cuando se produce un incremento de la velocidad diremos que tenemos
aceleración positiva o símplemente aceleración, y si tenemos una reducción de la
velocidad diremos que tenemos una aceleración negativa o deceleración.
El razonamiento anterior sirve cuando tenemos un movimiento rectilineo, pero el
mismo podemos hacer si el movimiento es de rotación, entonces tendremos una
aceleració angular.
𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 =𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜=
∆𝜔
𝑡 → 𝛼
1
𝑠2 =
∆𝜔 (1𝑠)
𝑡 (𝑠)
Las aceleraciones en las máquinas se han de tener muy en cuenta en su
funcionamiento puesto que unas elevadas aceleraciones pueden provocar unas
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fuerzas de inercia muy elevadas.
Actividad 2: Calcula la aceleración de un automóvil que pasa de una velocidad de
0 km/h a otra de 100 km/h en 10 segundos.
Datos:
velocidad inicial: 0 km/h=0 m/s
velocidad final: 100 km/h=27,77 m/s
tiempo: 10 segundos
𝑎 =𝑣𝑓 − 𝑣0
𝑡=
27,77 𝑚 𝑠 − 0 𝑚 𝑠
10 𝑠= 2,77 𝑚 𝑠2
Un caso típico de aceleración constante es la aceleración gravitatoria que ejerce
la Tierra sobre todos y cada uno de los cuerpos situados sobre ella, y que provoca
que caigan con una aceleración constante de 9,81 m/s2
Actividad 3: Dejamos caer un cuerpo con una masa de 1 kg desde una altura de
10 metros y tarda 2 segundos en llegar al suelo. Calcula qué velocidad llevará al
final de la su caída. Y si dejamos caer un cuerpo de 10 kg?
Datos:
masa: m=1 kg
altura: h= 10 m
tiempo: t=2 segundos
aceleración: g=9,81 m/s2
𝑎 =𝑣
𝑡 → 𝑣 = 𝑎 · 𝑡 = 9,81
𝑚
𝑠2· 2 𝑠 = 19,62
𝑚
𝑠· 3,6 = 70,63 𝑘𝑚
En el caso del cuerpo de 10 kg la velocidad será la misma puesto
que ésta no depende de la masa del cuerpo.
1.3. Fuerzas en las máquinas
Las fuerzas están presentes en muchos aspectos de nuestra vida, aunque muchas
veces no somos conscientes de su intervención. Cuando circulamos en bicicleta
estamos haciendo fuerza, cuando cortamos un trozo de
pan estamos haciendo fuerza, cuando elevamos un peso
estamos haciendo fuerza, etc.
La aplicación de una fuerza sobre un cuerpo puede
provocar una deformació en él.
Cuando comprimimos una lata sufre una deformación
permanente.
En las instalaciones industriales es fundamental que las estructuras esten diseñadas
y calculadas para que puedan soportar las fuerzas que actuarán sobre la estructura
𝑎𝑔
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de soporte sin que se provoquen deformaciones permanentes.
Sobre la estructura de una nave industrial actuan
diversas fuerzas: el peso del techo, el posible
viento, posibles acumulaciones de nieve, etc.
Todas ellas han de ser soportadas por la
estructura sin que ésta se deforme.
Otra consecuencia de la aplicación de fuerzas es que pueden modificar el
estado de reposo o de movimiento de un cuerpo.
𝐹 = 0 → 𝑣 = 0 𝐹 ≠ 0 → 𝑣 ≠ 0
Por ejemplo si tenemos un coche en reposo (su velocidad es nula, 𝑣 = 0) y le
aplicamos una fuerza (según la figura), el resultado será que el coche adquiere una
velocidad (𝑣 ≠ 0), acelera y se desplaza. Por tanto si queremos desplazar un cuerpo
hemos de aplicarle una fuerza.
Por contra si tenemos un coche que circula a una cierta velocidad y le aplicamos
una fuerza en sentido contrario a la marcha del vehículo, éste reducirá su velocidad
(decelera) y acabará parándose
Si la acción de una fuerza provoca una aceleración (o deceleración) del cuerpo al
cual se aplica, podemos dir que:
𝑎 =𝐹
𝑚
También podemos escribir la ecuación de esta forma: 𝐹 = 𝑚 · 𝑎
La fuerza es una magnitud física (en este caso una magnitud vectorial), que tiene
como unidad el newton (N) y que se representa mediante una flecha que se llama
vector.
F F F
F
F
F v
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Actividad 4: Con los datos de la Actividad 2, y si el vehículo tiene una masa de
1000 kg calcula qué fuerza es necesario aplicar.
Datos:
aceleración: 2,77 m/s2
tiempo: 10 segundos
𝐹 = 𝑚 · 𝑎 = 1000 𝑘𝑔 · 2,77 𝑚
𝑠2= 2 770 𝑁
En las máquinas las fuerzas las podemos clasificar en dos tipos, las fuerzas
motrices (Fm) que son las generadas por los dispositivos motrices (motores) y las
fuerzas resistentes (Fr) que son las que presentan los materiales a ser trabajados
(cortar, taladrar, doblar, etc)
Así en una máquina de coser la fuerza resistente es la
que ofrece la tela a ser perforada per la aguja. La fuerza
motriz es la que hace la aguja sobre la tela, fuerza que
le llega desde el motor eléctrico de la máquina mediante
diversos mecanismos.
Siempre se tiene que cumplir que las fuerzas motrices
han de ser, al menos, iguales a las fuerzas resistentes.
Por este motivo las agujas acaban en punta, así la fuerza
motriz necesaria para perforar la tela es menor.
Otro ejemplo lo tenemos cuando elevamos una carga
mediante una polea.
Como hemos dicho si las dos fuerzas son iguales la caja
está en equilibrio (ni sube ni baja):
𝐹𝑚 = 𝐹𝑟 → 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜
Si la fuerza motriz es inferior a la fuerza resistente la caja
bajarà:
𝐹𝑚 < 𝐹𝑟 → 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑗𝑎 𝑏𝑎𝑗𝑎
Si la fuerza motriz es superior a la fuerza resistente la caja subirá:
𝐹𝑚 > 𝐹𝑟 → 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑗𝑎 𝑠𝑢𝑏𝑒
𝐹𝑟 (𝑝𝑒𝑠)
𝐹𝑚
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1.4. Fuerzas de inercia
Podríamos definir como fuerza de inercia aquella que aplicada a un cuerpo hace
que este tenga la tendencia a mantener su estado de reposo o de movimiento.
La fuerza de inercia aparece cuando sobre un cuerpo se ejerce una aceleración o
deceleración, es decir cuando modificamos la velocidad inicial del cuerpo.
Las fuerzas de inercia tienen la misma dirección que la aceleración que las provoca,
pero el sentido siempre es contrario a esta aceleración.
Un ejemplo muy conocido de fuerzas de
inercia se da cuando en un automóvil que
circula a una determinada velocidad y
frena, la disminución de la velocidad puede
ocurrir en un tiempo largo (frenada
normal) o en un tiempo muy corto
(choque del vehículo). En este caso la
fuerza de inercia afecta a los pasajeros del
vehículo, y aunque en los dos casos la masa del cuerpo es la misma, la fuerza de
inercia es más elevada en el caso del choque puesto que la deceleración es mucho
más elevada al parar el coche en una fracción de segundo.
Las fuerzas de inercia pueden ser de tal magnitud que en
caso de choque frontal de un coche los pasajeros pueden
salir despedidos por el parabrisas, con consecuencias
fatales
Por este motivo las medidas de seguridad (cinturones de
seguridad, air bags, etc) de los vehículos han ido
incrementándose con la finalidad de salvaguardar la
integridad de los pasajeros. En todo caso estas medidas
solo serán efectivas si funcionan correctamente o las
utilizamos de forma adecuada.
Actividad 5: Calcula la fuerza de inercia que afecta a un pasajero de masa 80 kg
que circula en un coche a una velocidad de 80 km/h y frena hasta parar en 5
segundos. Y si choca y para en 3 décimas de segundo?
Dades:
velocidad inicial: v0=80 km/h=22,22 m/s
velocidad final: vf=0 m/s
masa: m=80 kg
tiempo: 5 segundos
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𝐹𝑡=5𝑠 = 𝑚 · 𝑎 = 80 𝑘𝑔 ·22,22 𝑚 𝑠
5 𝑠= 355,52 𝑁
𝐹𝑡=0,3𝑠 = 𝑚 · 𝑎 = 80 𝑘𝑔 ·22,22 𝑚 𝑠
0,3 𝑠= 5925,33 𝑁
Como se puede ver para una misma masa cuanto menor es el tiempo en el cual la
velocidad se reduce, más elevada es la fuerza de inercia. En el segundo caso el
pasajero experimenta un empuje de 7,5 veces su propio peso.
Las fuerzas de inercia aparecen en las máquinas cuando tenemos una masa (un
pistón, un volante, etc) que tiene una velocidad, lineal o circular que varía en el
tiempo, es decir tienen velocidades no uniformes.
Cuando se diseña una máquina que tendrá elementos con movimientos alternativos
es necesario estudiar que fuerzas de inercia pueden aparecer durante su
funcionamiento, y así dimensionar de forma adecuada estos elementos. Por
ejemplo, la biela en un motor de combustión está sometida a fuerzas de inercia
alternas muy elevadas.
Las fuerzas de inercia pueden ser elevadas si la máquina tiene masas grandes en
movimiento y esto hay que tenerlo en cuenta pués al parar el motor de la máquina
ésta continuará su movimiento hasta que la fuerza desaparezca.
En otros casos utilizamos las fuerzas de inercia en nuestro beneficio, por ejemplo
cuando se utilizan para acumular energía en los volantes de inercia y así ayudar
a regularizar el movimiento de rotación cuando las fuerzas motrices no son
continuas (motores de explosión, máquinas de vapor, etc.)
Volante de una máquina de coser
Volantes de una locomotora de vapor
Volante de una máquina de vapor
Juguete con volante de inercia
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1.5. Momento o par de fuerzas. Par motor
Ya hemos visto que cuando aplicamos una fuerza a un cuerpo que puede moverse
le provocamos un desplazamiento lineal, que puede ser rectilineo o curvilineo.
Cuando aplicamos una fuerza a un elemento mecánico que
puede girar respecto de un punto, el resultado es una
rotación del elemento. Si a la barra de la figura le aplicamos
una fuerza F tal com se muestra, el resultado es la rotación
de la barra respecte del punto o.
La definición de momento M de una fuerza F es el
resultado de multiplicar el valor de la fuerza por la distancia
d que hay desde el punto donde se aplica la fuerza hasta el
eje de rotación de la barra.
𝑀 = 𝐹 · 𝑑 → 𝑀 𝑁𝑚 = 𝐹 𝑁 · 𝑑 (𝑚)
Si expresamos la fuerza en newton (N) y la distancia en
metros (m), el momento tiene como
unidad el newton por metro (Nm).
Hay que tener en cuenta que podemos
obtener el mismo momento (por ejemplo
el momento necesario para apretar una
tuerca con un par determinado) de dos
formas diferentes, o utilizando una llave
corta y haciendo mucha fuerza, o
utilizando una llave más larga y haciendo
menos fuerza.
De la figura deducimos que :
𝑀𝐴 = 𝐹𝐴 · 𝑑; 𝑀𝐵 = 𝐹𝐵 · 2𝑑; 𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 → 𝐹𝐴 · 𝑑 = 𝐹𝐵 · 2𝑑; 𝐹𝐵 =𝐹𝐴 · 𝑑
2𝑑=
𝐹𝐴2
El momento de una fuerza aparece en muchas ocasiones tanto en la vida diaria
como en las actividades industriales.
Para aflojar los tornillos de una rueda necesitamos aplicar un momento con la llave
Para introducir un sacacorchos necesitamos aplicar un momento
Al pedalear en una bicicleta estamos aplicando un momento en el eje de los pedales, que no es constante, pués la fuerza del pie siempre tiene dirección vertical, pero como la inclinación de la biela varia la distancia de aplicación de la fuerza no siempre es la misma
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En las máquinas con movimentos de rotación se dan dos tipos de momentos, uno el
que proporciona el dispositivo motriz que llamaremos momento motor (Mm) y otro
es el que ofrece la resistencia que ha de vencer la máquina o momento
resistente (Mr)
Un ejemplo claro se ve en la figura,
que representa un mecanismo de
manivela-torno utilizado durante
muchos siglos para elevar càrgas.
Com se ve el peso a elevar
(resistencia R) cuelga de una cuerda
que se enrolla sobre un tambor, éste
tiene un radio r. Para accionar la
máquina disponemos de una
manivela de longitud d solidaria con
el tambor en el extremo de la cual
aplicamos la fuerza F necesaria para
elevar la carga.
Si aplicamos el concepto de momento de una fuerza tenemos:
𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒: 𝑀𝑟 = 𝑅 · 𝑟
𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟: 𝑀𝑚 = 𝐹 · 𝑑
Si la máquina está en equilibrio se cumple:
𝑀𝑟 = 𝑀𝑚 → 𝑅 · 𝑟 = 𝐹 · 𝑑
y si despejamos F podremos calcular la fuerza necesaria para elevar una
determinada carga:
𝐹 =𝑅 · 𝑟
𝑑
Actividad 6: Según la figura anterior, y teniendo en cuenta los datos siguientes,
calcula la fuerza que hemos de ejercer para elevar una carga de 1 000 N
Datos:
- r= 25 cm
- d= 0,75 m
- R= 1 000 N
- F=?
En los motores, tanto térmicos como eléctricos, la característica del momento de
fuerzas llamado par motor, es muy importante pués nos informa sobre la fuerza
que puede hacer el motor. Esta característica se representa mediante una curva
trazada sobre un diagrama par-velocidad de rotación, donde se puede ver que
𝐹 · 𝑑 = 𝑅 · 𝑟
𝐹 =𝑅 · 𝑟
𝑑=
1000 𝑁 · 25 𝑐𝑚
75 𝑐𝑚= 333,33 𝑁
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el par motor varía con la velocidad de rotación del motor.
En un motor térmico el par motor se obtiene de la
presión generada
por la combustión de
la mezcla aire-
combustible, que
empuja al pistón y
que mediante la
biela ejerce fuerza
sobre el cigüeñal y
lo hace girar.
Curvas características de un motor térmico
1.6. Potencia en las máquinas
La potencia de una máquina nos informa de la rapidez con la que puede relizar un
trabajo. Por ejemplo si dos motores tienen el mismo par motor pero uno tiene más
potencia que el motor, los dos podrán efectuar el mismo trabajo (por ejemplo
elevar una cabina de un ascensor) pero el que tenga más potencia podrá elevarla a
mayor velocidad.
Por definción la potencia es igual al trabajo dividido por el tiempo utilizado en
realizarlo.
𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 → 𝑝 =
𝑊
𝑡
Curvas características de un motor eléctrico
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Si operamos esta ecuación tenemos:
𝑝 =𝑊
𝑡=
𝐹 · 𝑒
𝑡= 𝐹 ·
𝑒
𝑡 → 𝑝 = 𝐹 · 𝑣
La unidad de medida de la potencia es el watt (W) nombre que proviene de James
Watt el cual a mitad del siglo XVIII construyó una máquina de vapor realmente
eficaz.
Así en la ecuación anterior, si la fuerza F está en newton (N) y la velocidad v en m/s,
la potencia estará en watt (W)
Según la ecuación anterior la potencia puede expresarse en función de la fuerza y
de la velocidad.
Este concepto es fácil de entender si examinamos qué ocurre cuando circulamos
con una bicicleta. Cuando vamos por terreno llano solo tenemos de hacer la fuerza
necesaria para vencer la resistencia del aire y la resistencia a la rodadura (ambas
reducidas), por tanto casi tota la potencia que podemos desarrollar la podemos
convertir en velocidad. Cuando circulamos por una pendiente además de las
resistencias anteriores, hemos de vencer una parte del peso del conjunto bicicleta-
ciclista, por tanto si ahora tenemos que hacer más fuerza la velocidad tiene que
disminuir.
En los motores con movimiento de rotación
(eléctricos, térmicos, hidráulicos,
neumáticos, etc) la potencia es función
directa del par motor y de la velocidad de
rotación, así la ecuación que relaciona las
tres variables es la siguiente:
𝑝 =𝐶𝑚 · 𝑛
9 550
donde p es la potencia en kw
Cm el par motor en Nm
n la velocidad de rotación en rpm
Resistencia del aire
Resistencia del aire
Parte del peso del
ciclista y la bicicleta
𝑝 = 𝐹 · 𝑣; 𝑣 = 𝜔 · 𝑟
𝑝 = 𝐹 · 𝜔 · 𝑟; 𝐶 = 𝐹 · 𝑟
𝑝 = 𝐶 𝑁𝑚 · 𝜔 𝑟𝑎𝑑
𝑠
𝑝 = 𝐶 𝑁𝑚 · 𝑛 2𝜋 𝑟𝑎𝑑
𝑟𝑒𝑣·
1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠 =
𝐶 𝑁𝑚 · 𝑛 𝑟𝑝𝑚 60
2𝜋
= 𝑝 (𝑊)
𝑝 =𝐶 𝑁𝑚 · 𝑛 𝑟𝑝𝑚
60·1000
2𝜋
= 𝑝 (𝑘𝑊)
𝑝 =𝐶 𝑁𝑚 · 𝑛 𝑟𝑝𝑚
9 550= 𝑝 (𝑘𝑊)
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Actividad 7: Un ciclista puede desarrollar una potencia de 200 W (un profesional
400 W), si está subiendo una pendiente y tiene que hacer una fuerza de 72 N,
calcula a qué velocidad puede subir la pendiente.
Datos:
F= 73 N
p= 200 W
v=?
Actividad 8: Un motor de gasolina esta girando a 5 000 rpm, y a esta velocidad
proporciona un par motor de 112 Nm. Calcula la potencia que proporciona en kw y
en cv
Datos:
Cm= 112 Nm
n= 5000 rpm
p=?
Actividad 9: Un motor de Fórmula 1 proporciona un par motor de 445,15 Nm y
una potencia de 950 cv. Calcula a qué velocidad gira el motor.
Datos:
Cm= 445,15 Nm
n= ¿ rpm
p=950 cv
𝑝 = 𝐹 · 𝑣
𝑣 =𝑝
𝐹=
200 𝑊
73 𝑁= 2,74 𝑚 𝑠
𝑣 = 2,74 𝑚
𝑠·
1 𝑘𝑚
1000 𝑚·
3600 𝑠
1 = 9,94 𝑘𝑚
𝑝 =𝐶𝑚 · 𝑛
9 550=
112 𝑁𝑚 · 5000 𝑟𝑝𝑚
9 550= 58,63 𝑘𝑊
𝑝 = 58,63 𝑘𝑊 ·1 𝐶𝑉
0,736 𝑘𝑊= 79,66 𝑐𝑣
𝑝 = 950 𝑐𝑣 ·0,736 𝑘𝑊
1 𝑘𝑊= 699,2 𝑘𝑊
𝑝 =𝐶𝑚 · 𝑛
9 550=; 𝑛 =
9550 · 𝑝
𝐶𝑚=
9950 · 699,2 𝑘𝑊
445,15 𝑁𝑚= 15 000 𝑟𝑝𝑚
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Elementos transmisores del movimiento
Son los elementos que transmiten el movimiento modificando solo la velocidad y la
fuerza. Así si el movimiento de entrada es circular el de salida también es circular,
y si el movimiento de entrada es lineal el de salida también es lineal.
2.1. Palancas
La palanca es una máquina simple, compuesta por una barra rígida que puede
girar respecto de un punto de soporte llamado fulcro. Las palancas transforman un
movimiento lineal en otro movimiento lineal.
La palanca consta de los siguientes elementos:
F: Fuerza que hacemos y su punto de aplicación.
R: Fuerza que hay que vencer y su punto de aplicación.
d: distancia que hay entre el punto donde aplicamos la fuerza y el fulcro.
r: distancia que hay entre el punto donde está la resistencia y el fulcro.
La verdadera
utilidad de la
palanca es, que
modificando la
situación del
fulcro y la
longitud de los
brazos, podemos
reducir o
aumentar la
fuerza que
tenemos que
hacer para
vencer una determinada resistencia
Ley de equilibrio de la palanca. Es la expresión matemática que nos permite calcular cualquier elemento de la
palanca conociendo los otros tres. Así es posible modificar los elementos de la
palanca de forma que la fuerza (F) que hacemos pueda ser mayor o menor que la
resistencia(R) a vencer.
𝐹 · 𝑑 = 𝑅 · 𝑟
Palancas de 1r grado Son las que tienen el fulcro entre el punto de aplicación de la resistencia (R) y el
punto de aplicación de la fuerza (F). Los brazos pueden ser iguales y por tanto F
será igual a R, o desiguales y en este caso cuando más cerca esté el fulcro de la
resistencia menor será la fuerza a realizar.
2
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Actividad 10: Calcula la fuerza que hay que hacer para elevar el peso. Datos: 𝑅 = 1000 𝑁 𝐹 =? 𝑑 = 2 𝑚 𝑟 = 0,5 𝑚
𝐹 · 𝑑 = 𝑅 · 𝑟
𝐹 =𝑅 · 𝑟
𝑑=
1000 𝑁 · 0,5 𝑚
2 𝑚= 250 𝑁
Palancas de 2n grado En estas palancas el fulcro se encuentra en un extremo y la resistencia está
entre la fuerza y el fulcro. La fuerza que hay que hacer siempre es menor que la
resistencia a vencer.
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Actividad 11: Calcula la fuerza que hay que hacer para elevar el peso. Datos: 𝑅 = 1000 𝑁 𝐹 =? 𝑑 = 1,5 𝑚 𝑟 = 0,6 𝑚
𝐹 · 𝑑 = 𝑅 · 𝑟
𝐹 =𝑅 · 𝑟
𝑑=
1000 𝑁 · 0,6 𝑚
1,5 𝑚= 400 𝑁
Palancas de 3r grado En estas palancas el fulcro se encuentra en un extremo y la fuerza está entre la
resistencia y el fulcro. La fuerza que hay que hacer siempre es más grande que la resistencia a vencer.
F
R F R
R F
R
R
R
F
F
F
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Actividad 12: Calcula la fuerza que hay que hacer para elevar el peso. Dades: 𝑅 = 1000 𝑁 𝐹 =? 𝑑 = 0,6 𝑚 𝑟 = 1,5 𝑚
𝐹 · 𝑑 = 𝑅 · 𝑟
𝐹 =𝑅·𝑟
𝑑=
1000 𝑁·1,5 𝑚
0,6 𝑚=
2 500 𝑁
2.2. Poleas
Polea fija Está compuesta por una rueda acanalada por la que se
coloca una cuerda o cable,la rueda llamada polea puede
girar pero que no se desplaza. En esta máquina no se
amplifica la fuerza que hacemos, pero al cambiar la
dirección de la fuerza se hace más cómoda la elevación de
cargas.
Ley de equilibrio Determina la relación entre la fuerza que tenemos que
hacer para elevar un determinado peso, y viene dada por la
equación siguiente:
𝐹 = 𝑅 Ventaja mecánica
Es la relación entre entre la fuerza y la resistencia:
𝑣 =𝑅
𝐹= 1
Polea móvil
Está compuesta por una polea que gira y se desplaza
llamada polea móvil, de la cual cuelga la carga y una
polea fija que solo gira.
Ley de equlibrio
𝐹 =𝑅
2
Ventaja mecánica
𝑣 =𝑅
𝐹= 2
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Polipasto exponencial
Cuando la carga a elevar es muy grande, no
tenemos suficiente con una polea móvil. Una solución es
ir colocando más poleas móviles a medida que la carga
a elevar aumenta. Así cuando tenemos más de una
polea móvil, el mecanismo se llama polipasto.
En este tipo de mecanismo, de todas las poleas solo
una es fija, el resto son móviles.
Ley de equlibrio
𝐹 =𝑅
2𝑛
Ventaja mecánica
𝑣 =𝑅
𝐹= 2𝑛
donde n es el número de poleas móviles.
Polipasto lineal
Si bién el polipasto exponencial amplifica la fuerza de
forma considerable, su montaje es complicado y además
la distancia que se puede elevar la carga es muy
reducida. Para resolver estas desventajas se utilizan los
polipastos lineales. En estos las poleas se agrupan en dos
grupos, uno que cuelga del techo donde se montan las
poleas fijas y otro grupo, del cual cuelga la carga, que
contiene todas las poleas móviles. Un extremode la
cuerda se sujeta al bloque de las poleas fijas, y se pasa
por todas las poleas quedando un extremo libre, que es
donde ejercemos la fuerza.
Ley de equlibrio
𝐹 =𝑅
2 · 𝑛
Ventaja mecánica
𝑣 =𝑅
𝐹= 2 · 𝑛
donde n es el número de poleas móviles.
2.3. Ruedas de fricción
Corrioles
fixes
Corrioles
mòbils
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Se utilizan cuando las potencias a transmitir son pequeñas y los ejes son paralelos.
La transmisión se realiza por la
fuerza de fricción generada entre
las dos ruedas. Para conseguir una
fuerza de rozamiento elevada es
necesario que las ruedas tengan
una banda de rodadura de elevado
coeficiente de rozamiento, por
ejemplo de goma y además se ha
de ejercer una fuerza que aplicada
sobre los ejes presionan una rueda
contra la otra.
2.4. Poleas y correas
Cuando la distancia entre los ejes es grande se utiliza el dispositivo de poleas y
correa. Cuando la potencia a
transmitir es pequeña se monta una
sola correa y cuando la potencia es
elevada se montan dos o más correas.
En este dispositivo la transmisión
también se realiza por fricción entre la
correa y las poleas, por este motivo y
para que la correa no patine tiene que
estar tensada.
Accionamiento de una atracción de feria
Sistema de arrastre de una cinta de casete
Goma envolvente
Cables de poliéster
Caucho
Las ruedas giran una en sentido
contrario de la otra.
velocidad reducida
velocidad
elevada
polea grande
polea
pequeña
correa
Montaje de poleas y correa
Composición de una correa
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Según las diversas aplicaciones que tiene el sistema se utilizan correas de
diferentes secciones transversales. Básicamente todas estan fabricadas con los
mismos materiales.
A continuación se pueden ver las diversas secciones que pueden tener las correas.
Correa redonda en una máquina
de coser
Correa plana con tensor
Accionamiento con 5 correas
Sistemas para tensar correas de transmisión
Rodillo tensor
carril tensor
En este mecanismo las dos poleas giran en el mismo sentido de rotación.
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2.5. Engranajes
Se llama engranaje al
conjunto formado por dos o
más ruedas dentadas. Estas
ruedas dentadas también
reciben el nombre de
piñones.
Se utilizan cuando las
potencias a transmitir son
elevadas o el movimiento
entre los ejes tiene que ser
sincronizado. Por ejemplo,
una aplicació de los
engranajes son las cajas de
cambio de los automóviles,
las cuales han de transmitir potencias entre 50 cv y 400 cv desde el motor hasta
las ruedas. Otra aplicación muy conocida es el montaje en relojes mecánicos, donde
las potencias son muy reducidas pero se necesita un sincronismo perfecto entre las
dos agujas por muchas vueltas que giren (a las 3 les agujas han de formar un
ángulo recto entre ellas).
Para que las dos ruedas dentadas puedan engranar han de cumplir dos requisitos:
Los elementos de las ruedas dentadas están normalizados y se pueden observar en
la figura siguiente:
los dientes de las dos ruedas han de tener la misma forma.
los dientes han de tener las mismas dimensiones (el mismo módulo).
Velocidad reducida
Velocidad elevada
Piñón pequeño de
pocos dientes
Piñón grande de
muchos dientes
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Según la forma de los piñones y la forma de los dientes, los engranajes pueden ser:
Engranaje cilíndrico de dientes rectos Los dientes son paralelos al eje del
piñón.
Se utilizan para unir ejes paralelos.
Permiten transmitir potencias
elevadas.
Son fáciles de fabricar.
Si giran a velocidades elevades
hacen mucho ruido.
Engranaje cilíndrico de dientes helicoidales
Los dientes forman un ángulo
con el eje del piñón.
Se utilizan para unir ejes
paralelos.
Permiten transmitir potencias
elevadas.
Son complicados de fabricar.
Aunque giren a velocidades
elevadas son silenciosos.
Engranaje cónico
Se llama así porque los
dientes se tallan en un tronco de
cono.
Se utiliza cuando se quiere
cambiar la dirección del
movimiento, así dispuestos los ejes
se cortan.
Segun la conicidad de los
piñones el ángulo entre los ejes
puede ser 90º, más grande o más
pequeño.
Tornillo sin fin
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Está formado por un piñón
llamado tornillo que normalmente
tiene un solo diente enrollado en
forma helicoidal, y por una rueda
dentada.
Cambia la dirección del
movimento pero los ejes no se
cortan, sinó que se cruzan en el
espacio.
Se utiliza cuando se
necesita una reducción muy elevada de la velocidad. Por sus características
mecánicas es un mecanismo irreversible, es decir, si giramos el tornillo la
rueda girará, pero por mucha fuerza que hagamos sobre la rueda nunca
haremos girar el tornillo. Esta característica lo hace útil, por ejemplo, como
elemento de retención en un montacargas manual.
Dada la versalidad de los engranajes se pueden hacer todos los montajes que
necesitemos para accionar cualquier tipo de máquinas.
Tren de engranajes
Engranaje planetario
tornillo
rueda
Engranaje de dientes en espiga
Diferencial de coche con engranajes cónicos
Engranajes de un reloj
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2.6. Piñón y cadena
Se utilizan tanto para
transmitir elevades potencias
como potencias pequeñas
donde se necesite
sincronisme entre los ejes.
El dispositivo está formado
por dos ruedas dentadas
unidas por una cadena de
rodillos articulada. En la
imagen se pueden ver los
elementos que constituyen la
cadena.
2.6. Relación de transmisión
Si un mecanismo modifica el valor de las velocidades de rotación, a la relación
entre la velocidad de entrada al mecanismo y la velocidad de salida se llama
relación de transmissión.
Un ejemplo típico de mecanismo de
este tipo son las cajas de cambio de
los automóviles, los reductores de
velocidad, el cambio de velocidades de
una bicicleta, etc.
Este tipo de mecanismos son muy
utilizados pues permiten modificar el
valor del par motor y la velocidad de
rotación para adaptar el
funcionamiento de los motores a las
necesidades de la máquina que
Cadenas en la distribución de un motor
Cadena en una bicicleta
Diámetro
grande
Velocidad
elevada
Diámetro
pequeño
eslabón
rodillo
Velocidad
reducida
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accionan.
En la imagen tenemos un motor eléctrico
acoplado a un reductor de velocidad, después
este conjunto se utilizará para accionar una
máquina.
Actividad 13: Calcula el par motor a la salida del
reductor si reduce la velocidad del motor 20 veces.
Datos:
Cm= 9,55 Nm
n= 1500 rpm
reducción velocidad: 20
𝑝𝑜𝑡è𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟: 𝑝𝑚 =𝐶𝑚 · 𝑛𝑚
9550=
9,55 𝑁𝑚 · 1500 𝑟𝑝𝑚
9550= 1,5 𝑘𝑊
Si no tenemos en cuenta les pérdidas de trabajo por rozamiento en el reductor, la potencia a la
entrada ha de ser la misma que en el eje de salida.
𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟:𝑝𝑟 =𝐶𝑟 · 𝑛𝑟
9550= 1,5 𝑘𝑊
𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑:𝑛𝑟 =𝑛𝑚
20=
1500 𝑟𝑝𝑚
20= 75 𝑟𝑝𝑚
𝑝𝑎𝑟 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟:𝐶𝑟 =𝑝𝑟 · 9550
𝑛𝑟=
1,5 𝑘𝑊 · 9550
75 𝑟𝑝𝑚= 191 𝑁𝑚
191 𝑁𝑚
9,55 𝑁𝑚= 20
Se observa que cuando reducimos la velocidad de rotación aumentamos en la misma relación el par
motor, esto significa que con motores de reducida potencia podemos accionar máquinas que
necesiten un par elevado. Al mismo tiempo podemos observar que a la entrada del reductor los
dientes de los engranajes són pequeños y en los engranajes de salida los dientes son grandes. Esto
se debe a que el par a la entrada es reducido pero a la salida es elevado.
En la mayoría de aplicaciones técnicas los motores (tanto eléctricos como térmicos)
tienen velocidades nominales demasiado elevadas para acoplarlos directamente a
las máquinas que tienen que accionar, por eso entre los motores y las máquines se
suelen instalar sistemas de reducción de la velocidad.
Relación de transmisión en ruedas de fricción y poleas
En este mecanismo tenemos,
- n1: velocidad de la rueda motriz
- n2: velocidad de la rueda conducida
- d: diámetro de la rueda motriz
- D: diámetro de la rueda conducida
motor eléctrico
eje de salida dientes pequeños
dientes grandes
1 rueda motriz
2 rueda conducida
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La relación de transmisión es:
𝑛1 · 𝑑 = 𝑛2 · 𝐷 → 𝑖 =𝑛1
𝑛2=
𝐷
𝑑
Actividad 14: Según la figura calcula el diámetro de la polea conducida.
Relación de transmisión en los engranajes
En los engranajes en vez de utilizar los
diámetros de las ruedas se utiliza el
número de dientes.
- n1: velocidad de la rueda motriz
- n2: velocidad de la rueda conducida
- Z1: número de dientes de la rueda motriz
- Z2: número de dientes de la rueda
conucida
La relación de transmisión queda:
𝑛1 · 𝑍1 = 𝑛2 · 𝑍2 → 𝑖 =𝑛1
𝑛2=
𝑍2
𝑍1
En los tornillos sin fin el número de dientes de la rueda motriz (Z1) es el número de
entradas del tornillo, que pueden ser una, dos, tres, etc.
500 rpm
3 000rpm
150 mm
d2
Datos:
n1=3 000 rpm
n2=500 rpm
d1=150 mm
d2=?
𝑑2 =𝑛1 · 𝑑1
𝑛2=
3 000 𝑟𝑝𝑚 · 150 𝑚𝑚
500 𝑟𝑝𝑚= 900 𝑚𝑚
𝑛1 · 𝑑1 = 𝑛2 · 𝑑2
1 rueda motriz
2 rueda conducida
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Actividad 15: Según la figura calcula la velocidad de la rueda conducida.
2.7. Juntas Cardan
Son elementos de transmisión del movimiento circular entre ejes que son paralelos
o que forman un determinado ángulo. Las juntas Cardan están compuestas por los
elementos que aparecen en la figura.
eje motriz horquillas
Junta Cardan para potencias elevadas
Junta Cardan para potencias reducidas
20 dientes
52 dientes
1 000 rpm
n2
𝑧1 · 𝑛1 = 𝑧2 · 𝑛2
𝑛2 =𝑧1 · 𝑛1
𝑧2==
20 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑠 · 1000 𝑟𝑝𝑚
52 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑠=
= 384,61 𝑟𝑝𝑚
Datos:
z1=20 dientes
z2=52 dientes
n1=1000 rpm
n2= ? rpm
Junta Cardan doble
Junta Cardan aplicada a una
llave de bujías
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Elementos transformadores del movimiento
Son los mecanismos que transforman el tipo de movimiento entre ejes, es decir
pueden convertir un movimiento de rotación en uno rectilineo o al revés. Entre los
muchos mecanismos que cumplen esta función estudiaremos algunos.
3.1. Manivela-torno
El mecanismo consta de los elementos que aparecen en la figura, se ha utilizado
durante muchos siglos para elevar cargas a cierta altura accionado por fuerza
muscular. Las gruas romanas o medievales estaban basadas en este mecanismo.
Hoy en día todavía se utiliza aunque accionado por motores electricos.
De las muchas aplicaciones que tiene la manivela-torno veremos algunas.
3
Grua romana hecha con piezas de Lego
Máquina de coser accionada a manivela
Torno de persiana
peso: Q
Ley de equilibrio: F·d=Q·r
fuerza: F
carga a
elevar
movimiento lineal
fuerza a
realizar
cuerda
tambor
manivela
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3.2. Biela-manivela
Según se ve en la figura este es un mecanismo que permite transformar un
movimiento rectilineo
alternativo del pistón
en un movimiento
circular continuo del
cigüeñal (aplicación
en un motor de
explosión). Este
mecanismo es
reversible, es decir,
puede transformar un
movimiento circular
continuo del cigüeñal
en un movimiento
rectilineo alternativo del pistón (aplicación en un compresor de aire)
Aplicación al movimiento de una
aguja en una máquina de coser
Accionamiento de una máquina de coser
manual
Accionamiento de una locomotora de vapor
Aplicación en una máquina de vapor
pistón
movimiento
rectilíneo
biela
manivela o
cigüeñal
movimien
to circular
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3.3. Tornillo y tuerca
Es un mecanismo formado por dos piezas, una es una
varilla roscada llamada tornillo, que encaja en una
pieza con un agujero roscado llamada tuerca. La
característica fundamental es que al girar el tornillo
conseguimos un movimiento lineal del mismo tornillo
o de la tuerca.
Es un mecanismo irreversible, ya que cuando giramos el tornillo este avanza sobre
la tuerca, pero por mucho que empujemos el tornillo este no girarà.
3.4. Piñón y cremallera
Es un mecanismo
formado por un piñón
que engrana sobre una
barra dentada llamada
cremallera.
Permite cambiar un
movimiento lineal de la
cremallera en un
movimiento circular del
piñón. El mecanismo es
reversible.
Algunas aplicaciones de este mecanismo se pueden ver a continuación.
Aplicación a un gato Aplicación a una mordaza
Aplicación a un sargento
Tuerca
Caragol
Aplicación a la direcció de automóvil
Mecanismo de accionamiento de una puerta deslizante
Tornillo
piñón
movimiento
circular movimiento
lineal
cremallera
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3.5. Leva y seguidor
El mecanismo está compuesto por dos
piezas, la leva que es una pieza
cilíndrica abombada que gira y el
seguidor que es una varilla que se
apoya sobre la leva.
El mecanismo permite convertir un
movimiento circular de la leva en un
movimiento rectilineo alternativo
del seguidor. Este dispositivo es muy
utilizado para abrir válvulas, accionar
interruptores, accionar palancas, etc.
Mecanismo de cremallera diseñado por Leonardo da Vinci
Aplicación de las levas en un motor de
combustión
Eje motriz de una locomotora de un tren cremallera
Programador de levas de una lavadora
leva
Varilla
seguidora
Movimiento
rectilíneo
alternativo
resorte
Movimiento
circular
balancín
válvula varilla
empujadora
leva
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Elementos mecánicos auxiliares
Llamamos elementos auxiliares a aquellos que no son imprescindibles para el
funcionamiento de una máquina, pero que mejoran su funcionamiento y alargan la
vida útil de las mismas. A continuación veremos algunos ejemplos.
4.1. Ralentizadores y frenos
Sirven para reducir la velocidad, sobre todo de rotación, de las máquinas o incluso
para pararlas. La mayoría de los frenos funcionan por el rozamiento generado por
unas piezas fijas (zapatas, pastillas, etc) fabricadas con un material de elevado
coeficiente de rozamiento, que roza sobre una parte móvil (tambor, disco, etc)
hecha normalmente de acero o fundición. Este rozamiento disipa en forma de calor
la energía que tiene el elemento en movimiento, por tanto hay que prever que se
pueden generar elevadas temperaturas.
Ralentizador eléctrico
Se utiliza montado en los ejes
motrices de autobuses y camiones,
y permite reducir la velocidad del
vehículo sin necesidad de accionar
los frenos de las ruedas. Con estos
dispositivos no se puede detener el
vehícuo totalmente, pues a medida
que disminuye la velocidad el
efecto de frenada es menor.
Funcionan al hacer circular una corriente eléctrica por unas bobinas de hilo de cobre
fijadas al bastidor del vehículo, así se convierten en electroimanes que atraen a los
discos que son solidarios al árbol de la transmisión y provocan el efecto de frenado.
Freno de cinta
Estan constituidos por un tambor que gira
solidario con el eje que deseamos frenar y
una cinta que abraza el tambor. La cinta
se puede apretar contra el tambor
mediante palancas, y así generar la fuerza
de rozamiento necesaria para frenar.
El accionamiento de estos frenos puede
ser por esfuerzo muscular (palancas,
pedales) o por accionamiento hidráulico.
4
bobinas
discos
cinta
tambor
palanca
Los elementos mecánicos
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Freno de tambor
Estos frenos están constituídos por
los elementos siguientes: el tambor
1 que está hecho de fundición, gira
solidario con el eje a frenar. Las
zapatas 2 y 3 están formadas por un
soporte de acero y una cinta de
material de elevado coeficiente de
rozamiento y resistente al calor que
rozan contra la parte interna del
tambor. Los resortes 7 y los
pasadores 4 sujetan las zapatas y
hacen que al mismo tiempo tengan
cierta flexibilidad en su montaje. Los
resortes 7 hacen que las zapatas vuelven a su posición de reposo cuando el cilindro
hidráulico 6 deja de empujar las zapatas contra el tambor.
Es un freno muy efectivo puesto que con poca fuerza sobre las zapatas obtenemos
una fuerza de frenado muy elevada, pero presenta problemas de refrigeración
cuando se utilitzan de manera prolongada.
Freno de disco
Estan formados por tres piezas principales que son el disco, las pastillas de freno y
la pinza de sujección. El disco gira solidario con el eje a frenar y la pinza está fija,
dentro de ésta se colocan las pastillas, que estan formadas por una pletina de acero
recubierta de un material de elevado coeficiente de rozamiento y resistente al calor.
Para frenar hay que hacer fuerza sobre las pastillas y éstas presionarán contra el
disco para generar la fuerza de frenado necesària.
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En este sistema hay que hacer más fuerza para frenar, pero no tienen problemas
de refrigeración. En algunas aplicaciones, para evitar que los discos se calienten
excesivamente (coches de competición) se fabrican discos dobles con
autoventilación e incluso los discos se fabrican con materiales cerámicos.
4.2. Acumuladores de energía
Son dispositivos que pueden acumular energía y después devolverla en
determinados momentos. Su función básica es regularizar el movimiento en
máquinas donde el impulso motriz es intermitente.
Hay dos grandes grupos de elementos acumuladores de energía que son los
resortes y los volantes de inercia.
Resortes
Estan hechos de acero de elevada elasticitat que al comprimirse o estirarse
acumulan energía y que la devolverán en el momento que más nos interese.
Hay muchas clases de resortes, que se clasifican en función de la forma de trabajar
y que podemos ver a continuación.
Resorte espiral montado en
un reloj mecánico
Resortes helicoidales en la
suspensión de un automóvil
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Volantes de inercia
Se utilizan en los motores térmicos (de vapor o de explosión) para regularizar su
movimiento de rotación. Estan formados por un disco de gran masa (elevado
momento de inercia) que gira solidario con el eje motriz, así durante la carrera de
trabajo acumulan energía y la devuelven en las carreras sin trabajo.
4.3. Trinquete
Son dispositivos mecánicos formados por una
rueda dentada y un gatillo que encaja en los
dientes. Por la forma de los dientes, la rueda y
por tanto el eje al cual está fijada, solo puede
girar en un sentido, pues el gatillo impide que la
rueda gire en sentido contrario.
Se utiliza cuando se quiere bloquear la rotación
Volante montado en un alternador Volante de un motor Diesel de un
cilindro
Volante en un motor de moto, que además lleva
los imanes para generar electricidad
Volante en un motor de coche, que además sirve
de soporte para el embrague
gatillo
Rueda dentada
Los elementos mecánicos
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de un eje en un sentido de giro.
4.4. Cojinetes y rodamientos
Estos dos elementos tienen como misión reducir el rozamiento existente entre los
ejes que giran en el soporte donde se apoyan. Por su fabricación pueden ser
cojinetes lisos y cojinetes de rodadura más conocidos como rodamientos.
Cojinetes lisos
Normalmente están fabricados en
bronce aleado con otros metales que
le proporcionan un coeficiente de
rozamiento reducido y así favorecer
la rotación del eje dentro del cojinete.
Estos cojinetes necesitan lubricación,
que normalmente se hace con aceite
mineral. En máquines portátiles
donde lubricar los cojinetes es
complicado se hacen de bronce con
plomo o fósforo y entonces tenemos
lo que se conoce como cojinetes
autolubricados, que no necesitarán
aceite durante toda su vida útil.
Cojinetes lisos de diversas formas
Cojinetes lisos partidos. Se utilizan en el montaje de las
bielas sobre el cigüeñal de los motores de explosión
Aplicación a una cinta se sujección Mecanismo de rueda libre
eje soporte
cojinete
Los elementos mecánicos
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Cojinetes de rodadura
En estos elementos se sustituye el
deslizamiento de los cojinetes lisos por
una rodadura de determinados
elementos. Un rodamiento está
formado, básicamente, por un anillo
exterior que se monta en el soporte o
carcasa de la máquina, un anillo
interior que se monta sobre el eje que
gira, los elementos de rodadura (que
pueden ser bolas, cilindros, conos, etc)
y una pieza llamada jaula que
mantiene los elementos rodantes en
su posición. Tanto los anillos como los
elementos rodantes están fabricados
en acero de alta calidad y además llevan tratamientos termoquímicos que dotan a
las superficies de una elevada dureza, y por tanto muy resistentes al desgaste.
Segun la forma de trabajar de los rodamientos pueden ser rodamientos radiales,
axiales o mixtos.
Rodamientos radiales. Soportan esfuerzos radiales, es decir perpendiculares
al eje de giro.
Todos los rodamientos necesitan lubricación, bién por aceite bién por grasa. Si es
por aceite los rodamientos van destapados y se les ha de garantizar la lubricación y
si son por grasa van tapados lateralmente y de fábrica se les introduce la grasa.
Rodamientos axiales. Soportan esfuerzos axiales, es decir paralelos al eje de
giro.
elementos rodantes
jaula
anillo
exterior
anillo
interior
Los elementos mecánicos
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Rodamientos mixtos.
Pueden soportar indistintamente esfuerzos axiales y radiales.
La forma más habitual de designar los rodamientos es por sus
medidas, que básicamente son el diámetro exterior D, el
diámetro interior d y la anchura B del rodamiento.
A la hora de elegir un rodamiento se ha tener en cuenta sobre
todo, la carga que ha de soportar y la velocidad de rotación
del eje. Si los rodamientos van lubricados con grasa, su
velocidad de rotación ha de ser inferior que si van lubricados
con aceite.
4.5. Embragues
Se utilizan para unir ejes de forma temporal. Normalmente unen el eje de un motor
con el eje de accionamiento de una máquina. A continuación vamos a estudiar
algunos tipos de embragues.
Embragues de dientes.
A la izquierda podemos ver un embrague de dientes rectos y a la derecha uno de
dientes inclinados. En ambos embragues la conexión o desconexión de los ejes se
consigue desplazando la parte móvil sobre el eje estriado. Para accionar estos
embragues es necesario que los ejes esten parados.
Esfuerzos
axiales
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43
Para poder embragar los ejes en movimiento es necesario recurrir a otros tipos de
embragues donde la transmisión de la potencia se hace mediante el rozamiento.
Embragues centrífugos.
En estos embragues la conexión o desconexión
de los ejes se hace de forma automática segun
la velocidad que lleve el eje motriz. Funcionan
grácias a la fuerza centrífuga generada por la
velocidad de rotación sobre unas piezas
excéntricas recubiertas de material de fricción.
Estas piezas atacan interiormente a una
campana solidaria a eje conducido. Este
embrague se utiliza cuando deseamos que la
conexión entre ejes sea automática, por tanto se
utiliza en motosierras, ciclomotores,
cortacésped, etc.
A velocidad del motor reducida los resortes mantienen las masas en su sitio y la
campana exterior no gira. Si aumentamos la velocidad del motor, la fuerza
centrífuga vence la fuerza de los resortes y ejerce una fuerza sobre los contrapesos
que rozan por el interior de la campana, esta fuerza genera el rozamiento suficiente
para el arrastre de la campana y ésta se pone a girar.
Embragues cónicos.
Este dispositivo consta de una
campana 2 con una superficie
interna de forma cónica
montada sobre el eje motriz 6.
El eje conducido dispone de una
pieza cónica recubierta de
material de fricción 3. Para
generar la fuerza de rozamiento
necesaria el resorte 4 presiona
la pieza 3 contra la 2. Mediante
la palanca 5 podemos retirar el
resorte y desembragar los ejes.
banda de fricción
eje de rotación
resorte
masa excéntrica
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44
Embrague de disco
Este sistema es muy utilizado en los
automóviles. Está compuesto por un
disco plano forrado de material de
fricción por las dos caras que es el
encargado de transmitir la potencia
del motor a la caja de cambios. El
disco queda apretado por un resorte
cónico entre la maza de embrague y
el volante del motor (unido al
cigüeñal), todo el conjunto queda
montado en la carcasa. La palanca
sirve para desembragar y embragar.
Embrague electromagnético
Este es tipo de embrague funciona mediante la fuerza de atracción magnética
generada por una bobina por donde circula una corriente eléctrica. Una aplicación
muy conocida de este embrague es en el accionamiento del compresor del aire
acondicionado de los automóviles.
Embrague electromagnético seccionado Compresor del aire acondiconado de un
automóvil. El embrague electromagnético va
colocado dentro de las poleas
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Elementos auxiliares de unión
Son los elementos que se utilizan para unir dos o más piezas en las máquinas.
Estas uniones pueden ser temporales o desmontables y permanentes según la
finalidad.
5.1. Roscas y tornillos
Se utilizan en uniones desmontables y son muy utilizados en mecánica.
Según la posición de la hélice, podemos distinguir entre tornillos y tuercas.
Si la hélice es exterior al cilindro, es un tornillo.
Si la hélice es interior, es una tuerca.
Podemos considerar que la rosca se genera cuando un prisma, llamado filete, se
enrosca sobre un cilindro, al cual llamaremos nucleo.
Tipos de roscas
Las roscas se clasifican atendiendo, entre otras, a las características siguientes: por
la forma del filete de rosca, por el número de entradas y por el sentido de giro.
5
Los dos parámetros
básicos de un tornillo son
el diámetro exterior de la
rosca y el paso de rosca.
Un parámetro
complementario es la
longitud del tornillo.
Se llama rosca a cualquier elemento mecánico que dispone de una acanaladura
en forma de hélice continua construida sobre un cilindro.
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Clases de tornillos
En los tornillos utilizados en la industria podemos distinguir entre tres tipos de
tornillos que son, los tirafondos, los espárragos y los pernos, los cuales podemos
ver en la imagen.
Otra característica de los tornillos es la forma de la cabeza que sirve para poder
enroscarlo y desenroscarlos. Así mismo las tuercas pueden ser de muchas formas
diferentes.
Tipos de cabeza de tornillos
Algunos tipos de tornillos de seguridad
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Ejecución de roscas
La fabricación de tornillos y tuercas está totalmente automatizada, por eso no tiene
ningún sentido hacer las roscas a mano. No obstante algunas veces es necesario
hacer algunas operaciones de roscado a mano: alargar la parte roscada de un
tornillo, hacer un agujero roscado, etc.
En este caso se utilizan unas herramientas específicas que se llaman, machos para
hacer roscas interiores y terrajas para roscar tornillos.
La operación para roscar un agujero comienza por el
taladrado, ahora bién, para roscar agujeros es necesario
que el agujero tenga un diámetro inferior al diámetro
nominal del tornillo. El diámetro del agujero depende del
diámetro del tornillo y del paso de rosca.
∅ 𝑏𝑟𝑜𝑐𝑎 = ∅ 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 − 𝑝𝑎𝑠𝑜
En la tabla adjunta se muestran los diámetros y los pasos
de la rosca métrica o ISO desde el diámetro de 1 mm hasta
20 mm. En la columna de la derecha se puede ver el
diámetro de la broca necesaria para hacer agujero.
Una vez hecho el agujero se pasan los tres machos de
forma sucesiva y
en el orden
correcto (de
mayor a menor
conicidad). Para
hacer la operación
de corte de la
rosca es
necesario poner
aceite y ejecutar media vuelta adelante y un cuarto de
vuelta atras para ir rompiendo la viruta y que el macho no se atasque.
Para hacer girar los machos se utiliza una herramienta llamada giramachos o
volvedor.
Para ejecutar un tornillo se elige la varilla del diámetro nominal de la rosca y a
continuación se coloca la terraja en el portaterrajas y se ejecuta la rosca con los
mismos movimientos de vaivén que al roscar el agujero.
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5.2. Chavetas. Legüetas. Pasadores
Estos sistemas
se utilizan
cuando
necesitamos
que el
movimiento de
un árbol o eje
sea solidario con
cualquier otro
elemento de la
máquina. Para
esta función se utilizan las chavetas y las lengüetas.
Una chaveta es un prisma de sección generalmente rectangular que se utiliza para
hacer solidario el giro de dos piezas mecánicas.
Tipos normalizados de lengüetas
Nombre Tipo
Lengüeta de caras frontales redondas
Lengüeta de caras frontales rectas
Lengüeta con tornillo de fijación
Lengüeta con dos tornillos de fijación
Lengüeta de disco o Woodruf
Muntatge amb xaveta Montaje con chaveta
chaveta mortaja
árbol
elemento solidario conjunto enchavetado
Tipos normalizados de chavetas
Tipo Nombre
Chaveta encastada
Chaveta de impulso
Chaveta de talón
Chaveta plana
Chaveta plana de talón
Chaveta cóncava
Chaveta cóncava de talón
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49
Un pasador es una pieza redondeada y alargada que se utiliza como elemento de
sujección y para hacer solidarias dos piezas. Suele estar sometidos a esfuerzos
cortantes.
Entre todos los tipos de pasadors podemos destacar algunos que son los que se
muestran en la figura adjunta.
5.3. Roblones
Los roblones son piezas cilíndricas dotadas
de cabeza y capaces de deformarse por
compresión. Proporcionan una unión fija
entre dos piezas mecánicas, generalmente
planchas, barras o perfiles.
Estan formados por la cabeza y la caña, ésta
una vez colocada uniendo las dos piezas se
deformará a golpes y así formar otra cabeza.
Las operaciones para colocar roblones son las
siguientes:
Montaje de una lengueta de disco o
Woodruf
Pasador
de aletas
cabeza caña
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50
1- Colocación del roblón y la
sufridera.
2- Se coloca bien el conjunto
mediante el asentador.
3- Se ajusta la longitud del
roblón al grueso de las planchas.
4- Se empieza a deformar el
roblón con un martillo de bola por
la parte plana.
5- Se termina de deformar con
la bola del martillo.
6- Se le da forma final
mediante la buterola.
7- Aspecto de la unión
terminada.
Para uniones que no tienen excesivas exigencias mecánicas se utilizan unos
remaches tubulares hechos de aluminio, y que son fáciles de colocar mediante unos
alicates especiales. En la imagen se puede ver el proceso para colocar este tipo de
remaches.
Cabota
Durante el siglo XIX y buena parte del XX las estructuras
metálicas iban roblonadas
Las 18 000 piezas de la Torre Eiffel están unidas con 2,5
millones de roblones
Una aplicación de los roblones ha sido la fabricación de
calderas de vapor (calderas del Titanic)
Pieza del casco del Titanic recuperada, donde se pueden
ver las planchas unidas con roblones
Vástago
Remache hueco
Alicates Vástago
Cabeza de cierre Extremo del
vástago
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5.4. Soldadura
Se llama soldadura a la unión estable de dos piezas o de dos partes de una misma
pieza, que se obtiene por aplicación de calor.
La soldadura se conoce desde hace más de 4000 años, cuando los egipcios
soldaban piezas de bronce utilizando estaño como metal de aportación. Durante
muchos siglos los enrejados de puertas y ventanas de hierro se soldaban utilizando
plomo como metal de aportación. En 1885 se aplicó por primera vez la soldadura
por arco voltaico, y en 1900 se aplicó la soldadura autógena aprovechando la
combustión del gas acetileno.
Soldadura blanda
La soldadura blanda (a baja temperatura) se utiliza para soldar componentes en los
circuitos impresos. Se efectua con un soldador eléctrico y como material de
aportación se utiliza un hilo de aleación de estaño y plomo que funde a 200 ºC.
Este hilo está relleno de resina que actua com desoxidante.
Tipos de soldadura
Soldadura heterogénea Soldadura homogénea
Soldadura blanda Soldadura fuerte Soldadura por fusión Soldadura por presión
Con soplete Con metal líquido Eléctrica A la forja Eléctrica por puntos
Material de
aportación
Soldador eléctrico
Material para soldadura blanda
Material de
aportación
Soplete de gas
Material para soldadura fuerte
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Soldadura fuerte
Tiene una aplicación muy importante en las instalaciones hechas con tubo de cobre,
por ejemplo de agua o aire comprimido. Para aplicar el calor necesario se utiliza un
soplete que quema gas butano, como material de aportación se utiliza latón, estaño
o aleaciones de plata. Como desoxidante se utiliza el bórax.
Soldadura por arco eléctrico
Este equipo está compuesto por un transformador que baja la tensió de 230 V a un
valor que oscila entre 20 V y 100 V. De esta manera se consiguen en el secundario
del transformador intensidadess de 250 A, que cuando se forme el arco generarán
temperaturas superiores a los 3000 ºC. Al transformador se conectan un cable con
una pinza donde se sujeta el electrodo, y otro cable con otra pinza que se sujeta a
la pieza a soldar. Cuando aproximamos el electrodo a la pieza salta una chispa que
cierra el circuito eléctrico y se forma el arco eléctrico.
A medida que vamos soldando el electrodo se va consumiendo y por tanto hay que
ir aproximando la pinza para mantener la separación constante para que el arco no
se extinga.
El electrodo está formado per un núcleo de acero protegido por un revestimiento. El
calor generado por el
arco funde el núcleo
y el material fundido
llena las aristas y los
huecos de las piezas
que se sueldan. El
revestimiento
protege la soldadura
contra la oxidación.
Tensión de salida 20 – 100 V
Tensión de alimentación
230 V
Transformador
Pinza de masa
Penetración de la
soldadura
Revestimiento
Núcleo del electrodo
Material depositado Escoria
Cráter
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Soldadura oxiacetilénica
Este tipo de soldadura utiliza como fuente de calor la combustión de gas acetileno
con gas oxígeno, ambos se suministran en botellas a presión. El acetileno y el
oxígeno llegan al soplete donde se mezclan y se queman formando una llama que
llega a alcanzar los 3300 oC de temperatura. Regulando el caudal de acetileno y
oxígeno se consigue que la llama sea neutra, reductora u oxidante.
Como metal de aportación se utilizan varillas del mismo metal que se va a soldar.
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Simbología
Para poner en práctica el mantenimiento de máquinas y equipos industriales se han
de efectuar una serie de operaciones y seguir las instrucciones específicas de cada
tarea concreta. Para ayudar a realizar las tareas más habituales del mantenimiento
preventivo (per ejemplo poner aceite en determinados puntos) se han diseñado y
normalizado una serie de símbolos que permiten de forma visual seguir las
instrucciones o interpretar fallos. De los muchos símbolos que hay, y a modo de
ejemplo se muestra una selección.
6
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55
Normas de prevención y seguridad en el manejo de
elementos mecánicos
Es por todos conocido que el trabajador en su puesto de trabajo está sometido a
una lucha continua con el medio que lo rodea. Éste, normalmente, se presenta bajo
la forma de riesgo. Para luchar contra los riesgos utilizamos las Técnicas de
Prevención y solo cuando no se pueden utilizar, es necesario acudir a las Técnicas
de Protección.
Para evitar el accidente laboral hemos de estudiar la forma de aislar el riesgo
eliminando la posibilidad de que se materialice el accidente.
Hipotéticamente se trata de crear una barrera de separación entre el agente
material agresivo y el trabajador. Esta barrera puede materializarse físicamente
mediante resguardos, dispositivos de seguridad, y protecciones personales. Son
estas barreras físicas las que presentan una mayor fiabilidad por no depender de la
voluntad humana en su utilización. Otras barreras no físicas, pero complementarias
de las anteriores, son las normas de seguridad y la señalización.
Estadísticamente los accidentes a causa de las máquinas, motores y órganos de
transmisión y transporte, dan un promedio anual de 155 378 accidentes, lo que
representa el 14,29 % del total de accidentes.
7.1. Elementos de máquinas que presentan riesgos
Serán todos aquellos donde exista la posibilidad que los trabajadores entren en
contacto con cualquier mecanismo en movimiento y, serán estos mecanismos los
que necesitarán los resguardos. Estos mecanismos pueden ser.
mecanismos de rotación,
mecanismos de corte y abrasión,
sistemas de rotación con movimiento hacia dentro,
mecanismos de conformación de metales.
A continuación podemos ver algunos puntos peligrosos en el movimiento de
rotación.
7
Giro de brocas
Piezas salientes
Piezas salientes
Piezas salientes
Oscilación de ejes
Ejes girando
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Los riesgos presentes en los mecanismos de corte y abrasión pueden ser:
Algunos riesgos presentes en los sistemas de rotación con movimient hacia dentro:
Riesgos en los sistemas de conformación de metales:
Punto de riesgo en una plegadora Punto de riesgo en una troqueladora
Guillotinas
Sierrras de cinta
Sierras circulares
Fresadora/Cepilladora
Tornillos de alimentación
Electroesmeriladoras
Rodillos de alimentación Cadenas y correas
Poleas y correas
Cremallera
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7.2. Dispositivos de protección de los mecanismos
Vistos los principales riesgos podemos ver algunos resguardos que pueden
utilizarse para evitar accidentes.
Protecciones en correas, engranajes y poleas
Resguardos en ejes en rotación Protección del cabezal de un torno
Protección de la broca en una
taladradora vertical
Protección en una sierra circular Protección total en una sierra de cinta
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58
Diversas protecciones en prensas.
7.3. Normas básicas en la utilización de las herramientas
No utilizar alicates para girar el destornillador.
No utilizar el destornillador como cincel.
Las caras se afilarán de forma que
queden casi paralelas.
Utilizar el destornillador adecuado a cada tornillo.
Al manejar las llaves hay que estirar, no empujarlas, la
llave puede ceder y accidentarnos las manos.
No utilizar las llaves como martillos.
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En las llaves ajustables hay que apretar de
forma que la boca fija soporte la fuerza.
Hay que utilizar la llave adecuada a cada tuerca,
ésta ha de quedar bién ajustada en la llave.
No colocar tubos en el mango de las llaves
para aumentar el brazo de palanca.
No colocar piezas supletorias para encajar
las llaves en las tuercas.
No utilizar llaves con grietas, bocas rotas,
desgastadas, etc.
No golpear la llave, sobre todo si es ajustable, con
un martillo para apretar o aflojar tuercas.
BUÉN encaje
MAL encaje
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Valoración del desgaste de los elementos mecánicos
8.2. Desgaste en los elementos mecánicos
La causa de la mayor parte de les averías mecánicas en les máquinas se producen
por desgaste de algunos de sus elementos. Como ya hemos visto para reducir las
pérdidas de trabajo, la generación de calor y un excesivo desgaste entre piezas que
tienen movimiento relativo utilizamos los cojinetes o los rodamientos. Por tanto
será en estos puntos donde habrá que actuar de forma preferente.
La duración de los cojinetes (funcionando en condiciones normales) puede ser muy
variable pués hay cojinetes que no hace falta cambiarlos en toda la vida útil de la
máquina. En las máquinas estáticas la duración de los cojinetes o rodamientos se
mide en horas de funcionamiento, y en las máquinas automotrices puede ser en km
recorridos (caso de los automóviles) o horas de funcionamiento (maquinaria de
obra).
Otro punto donde se produce desgaste es en los engranajes de las transmisiones
(reductores de velocidad), puesto que si en teoría durante el engrane de dos
piñones los dientes ruedan uno sobre el otro, en la realidad se produce un
resbalamiento entre los dientes que provoca un desgaste en los flancos de los
mismos y por tanto que el mecanismo tenga un funcionamiento defectuoso.
Cojinetes lisos
En los motores de explosión los cojinetes del cigüeñal y de las cabezas de las bielas
están preparados para tener un desgaste controlado durante toda la vida del motor.
Ahora bién si por alguna causa la lubricación falla en algun de ellos el desgaste
anormal afectará al cojinete y puede afectar incluso a las muñequillas del cigüeñal.
8
1 Chapa de acero
2 Material antifricción
3 Orificio y ranura de lubricación
4. Uña de pocisionamiento
A la izquierda se puede ver un cojinete con
desgaste normal y a la derecha uno con desgaste
excesivo por abrasión.
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61
Rodamientos
Los rodamientos están fabricados para una vida útil de muchas horas, pero tienen
dos enemigos principales, uno es la posible presencia de agua y el otro la falta de
lubricación.
En el caso que un rodamiento esté en contacto con el agua esta se ha de eliminar
lo más rápido posible, pués en caso contrario aparecerán puntos donde el
rodamiento se oxidará y producirá el picado de las bolas y de las pistas. Este efecto
tiene como consecuencia que el rodamiento empezará a hacer mucho ruido y si
continua trabajando en estas condiciones se producirá la rotura total del
rodamiento.
Otra avería típica de los rodamientos se produce
cuando falla la lubricación, en este caso se
produce un aumento excesivo de la temperatura,
que si se mantiene mucho tiempo provocará la
destrucción total del rodamiento con las posibles
consecuencias negativas sobre la máquina.
Muñequilla de un cigüeñal rallado por fallo de la lubricación.
Cuando un eje ha sufrido desgaste se ha de comprobar
con un micrómetro si el desgaste está dentro de las
tolerancias.
Cuando en una máquina con rodamientos se oiga un ruido anormal que depende
de la velocidad de rotación, hay que actuar lo más pronto posible y sustituir el
rodamiento afectado.
Rodamiento oxidado. Pistas picadas por el óxido.
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62
Engranajes
Una aplicación de los engranajes en la
industria son los reductores de
velocidad. Estos pueden ser para
trabajar a altas o bajas velocidades y
para transmitir potencias elevadas o
pequeñas.
Un aspecto fundamental en los
reductores de velocidad es la
lubricación, ésta ha de hacerse con la
cantidad necesaria de aceite y de la
calidad adecuada al tipo de trabajo a
efectuar.
Cuando la lubricación no es la
adecuada se pueden producir
numerosas averías; desde desgaste
anormal hasta la rotura de dientes.
Los posibles fallos de los engranajes
pueden ser por:
Cargas excesivas o cargas repentinas.
Elevadas velocidades.
Deficiente alineación de los ejes.
Cambios en la estructura del metal.
Insuficiente dureza de los metales.
Contaminación del lubricante.
Utilitzación de un lubricante no adecuado.
A continuación podemos ver algunos tipos de desgaste en los engranajes.
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8.2. La lubrificación en les máquinas
Cualquier superficie metálica, por pulida que parezca a simple vista, presenta
rugosidades más o menos visibles y en algunos casos microscópicas. En estas
condiciones, cuando una superficie roza con otra, las rugosidades entran en
contacto y producen un rozamiento que desgasta el material, origina un
calentamiento de las superficies que puede llegar a ser peligroso, además este
rozamiento puede suponer importantes pérdidas de trabajo o energía.
Para reducir el rozamiento entre el gran número de piezas móviles que contienen
las máquinas y, en consecuencia, el desgaste y el calentamiento que se genera en
estas piezas, se utiliza la lubrificación.
Para que la lubrificación sea eficaz se ha de conseguir que el lubricante llene las
rugosidades de las superficies en contacto, se adhiera a ellas y forme una capa
fluida, así el
rozamiento se efectua
entre dos capas
fluidas, y por tanto las
pérdidas de trabajo
son menores que en el
caso de rozamiento en
seco y las superficies
se desgastan menos.
Así, el lubricante actua
como una capa
protectora al desgaste
de les superficies, al
mismo tiempo que disminuye la fuerza necesária para deslizar una superficie sobre
otra.
Los lubricantes han de resistir las presiones a que están sometidos entre ambas
superficies sin ser expulsados al exterior, por tanto es necesario que tengan la
viscosidad adecuada; asimismo, interesa que no sean excesivamente viscosos
puesto que a mayor viscosidad mayor será la fuerza de rozamiento. También es
importante que los lubricantes no modifiquen su viscosidad con los cambios de
temperatura y en contacto con el aire, el agua y el material de las superficies.
En la imagen siguiente se puede ver el proceso por el que se establece y se
mantiene la película de lubricante.
La lubrificación consiste en interponer una capa o película de un
líquido, llamado lubricante, entre dos superficies que se desplazan
entre ellas o entre los órganos activos de cualquier máquina.
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64
De las muchas características que han de tener los aceites lubricantes, una de las
más importantes es la viscosidad, esta nos informa de cuanto le cuesta fluir al
aceite por un conducto. Según el tipo de máquina a lubricar se ha de elegir la
viscosidad adequada, puesto que una viscosidad elevada dificultaría el paso del
aceite hacia las zonas a lubricar y una viscosidad demasiado baja no podría formar
la película necesaria para una buena lubricación.
La medida de la viscosidad tiene diversas unidades de medida, entre ellas la más
utilitzada es la denominación SAE (Sociedad Americana de Ingenieros) que clasifica
los aceites según la tabla siguiente.
Denominación SAE Viscosidad en ºE a 50 ºC Viscosidad en ºE a 100 ºC Fluidez
10
20
30
40
50
60
70
3,1 a 4,2
4,2 a 6,4
6,4 a 9,3
9,3 a 11,6
11,6 a 18,8
18,8 a 24,8
24,8 a 32,3
1,4 a 1,6
1,6 a 1,8
1,8 a 2,1
2,1 a 2,3
2,3 a 3,0
3,0 a 3,5
3,5 a 4,1
muy fluido
fluido
semifluido
semiviscoso
viscoso
muy viscoso
extra viscoso
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65
A partir de una viscosidad SAE 50 los aceites se utilizan para lubricar engranajes y
se llaman valvulinas. A partir de una viscosidad SAE 120 son grasas consistentes.
Com se puede ver la viscosidad disminuye mucho a medida que aumenta la
temperatura de funcionamiento, por eso en los motores térmicos (donde las
temperaturas varían mucho desde el momento que se pone en marcha el motor
hasta que llega la
temperatura de
régimen), y sobre
todo en los
automóviles se
utilizan aceites
multigrado que
mantienen la
viscosidad más
estable en un
rango grande de
temperaturas.
En la imagen se
puede ver la
comparación de la fluidez entre diferentes aceites multigrado.
Lubricación por grasa
Se utiliza para lubricar cojinetes, rodamientos y algunos tipos de engranajes. Se
aplica mediante unas válvulas automáticas llamadas engrasadores que dejan
entrar la grasa pero impiden su salida. La aplicación de la grasa se tiene que hacer
con una bomba, bién manual, bién por aire comprimido.
Lubricación por aceite a barboteo
Se utiliza en la lubricación de engranajes donde los dientes de los piñones salpican
el aceite lubricante a todas las partes del mecanismo.
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66
Lubricación por aceite a presión
Se utiliza en aquellas
máquinas donde la
lubricación es crítica y es
necesario asegurar que el
aceite llega hasta el
último punto donde es
necesario. Es el sistema
que se utiliza en la
lubricación de los
motores de explosión de
cuatro tiempos.
En éstos es muy
importante el filtrado del
aceite, por eso llevan un
filtro exterior que se
sustituye cada vez que
se cambia el aceite.
8.3. Mantenimiento preventivo de los elementos mecánicos
El mantenimiento programado consiste en evitar averías mediante inspecciones
periódicas; pero estas han de estar en un programa con un ciclo determinado de
revisión, con la finalidad de que no puedan pasarse per alto algunas partes más o
menos importantes. Puede aplicarse este método mediante un planning.
El mantenimiento preventivo va unido al mantenimiento programado.
El mantenimiento preventivo es la única técnica que puede asegurar la continuidad
de los procesos de fabricación. Esto no quiere decir que por tener un Servicio de
Mantenimiento ya no habrá más reparaciones, sinó que la ejecución de estas
reparaciones no afectará a los programas de fabricación, aprovechando el momento
más oportuno para realizarlas y siempre después de tener a pie de obra los
materiales, herramientas, útiles y personal cualificado.
No en todos los casos es válido el Mantenimiento Preventivo, puesto que para
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ciertas máquinas será vital, inútil para otras, y obligatorio siempre que se trate de
puntos que afecten a la seguridad del personal.
Es, sobre todo, una cuestión de justa medida. Si se lleva bién, el mantenimiento
preventivo es más seguro y económico que las averías:
por su coste,
por la eliminación de paradas,
por la elección del momento de la intervención para no interferir en la
fabricación,
por tenerlo todo preparado y a punto.
Una de las principales tareas del mantenimiento preventivo es la lubricación, puesto
que de ella depende en un porcentage muy elevado la vida de las máquinas,
economía de repuestos, etc.
Para realiar esta tarea de forma general, puede operarse de acuerdo con las fases
siguientes:
a) Preparación. Esta fase se llevará a cabo:
Estandarizando aceites y grasas.
Estandarizando bocas de engrasadores
Elegir el sistema de engrase: centralizado, individual.
Distribución en planta para el plan de engrase, en el cual se plasmará:
ubicación, tipo, frecuencia por colores.
b) Lanzamiento. Para el lanzamiento el Servicio de Mantenimiento ha de
basarse en el planning establecido, el cual en circuitos tiene que recorrer
todas las máquinas con sus características de engrase. A la vez que se
recorren los circuitos señalados, puede observarse si hay anomalías de:
- Engrasadores rotos, conducciones perforadas;
- Correas en mal estado;
- Ruidos anormales, etc,
c) Control. El control de los engrasadores se asegurará:
- Por visitas periódicas;
- Por anomalías ocurridas por falta de engrase;
- Estableciendo primas especiales en caso de reducción de gripados.
Tareas de mantenimiento de correas y cadenas
Correas planas.
No tensar en exceso las correas, puesto que solo servirá para calentar los
ejes y reducir el rendimento del mecanismo.
Una correa nueva hay que tensarla varias veces para colocarla bién en su
lugar.
Es necesario limpiar bién la correa.
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Correas trapezoidales.
Teóricamente estas correas son perfectas. En efecto, resuelven muchos problemas,
pero también hay que utilizarlas adecuadamente:
Permiten distancias muy cortas entre los ejes de las poleas, están fabricadas
sin fin (no hay uniones ni vibraciones).
Han de montarse con una tensió muy baja, muy inferior a la de las correas
planas. Si en una transmisión de correas múltiples se rompe alguna hay que
sustituirlas todas. No es admisible la presencia de correas nuevas y viejas
en la misma transmisión.
No hay que utilizar nunca adherente. La correa trapezoidal trabaja por
efecto cuña dentro de la polea y no por rozamiento plano. Si las correas
patinan hay que limpiarlas y volver a tensarlas.
Las correas se limpiarán con un trapo húmedo con un disolvente adecuado.
Cadenas.
Es un dispositivo muy utilizado, para regularlas y mantenerlas, hay que:
Colocarla lo suficientemente floja, para qué no estire ni salten los dientes.
Cuando esté sucia, se puede limpiar con gasolina, enjuarla bién y después
secarla y lubricarla. Si hay cubrecadenas, también hay que limpiarlo.
El funcionamiento de las cadenas es más ruidoso que el de las correas,
asimismo hay que poner atención en si el ruido es normal o anormal.
Cojinetes.
Hay que vigilar si tienen el engrase adecuado y si hacen algun ruido anormal.
Rodamientos.
Si son estancos solo hay que observar si hacen algun ruido anormal. Si no lo son
hay que vigilar si tenen el engrase adecuado.
Engranajes.
Cada vez es más frecuente que el aceite utilizado en los reductores de velocidad no
se tenga que cambiar nunca. Esto es debido a que la calidad de los aceites
lubricantes es cada vez mayor, y con los aceites sintéticos se pueden obtener
aceites a medida de cada necesidad. Asimismo siempre habrá que vigilar si el nivel
de aceite es el correcto.
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Anexo I: Metrotécnia
Una de las actividades fundamentales en las tareas de mantenimiento es la de
realizar mediciones con los diversos instrumentos que tenemos a nuestra
disposición. Así hará falta medir longitudes, diámetros, comprobar desgastes, etc.
Para poder efectuar todas estas mediciones disponemos de una serie de
instrumentos de medida como son la regla graduada, el pie de rey, el micrómetro y
el reloj comparador.
Regla graduada
Son láminas de acero con los bordes graduados con divisiones de 1 mm o de 0,5
mm. La numeración puede estar
en mm o en cm. En la imagen
se puede ver una regla con un
canto dividido en mm y el otro,
hasta los 10 primeros cm
dividido en 0,5 mm. Hay que
observar que el cero de la regla
coincide con el canto, de esta
forma se pueden medir
profundidades.
Pie de rey
Cuando necesitamos efectuar mediciones inferiores a 0,5 mm ya no podemos
utilizar las reglas y hemos de recurrir a otros instrumentos. Uno de los más
conocidos es el calibre o pie de rey.
Su funcionamiento es el siguiente, consta de una regla fija y una pequeña regla
móvil llamada nonio. Cogemos 9 mm de la regla fija y los dividimos en 10 partes,
así entre el 1 de la regla y el 1’ del nonio hay una distancia de 1 𝑚𝑚−9 𝑚𝑚
10= 0,1 𝑚𝑚 ,
así decimos que la apreciación del pie de rey es de una décima de mm o 0,1 mm.
Hay pie de rey de una apreciación de 1/50 mm o dos centésimas de mm
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Actualmente se ha
popularizado el pie de rey
con indicación digital, esto
facilita mucho la lectura
de las medidas, pero tiene
el inconveniente que es
más caro y depende de las
pilas para funcionar.
En la imagen se pueden ver los tipos de medición que se pueden hacer con el pie
de rey. A la hora de efectuar una medición hemos de abrir las bocas, colocar la
pieza entre ellas (preferentemente sobre el extremo final) y cerrar las bocas, a
continuación y sin sacar la pieza miraremos la medida.
Medida de interiores
Medida de exteriores
Medida de profundidades
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Micrómetro
También conocido com tornillo micrométrico y se utiliza para mediciones del orden
de una centésima de mm
Está compuesto por una pieza en
forma de herradura (1), un tope
(2) fijo y un tope (3) que se
desplaza a derecha o izquierda
según el sentido de giro del
tambor (6), sobre el cuerpo (7)
tenemos una escala graduada
doble, por encima en mm y por
debajo de 0,5 mm. Para efectuar
una medición hemos de abrir las bocas (2 y 3), colocar la
pieza entre ellas y girar el tambor aproximando la boca
móvil hasta casi tocar la pieza, a continuación se aproxima
la boca móvil con la perilla (5), y sin retirar la pieza
efectuemos la lectura.
En el caso de la imagen tenemos una medida de: 16 𝑚𝑚 +
0,18 𝑚𝑚 = 16,18 𝑚𝑚
Reloj comparador
Como dice su nombre, no realiza medidas directas, compara la diferencia existente
entre dos medidas. En la imagen se pueden ver las distintas partes de un reloj
comparador.
En la figura se puede observar la forma
de utilización del comparador.
Desplazando el comparador sobre la
pieza, la diferencia de lectura X del reloj
se corresponde con la diferencia de altura
x de la pieza.
Partes de un comparador
Montaje de un comparador en su
soporte de base magnética
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Anexo II: Mecanismos combinados
La mayoría de las máquinas no están formadas por un único mecanismo, sinó que
están compuestas por diversos mecanismos combinados que al final proporcionan
el movimento que se necesita.
Un ejemplo de aplicación es cuando se necesitan reducciones elevadas de
velocidades que se hacen mediante poleas y engranajes en diversos escalones.
Cuando de montan mas de dos
poleas se le da el nombre de tren
de poleas y en estos la relación de
transmisión viene dada por la
equación:
𝑛1
𝑛4=
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑖à𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎𝑠
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑖à𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒𝑠 →
𝑛1
𝑛4=
𝑑2 · 𝑑4
𝑑1 · 𝑑3
Actividad 16: Según la figura calcula la velocitdad de salida del tren de poleas.
Actividad 17: Según la figura calcula el diámetro de la rueda número 5.
80 mm
800 rpm
? rpm
200 mm
70 mm
180 mm
Datos:
d1=80 mmm
d2=200 mm
d3=70
d4=180
n1=800 rpm
n4=
𝑛1
𝑛4=
𝑑2 · 𝑑4
𝑑1 · 𝑑3 → 𝑛4 =
𝑛1 · 𝑑1 · 𝑑3
𝑑2 · 𝑑4
𝑛4 =800 𝑟𝑝𝑚 · 80 𝑚𝑚 · 70 𝑚𝑚
200 𝑚𝑚 · 180 𝑚𝑚= 124,44 𝑟𝑝𝑚
𝑛1
𝑛6=
𝑑2 · 𝑑4 · 𝑑4
𝑑1 · 𝑑3 · 𝑑5;
𝑑5 =𝑑2 · 𝑑4 · 𝑑4 · 𝑛6
𝑑1 · 𝑑3 · 𝑛1=
=60 𝑚𝑚 · 55𝑚𝑚 · 58 𝑚𝑚 · 120 𝑟𝑝𝑚
30 𝑚𝑚 · 25 𝑚𝑚 · 1000 𝑟𝑝𝑚=
= 30,6 𝑚𝑚
Datos:
d1=30 mmm
d2=60 mm
d3=25 mm
d4=55 mm
d5=? mm
d6=58 mm
n1=1000 rpm
n2= 120 rpm
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Los trenes también pueden estar formados por
diversos ejes dotados de ruedas dentadas. En
este caso su relación de trensmisión es:
𝑛1
𝑛4=
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎𝑠
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒𝑠 →
𝑛1
𝑛4=
𝑧2 · 𝑧4
𝑧1 · 𝑧3
Actividad18: Según la figura calcula la velocidad de la rueda número 6.
Actividad19: Según la figura calcula el número de dientes de la rueda número 2.
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Actividad 20: identifica los mecanismos que forman las cadenas cinemáticas siguientes.
Poleas y correa
Tornillo sin fin
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