5. SELECCIN DE ELEMENTOS MECNICOS Y MATERIALES.
5.1. TIPOS, APLICACIONES Y SELECCIN DE ELEMENTOS MECNICOS.
5.1.1 RODAMIENTOS.
Los trminos cojinete de contacto rodante, cojinete antifriccin y
cojinete de rodamiento se emplean para describir la clase de
cojinete en la cual se transfiere la carga principal mediante
elementos que experimentan contacto rodante en vez de contacto
deslizante. En un cojinete de rodamiento, la friccin inicial
aproximadamente duplica la friccin de operacin, pero an es
despreciable en comparacin con la friccin inicial de un cojinete de
manguito. La carga, la velocidad y la viscosidad de operacin del
lubricante afectan las caractersticas de friccin de un cojinete de
rodamiento. Probablemente no sea adecuado describir un cojinete de
rodamiento como antifriccin, pero este trmino se utiliza a menudo
en la industria.Los cojinetes de bolas resisten un empuje; adems
una unidad de empuje causa un dao diferente por revolucin al de una
carga radial unitaria, por lo que es necesario encontrar la carga
radial pura equivalente que cause el mismo dao que la carga radial
y de empuje existentes.Los cojinetes de rodillos cnicos presentan
algunas complicaciones, pero nuestra experiencia hasta ahora
contribuye a su comprensin.TIPOS DE COJINETESLos cojinetes se
fabrican para soportar cargas radiales puras, cargas de empuje
puras o una combinacin de ellas. La nomenclatura de un cojinete de
bolas se ilustra en la figura 11-1, en la que tambin se muestran
las cuatro partes esenciales de un cojinete.
Dichas partes son: el anillo exterior, el anillo interior, las
bolas o elementos rodantes y el separador. En los cojinetes
baratos, algunas veces se omite el separador, a pesar de que
realiza la importante funcin de aislar los elementos de manera que
no ocurra contacto de rozamiento entre ellos.En la figura 11-2 se
presentan algunos de los diversos tipos de cojinetes estandarizados
que se fabrican. El cojinete de una fila de ranura profunda estar
sujeto a carga radial, as como a cierta carga de empuje. Las bolas
se introducen en las ranuras, desplazando el anillo interior a una
posicin excntrica.
Las bolas se separan despus de la carga, para insertar a
continuacin el separador. La utilizacin de una ranura de llenado
(figura 11-2b) en los anillos interior y exterior permite que se
inserte un mayor nmero de bolas, lo que incrementa la capacidad de
carga. Sin embargo, disminuye la capacidad de empuje debido al
golpeteo de las bolas contra el borde de la ranura, cuando se
presentan cargas de empuje. El cojinete de contacto angular (figura
11-2c) proporciona una capacidad de empuje mayor.
En la figura 11-3 se ilustran algunos cojinetes de rodillos
estndar, de la gran variedad existente. Los cojinetes de rodillos
cilndricos (figura 11-3a) soportarn una carga mayor que los de
bolas del mismo tamao, debido a la mayor rea de contacto. Sin
embargo, presentan la desventaja de que requieren una geometra casi
perfecta de las pistas y rodillos. Un ligero desalineamiento
provoca que los rodillos se muevan oblicuamente y pierdan la
alineacin.Por esta razn, el retn debe ser grueso y resistente. Por
supuesto, los cojinetes de rodillos cilndricos no se disean ni
deben operar con cargas de empuje.Los rodillos helicoidales se
fabrican devanando material rectangular alrededor de la forma de
los rodillos, para despus endurecerlos y rectificarlos. Debido a la
flexibilidad inherente, soportan un desalineamiento considerable.
Si es necesario, el eje y el alojamiento se emplean como pistas en
vez de utilizar una pista interior y otra exterior separadas, lo
cual es muy importante si el espacio radial es limitado.VIDA DE LOS
COJINETES.Cuando rotan la bola o el rodillo de los cojinetes de
contacto, se desarrollan esfuerzos de contacto en el anillo
interior, en el elemento rodante y en el anillo exterior.Si un
cojinete est limpio y se lubrica de manera apropiada, si est
montado y sellado para evitar la entrada de polvo y suciedad, si se
mantiene en esta condicin y si se hace funcionar a temperaturas
razonables, entonces la fatiga del metal ser la nica causa de
falla. Puesto que la fatiga del metal implica muchos millones de
aplicaciones de esfuerzo que se han soportado con xito, se necesita
una medida cuantitativa de la vida. Las medidas comunes son: El
nmero de revoluciones del anillo interior (el anillo exterior est
inmvil) hasta que se presenta la primera evidencia tangible de
fatiga. El nmero de horas de uso a una velocidad angular estndar
hasta que se advierte la primera evidencia tangible de fatiga.La
medida de la vida de un cojinete individual se define como el nmero
total de revoluciones (u horas a una velocidad constante) de
operacin del cojinete hasta que se presente el criterio de falla.
Bajo condiciones ideales, la falla por fatiga consiste en el
descascarado de las superficies de soporte de la carga. La norma de
la American Bearing Manufacturers Association (ABMA) establece que
el criterio de falla es la primera evidencia de la fatiga. EFECTO
CARGA-VIDA DEL COJINETE A CONFIABILIDAD NOMINAL.Cuando se prueban
grupos de cojinetes nominalmente idnticos con el criterio
vida-falla a cargas diferentes, los datos se representan en grficas
como las de la figura 11-4, mediante una transformacin log-log.
Para establecer un punto individual, la carga F1 y la vida
nominaldel grupo uno (L10)1 son las coordenadas que se transforman
de manera logartmica. La confiabilidad asociada con este punto, y
todos los dems, es 0.90. De esta forma, se obtiene una visin
momentnea de la funcin del efecto carga-vida a una confiabilidad de
0.90. Mediante una ecuacin de regresin de la forma:
El resultado de muchas pruebas de varias clases de cojinetes es:
a = 3 para cojinetes de bolas a = 10/3 para cojinetes de rodillos
(rodillo cilndrico y cnico).5.1.2 BANDAS Y POLEAS.Los elementos de
mquinas flexibles, como bandas, cables o cadenas, se utilizan para
la transmisin de potencia a distancias comparativamente grandes.
Cuando se emplean estos elementos, por lo general, sustituyen a
grupos de engranajes, ejes y sus cojinetes o a dispositivos de
transmisin similares. Por lo tanto, simplifican mucho una mquina o
instalacin mecnica, y son as, un elemento importante para reducir
costos.BANDASSon elsticos y generalmente de gran longitud, de modo
que tienen una funcin importante en la absorcin de cargas de choque
y en el amortiguamiento de los efectos de fuerzas vibrantes.
Las bandas se distinguen por la forma de la seccin transversal,
por la construccin, material y tecnologa de fabricacin, pero el
rasgo ms importante que determina la construccin de las poleas y de
toda la transmisin, es la forma de la seccin transversal de la
correa.BANDAS PLANAS Las transmisiones de banda plana ofrecen
flexibilidad, absorcin de vibraciones, transmisin eficiente de
potencia a altas velocidades, resistencia a atmosferas abrasivas y
costo comparativamente bajo. stas pueden ser operadas en poleas
relativamente pequeas y pueden ser empalmados o conectados para
funcionamiento sinfn.
Las bandas planas de transmisin de potencia se dividen en tres
clases: Convencionales: bandas planas ordinarias sin dientes,
ranura o entalladura. Ranuradas o Entalladuras: bandas planas
bsicamente modificadas que proporcionan las ventajas de otro tipo
de producto de transmisin, por ejemplo, bandas en V. De mando
positivo: bandas planas bsicas modificadas para eliminar la
necesidad de fuerza de friccin en la transmisin de potencia. BANDAS
EN V.Las bandas en V son las ms utilizadas en la industria;
adaptables a cualquier tipo de transmisin. Se dispone de gran
variedad las cuales brindan diferentes tipos de peso de
carga.Normalmente las tensiones de bandas en V funcionan mejor a
velocidades de 8 a 30 m/s. Para bandas estndar la velocidad ideal
es de aproximadamente 23 m/s. Sin embargo hay algunas como las
bandas en V angostas que funcionan hasta a 50 m/s.
VENTAJAS: Las transmisiones de bandas en V permiten altas
relaciones de velocidad y son de larga duracin. Fciles de instalar
y remover, silenciosas y debajo mantenimiento. Las bandas en V
tambin permiten la absorcin de vibracin entre los ejes.DESVENTAJAS:
Por el hecho de estar sometidas al cierto grado de resbalamiento,
las bandas en V no deben ser utilizadas en casos que se necesiten
velocidades sincrnicas.Estas bandas en V siempre se fabrican en
secciones transversales estndar. BANDAS REDONDASLas bandas redondas
se utilizan en transmisiones de poca potencia, como maquinas de
oficina y enseres domsticos. Debido a la simetra de una seccin
redonda, es muy sencillo trabajar con ejes mltiples u oblicuos, por
lo que pueden ser tiles en aparatos con transmisiones
complicadas.
BANDAS ESLABONADASLa banda eslabonada puede cubrir ampliamente y
en forma satisfactoria la mayora de los requerimientos industriales
de bandas en "V". Absorben hasta el 90% de la vibracin, alargando
as la vida til de los dems componentes de la transmisin, mejorando
tambin la calidad del trabajo. Las bandas eslabonadas pueden
ajustarse a cualquier longitud y adaptarse en cualquier transmisin
con poleas en "V".
BANDAS DENTADASLas bandas dentadas moldeadas son la mejor y ms
rentable alternativa para la transmisin de potencia con banda en V.
El diseo de las ranuras moldeadas ofrece una disipacin inmediata
del calor generado durante la operacin de las transmisiones, pueden
circular con facilidad sobre poleas de dimetros pequeos.
POLEAUna polea, tambin llamada garrucha, carrucha, trocla,
trcola o carrillo, es una mquina simple que sirve para transmitir
una fuerza. Se trata de una rueda, generalmente maciza y acanalada
en su borde, que, con el curso de una cuerda o cable que se hace
pasar por el canal ("garganta"), se usa como elemento de transmisin
para cambiar la direccin del movimiento en mquinas y mecanismos.
Adems, formando conjuntos aparejos o polipastos sirve para reducir
la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.
La polea simple se emplea para elevar pesos, consta de una sola
rueda con la que hacemos pasar una puerta. Se emplea para medir el
sentido de la fuerza haciendo ms cmodo el levantamiento de la carga
entre otros motivos, porque nos ayudamos del peso del cuerpo para
efectuar el esfuerzo, la fuerza que tenemos que hacer es la misma
al peso a la que tenemos que levantar.
5.1.3 CADENAS Y CATARINAS.CADENASObjeto con eslabones,
originalmente la palabra cadena se ha utilizado para referirse a un
objeto constituido por una serie de eslabones, generalmente
metlicos, enlazados entre s.
Las cadenas junto con las bandas y engranes son las formas ms
comunes de transmitir potencia de un eje a otro. Una cadena es un
componente confiable de una mquina, que transmite energa por medio
de fuerzas extensibles, y se utiliza sobre todo para la transmisin
y transporte de energa en los sistemas mecnicos.
Placa exterior e interior Soporta la tensin que se ejerce en la
cadena. Sometidas a cargas de fatiga Se pueden presentar fuerzas de
choque. Soporta una gran fuerza extensible esttica y las fuerzas
dinmicas de las cargas de choque. Debe soportar condiciones
ambientales.Pasador Acta junto al casquillo como arco de contacto
de los dientes del pin. Soporta toda la fuerza de transmisin. Otros
Requerimientos: Resistencia a la flexin, Resistencia contra fuerzas
de choque.Casquillo Estructura slida Base cilndrica perfecta para
el rodillo: Duracin del rodillo en condiciones de alta
velocidadRodillo Sometido a la carga de impacto cuando esta en
contacto con los dientes del pin con la cadena. Se sostiene entre
los dientes del pin y del casquillo Se mueve en la cara del diente
mientras que recibe una carga de compresin. Su superficie interna
constituye una pieza del cojinete junto con la superficie externa
del casquillo Requerimientos: Resistencia al desgaste, contra
choques, fatiga y compresin.La tensin de la cadena de transmisin es
calculada dividiendo la energa transmitida (indicada en kilowatts o
caballos de fuerza) por la velocidad de cadena y multiplicndose por
un coeficiente adecuado. Para velocidades constantes tales como el
transportador horizontal, la tensin es seleccionada por los
factores:1. El coeficiente de friccin entre la cadena y el carril
cuando los objetos transportados se ponen en la cadena2. El
coeficiente de la friccin entre los objetos transportados y el
carril cuando los objetos transportados se llevan a cabo en el
carril y son empujados por la cadena.TIPOS DE CADENAS.1. CADENAS
PARA ELEVACIN.La forma comn para la cadena de elevacin es la que
consiste de eslabones ovalados, tal como se muestra en la figura
1.1. El otro tipo de cadena de este tipo es la de travesaos (Ver
figura 1.2) que tiene la particularidad que no se aplasta ni se
enreda tan fcilmente como la cadena comn.
2. CADENA PARA TRANSPORTE.Puede ser del tipo desmontable o de
unin por ganchos, ejemplo de esta se muestra en la figura 1.3, o
del tipo articulado de extremos cerrados, como la que es mostrada
en la figura 1.4.El diseo de los dientes de la catarina para este
tipo de cadenas se da en gran parte de forma emprica, teniendo
cuidado de que el diente posea una forma y un espaciado tal que, la
cadena entre y salga de la catarina con cierta suavidad y sin
interferencia, an despus de que por alguna circunstancia sea
estirada o que est presente desgaste.Las cadenas de esta clase
generalmente se utilizan a menudo para transmitir potencia a
velocidades bajas, como en el caso de la maquinaria agrcola. Por
ltimo, cabe mencionar que estas cadenas estn hechas de eslabones
fundidos de hierro maleable, y carecen de las cualidades de marcha
suave de las cadenas hechas ms cuidadosamente.
3. CADENAS DE TRANSMISIN DE POTENCIA.Las articuladas de
clavijas, de rodillos y silenciosa son los tres tipos conocidos de
esta clase de cadenas. Estos tipos de cadenas generalmente estn
elaboradas de acero, maquinadas con precisin, las partes que se
desgastan estn endurecidas, y corren sobre catarinas que estn
diseadas cuidadosamente.La figura muestra una cadena articulada de
clavijas. Las cadenas de este tipo se emplean para la transmisin de
fuerza a velocidades relativamente bajas, as como tambin en un
momento dado, se pueden emplear como cadenas de transporte.
4. CADENA DE RODILLOS.Est constituida por eslabones los cuales
son de dos tipos: eslabones de pernos y eslabones de rodillos.La
distancia lineal que existe entre los rodillos se le conoce como
paso y el ancho es una medida del espacio interior entre placas de
eslabn (Figura 1.6).
CATARINA En mecnica, se llama rueda catalina, o catalina a
secas, a la que, con fines mecnicos, est provista de pequeos o
grandes dientes puntiagudos.La de dientes agudos y oblicuos que
hace mover el volante de cierta clase de relojes.TIPOS DE RUEDAS
CATARINAS.Las cadenas, en la transmisin de potencia, conducen y son
conducidos por ruedas dentadas denominadas ruedas catarinas. Las
ruedas dentadas de esta clase se presentan principalmente en cuatro
tipos de estndares: El tipo A no tiene cubo, el tipo B tiene cubo
de un lado, el tipo C presenta cubo de ambos lados y el tipo D
posee un cubo desmontable, a continuacin se muestran ejemplos de
estas divisiones de ruedas. TIPO A TIPO B TIPO C TIPO D
Seleccin de la cantidad de dientes de la Catarina Con el fin de
que la rueda dentada tenga una larga vida y una operacin suave se
recomienda que el nmero de dientes sea mayor a 17 pero menor a 67.
En los casos en que por limitacin de espacio o se est trabajando a
velocidades bajas se puede utilizar ruedas con una cantidad menor a
17 dientes. Otra recomendacin es que con la seleccin de las ruedas,
no debe de exceder de 7 la relacin de velocidad.Bases para la
seleccin de una transmisin por cadena Las variables importantes son
el paso de la cadena, tamao y la velocidad de giro de la rueda
dentada ms pequea. La lubricacin es de fundamental importancia para
la operacin satisfactoria de una transmisin por cadena. Los
fabricantes, cabe mencionar, recomiendan el tipo de mtodo de
lubricacin para combinaciones particulares de tamao de cadena,
tamao de rueda dentada y velocidad. Por otro lado, existen tablas
donde se muestra la potencia indicada para distintos tamaos de
cadena estndar.APLICACIONES.Una de las aplicaciones ms importantes,
es la transmisin del movimiento desde el eje de una fuente de
energa, como puede ser un motor de combustin interna o un motor
elctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de
realizar un trabajo.
5.1.4 COPLESLos coples y conexiones con extremos ranurados son
la parte medular para la unin de tuberas y accesorios en una gran
variedad de sistemas. Los coples se han diseado para proveer juntas
o uniones autocentrantes, que se adaptan a las fuerzas internas o
externas de presin o vaco, vibraciones, contracciones o
expansiones, etc.
El cople ejerce una fuerza de unin alrededor de toda la
circunferencia de la tubera y evita la separacin de ambos extremos
en una forma proporcional a las fuerzas de presin ejercidas hasta
su mxima presin de trabajo de diseo.CARACTERISTICASLas mejores
propiedades de los coples se deben principalmente a sus
caractersticas de rigidez o flexibilidad. Cuando se requieren
uniones sin movimiento se utilizan los coples rgidos que en el
diseo interior de la carcasa cuenta con unos seguros o rebordes
dentados que oprimen fuertemente la tubera o conexin fijndolos en
ambos extremos, haciendo la unin firme, adems de que el cuerpo de
la carcasa llena perfectamente el espacio de la ranura no
permitindole movimiento alguno. Este tipo de cople se recomienda en
largas secciones continuas de tubera o a cierta altura.ELEMENTOS
DEL COPLE.El cople est conformado bsicamente por: A) Una carcasa de
hierro en dos piezas que se ajustan alrededor de toda la
circunferencia de la tubera o conexin, haciendo la unin y evitando
la separacin de los extremos, teniendo adems como funcin la de
contener al empaque contra las fuerzas internas o externas del
sistema de presin o vaco. Se puede fabricar en hierro dctil de
acuerdo a la norma ASTM A-536 Grado 65-45-12, o en hierro maleable
de acuerdo a ASTM A-47 Grado 32510. Los coples se ofrecen con un
recubrimiento exterior con una base de pintura antimoho y corrosin
sin plomo en color naranja, que los protege durante su
almacenamiento o el tiempo que el material se encuentre en obra
para su instalacin. Sin embargo cuando el medio ambiente donde se
van a instalar es altamente corrosivo se cuenta con material con
recubrimiento galvanizado por inmersin en caliente o en acero
inoxidable.B) El empaque que se fabrica a base de un elastmero
elstico en una sola pieza con un diseo nico en forma de "C" de
acuerdo a la norma ASTM A-2000, y que ofrece un sello a prueba de
fugas sin importar si el sistema opera a presin o al vaco. Los
"labios" del empaque se ajustan alrededor de la tubera y por el
efecto del flujo en el mismo sistema se adhieren haciendo el
sellado de la instalacin.C) Los tornillos y tuercas hexagonales
cuya funcin es la de asegurar las dos secciones de la carcasa, con
un diseo oval en la base del cuello del tornillo para utilizar
nicamente una llave para ajustar la tuerca, se fabrican de acuerdo
a la norma ASTM A-183 Grado 2 en acero al carbn para resistir una
fuerza tensl mnima de 110,000 psi. Estos se ofrecen con un
recubrimiento estndar a base de zinc, en caso de ambientes
altamente corrosivos se pueden ofrecer en acero inoxidable.
5.1.5 CABLES.Se llama cable a un conductor o conjunto de ellos
generalmente recubierto de un material aislante o protector,
existen varios tipos de cables, desde los metlicos y de aceros que
son empleados para esfuerzos, hasta los de transmisin que se
emplean en el mundo de la informtica.CABLES METLICOS.Los cables
metlicos se fabrican en dos tipos de arrollamientos, como se
ilustra en la figura 17-19. El torzal regular, que es el estndar
aceptado, tiene el alambre enrollado en una direccin para
constituir los toroides y los toroides torcidos en la direccin
opuesta, a fin de formar el cable. En el cable terminado, los
alambres visibles estn colocados casi paralelos al eje del cable.
Los cables de torzal regular no se tuercen y son fciles de
manejar.Los cables de torzal Lang tienen los alambres en el toroide
y los toroides en el cable torcido en la misma direccin, de aqu que
los alambres exteriores estn en diagonal a travs del eje del cable.
Los cables con torzal Lang son mas resistentes al desgaste abrasivo
y a la falla por fatiga que los cables con torcido regular, pero es
mas probable que se retuerzan y dejen de entrelazarse.Los cables
estndares se fabrican con ncleo de camo que soporta y lubrica los
toroides. Cuando el cable se somete a calor, se debe emplear un
centro de acero o un toroide de alambre.Los cables de acero se
designan, por ejemplo, como cable de arrastre de 118 pulg. de 6 7.
El primer numero corresponde al dimetro del cable (figura 17-19c).
El segundo y el tercero son los nmeros de toroides y de alambres en
cada toroide, respectivamente. En la tabla 17-24 se enumeran
algunos de los diversos tipos de cables disponibles, junto con sus
caractersticas y propiedades. El rea del metal en cables estndar de
izar y de arrastre es .
Cuando un cable metlico pasa alrededor de una polea, se produce
cierto reajuste de los elementos. Cada uno de los alambres y
toroides debe deslizarse sobre otros y puede ocurrir alguna flexin
individual. Es probable que en esta accin compleja exista alguna
concentracin de esfuerzo. El esfuerzo en uno de los alambres de un
cable que pasa alrededor de una polea puede calcularse como sigue.
De la mecnica de slidos, se tiene que y Donde las cantidades tienen
el significado habitual. Eliminando M y despejando para el
esfuerzo, se obtiene
Para el radio de curvatura , se sustituye el radio de la polea
D/2. Asimismo, , donde es el dimetro del alambre. Estas
sustituciones dan
Donde es el mdulo de elasticidad del cable, no del alambre.La
tensin de un cable metlico que da el mismo esfuerzo de tensin que
la flexin de la polea se llama carga de flexin equivalente , la que
se determina mediante
Un cable metlico puede fallar si la carga esttica excede la
resistencia ltima del cable. Por lo general, la falla de esta
naturaleza no se atribuye al diseador, sino al operador al permitir
que el cable se someta a cargas para las que no fue diseado.La
primera consideracin al seleccionar un cable metlico consiste en
determinar la carga esttica, que se compone de los siguientes
puntos: El peso conocido o muerto Cargas adicionales causadas por
paros o arranques repentinos Cargas de impacto Friccin del cojinete
de la poleaCuando se suman estas cargas, el total se compara con la
resistencia ltima del cable para determinar el factor de seguridad.
Sin embargo, la resistencia ultima que se utiliza en esta
determinacin se debe reducir debido a la perdida de resistencia que
ocurre cuando el cable pasa sobre una superficie curva, como una
polea estacionaria o sobre un pasador.5.2 MATERIALES UTILIZADOS EN
INGENIERA.
