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Teoría de transmisión de mecanismos

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Teoria mecanismos Teoria mecanismos Presentation Transcript

  • IES. JOSÉ ISBERT CURSO 12-13 UU.DD. 3 LOS MECANISMOSDPTO. DE TECNOLOGÍA Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 1.- IntroducciónPara realizar cualquier tarea, los seres humanos pueden utilizar simplemente la fuerza de susmúsculos o emplear determinados dispositivos que disminuyan la fuerza necesaria para llevar acabo dicha tarea. Por ejemplo, para transportar una carga pesada, se puede utilizar directamentela fuerza de los brazos o una carretilla, con lo que el esfuerzo que se tiene que hacer es menor. Por tanto, una máquina es un instrumento que transforma las fuerzas que sobre ella se aplican afin de disminuir el esfuerzo necesario para llevar a cabo una tarea.El hombre ha usado las máquinas desde la antigüedad.Máquinas como la rueda eran conocidas por el hombre desdehace más de 5000 años.De ello dan muestra figuras como la que se presenta quepone de manifiesto que la industria del juguete es másantigua de lo que se cree ya que desde hace varios milenios, ya se usaba la rueda en los juguetes de los niñosEl primero que expuso las teorías del funcionamiento de las máquinas fue Arquímedes, sabio griegodel siglo III a.C. A él se debe la famosa frase “dadme un punto de apoyo y moveré el mundo”,refiriéndose a la palanca. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • También los romanos usaron máquinas simples. Una deellas, que todavía se emplea en la actualidad es la básculadenominada “romana”. Está basada en una palanca y es muy similar a unbalancín, cuyos brazos son desiguales. En el más corto hayun platillo donde se pone la mercancía a pesar. El máslargo tiene una pesa que puedes deslizar sobre él y llevamarcadas las unidades de peso.Su funcionamiento es el siguiente: una vez puesta en elplato la mercancía a pesar, con una mano se sujeta laromana por el punto de giro de la palanca y con la otramano se mueve la pesadeslizante hasta lograr que la barra quedeperfectamente horizontal. Cuando se queda quieta, sehace la lecturasobre la escala que lleva grabadas las unidades de peso. Las modernas y complejas máquinas de nuestros días nos asombran por su capacidad de trabajo. Sin embargo, no son nada más que la hábil e inteligente combinación de un conjunto de elementos más simples. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 2.- PalancasUna palanca es un dispositivo muy sencillo que consiste en una barra rígida que puede giraren torno a un punto determinado, el cual recibe el nombre de punto de apoyo o fulcro.En una palanca podemos distinguir los siguientes elementos: el punto de apoyo o fulcro, lapotencia, la resistencia, el brazo de potencia y el brazo de resistencia. Potencia R P Apoyo Resistencia Brazo de potencia Brazo de resistencia A Bp Br La fuerza que se aplica al extremo de la palanca se llama potencia (P). Es la fuerza que debemos aplicar  El peso que se va a levantar se llama resistencia (R). El punto donde se apoya la palanca se llama punto de apoyo o fulcro (A).  La longitud de la palanca desde el punto de apoyo hasta donde se aplica la potencia se llama brazo de potencia (Bp). La distancia entre el punto de apoyo y el punto donde se aplica la resistencia se llama brazo de resistencia (Br). Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 2.1.- Tipos de palancasExisten tres tipos de palancas. Se diferencian entre sí por la situación de los elementos que lascomponen (fulcro, potencia y resistencia)Son palancas de primer género las que tienen el Potenciapunto de apoyo entre la potencia y la Resistenciaresistencia. Ejm; alicates (aquí, el punto deapoyo está situado entre la potencia (mangos) yla resistencia (hojas de corte) ApoyoSon palancas de segundo género las que tienen Resistenciala resistencia entre el punto de apoyo y lapotencia. Ejm: carretilla (aquí la potencia esaplicada sobre los mangos de la carretilla. Elpunto de apoyo estará situado en el eje de giro Potenciade la rueda y la resistencia es la carga de la Apoyocarretilla).Son palancas de tercer género las que tienen la Potenciapotencia entre el punto de apoyo y laresistencia son Ejm: pinzas (aquí, el punto deapoyo está en el extremo que une sus brazos, la Resistenciaresistencia en el extremo donde se sujeta el Apoyoobjeto y la potencia se aplica entre ambos). Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 2.2.- Ley de equilibrio de la palanca Un dato muy importante cuando trabajamos con palancas es la distancia a la que está situado cada peso del punto de giro de la palanca. En un balancín, cuyo punto de giro está en el centro de la barra, la persona de mayor peso levantará a la más ligera, pero si pudiéramos aumentar la longitud de la barra donde está sentada la persona más ligera, sucedería lo contrario, la ligera levantaría a la pesada.La ley de equilibrio de la palanca establece que la potencia P · B p = R · Brpor su brazo es igual a la resistencia por el suyo.Ejm: Juan pesa 80 Kg y está a 1m del punto de giro del balancín,y Luis, que pesa 40 Kg, está situado a 2 m del punto de giro. Eneste caso, la palanca está equilibrada, ya que 80x1 es igual a40x2.¿Qué sucederá si Luis se aleja del punto de giro del balancín?.Llegará un momento en que conseguirá levantar a Juan, aunquepesa mucho menos. Tanto en las palancas de 1er como de 2º género se ahorra esfuerzo, por ejm. en un balancín se pueden montar dos chicos uno con mayor peso que otro. Para que puedan balancearse el chico de mayor peso tendrá que situarse más cerca del punto de apoyo, es decir, disminuir el brazo de resistencia y aumentar el brazo de potencia. De la misma manera, en una carretilla el brazo de potencia es mayor que el de resistencia, con lo que conseguiremos, una vez más, transportar grandes cargas con menos esfuerzo. En el caso de las palancas de 3ergénero no se aumenta el efecto de la potencia aplicada, pues el brazo de potencia siempre es menor que el transformación de movimiento Unidad 4. Transmisión y brazo de resistencia.
  • 3.- Poleas y PolipastosLas poleas son operadores mecánicos formados por una rueda acanalada por la que pasa una cuerdadenominada correa. La polea gira alrededor de un eje que la atraviesa por el centro.Existen dos tipos básicos: fijas y móviles. Además, al conjunto formada por poleas fijas y móviles sele conoce con el nombre de polipasto La polea fija consiste en una rueda con un canal en su periferia por donde pasa una cuerda. En un extremo de la cuerda se coloca un peso, que será la resistencia R, y en el otro se aplica la fuerza necesaria para elevarlo o potencia P. En realidad, la polea, es un caso especial de palanca. En ella, el brazo de potencia y el de resistencia son radios de la circunferencia de la polea. El fulcro es el eje alrededor del cual gira la polea. Según la ley de equilibrio de la palanca: Pxa=Rxb Siendo a y b el radio de la polea, por lo que: Pxr=Rxr Por tanto: P=R F Lo que supone que no ahorramos esfuerzo. Por tanto, la utilidad de la polea fija reside en que para elevar una R carga se puede cambiar la dirección del esfuerzo. La fuerza se ejerce hacia abajo y no hacia arriba, con lo que se aprovecha el peso del propio cuerpo y resulta más cómodo elevar la carga, aunque el esfuerzo es el mismo. Es decir, las poleas fijas no reducen el esfuerzo necesario, pero F=R facilitan el trabajo. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • El polipasto más sencillo consta de dos poleas: una fija sujeta a un soporte pormedio de un gancho y una móvil conectada a la primera mediante una cuerda.La potencia es la fuerza que se aplica en el extremo libre de la cuerda, y laresistencia es el peso que se trata de elevar con este dispositivo y que cuelga deleje de la polea móvil.Si consideramos que las cuerdas son paralelas, podemos observar que cuando el Fextremo en el que aplicamos la fuerza P baja una distancia H, la polea móvil se Rdesplaza una altura H/2, dado que la distancia inicial H se reparte entre los dosramales de la cuerda que sostienen la polea móvil. RAplicando la ley del equilibrio de las máquinas simples: F= 2Trabajo del motor = Trabajo resistente,tendremos que: P x H = R x H/2Despejando RxH Poleas fijas P= 2xHY por lo tanto: R P= Poleas móviles 2Con el polipasto se puede levantar el doble de peso haciendo el mismo esfuerzo . En el caso general de cualquier polipasto la fuerza R necesaria para subir una carga (Potencia) se obtiene F= dividiendo el peso de la carga (Resistencia) entre el 2n doble del número de poleas móviles. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 3.1.-Transmisión de fuerza y movimiento Las poleas y polipastos nos permiten además de ahorrar esfuerzo, transmitir el movimiento entre ejes situados a cierta distancia uno de otro. La transmisión puede ser por fricción de una polea con la otra, (en cuyo caso girarán en sentido contrario), o a través de una correa, (en cuyo caso giran en el mismo sentido). Cualquier mecanismo de transmisión está formado por un elemento conductor, que es el que introduce el giro en el sistema (elemento de entrada), y un elemento Transmisión conducido (elemento de salida), que es el que recibe el giro. Así, tendremos una por fricción clasificación de los mecanismos de transmisión en función de la velocidad del elemento de salida:a) Mecanismos reductores: La velocidad del elemento de salida es menor que la del de entrada.b) Mecanismos amplificadores: La velocidad del elemento de salida es mayor que la del de entrada. Transmisiónc) Mecanismos neutros: La velocidad del elemento de salida es igual que la del de por correa entrada. Para cambiar el sentido de giro de dos poleas unidas por una correa, ésta se coloca cruzada. Transmisión entre ejes paralelos Transmisión entre ejes que se cruzan Correa abierta. Mismo sentido Correa cruzada. Sentido contrario Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 3.1.1.-Ecuación de transmisión de movimiento. Relación de transmisión. En una transmisión de movimiento por poleas el diámetro de las mismas influye en la velocidad de giro. Las poleas del mismo diámetro giran a la misma velocidad, pero si una de las poleas tiene un diámetro menor tendrá que dar más vueltas. La velocidad de giro de poleas, engranajes y demás elementos de revolución se expresa en rpm (revoluciones por minuto), y su valor es el número de vueltas que da el mencionado elemento en un minuto de tiempo. En un sistema de transmisión de movimiento por poleas se cumple la siguiente igualdad: d1 ⋅ n1 = d 2 ⋅ n2 Siendo: n1 = Número de rpm de la polea 1 D1 = Diámetro de la polea 1 n2 = Número de rpm de la polea 2 D2 = Diámetro de la polea 2Despejando de la ecuación anterior, tenemos dos ecuaciones para calcular la relación de transmisión “i”: d1 n2 i = rt = i = rt = d2 n1Esta magnitud es adimensional, es decir, no tiene unidades. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 3.1.2.- Tren de mecanismos:En el caso de que necesitemos aumentar o disminuir en una cantidad elevada la velocidad degiro de las poleas, sería preciso utilizar poleas de gran diámetro, lo cual a nivel práctico noresultaría posible pues o bien las poleas patinarían o bien la correa se saldría de su canal. Enestos casos hay que recurrir a los llamados trenes de mecanismos. Se trata de sucesionesde mecanismos de transmisión, unidos unos a continuación de los otros, de tal forma que larelación de transmisión que se logra al final del mecanismo es muy grande. Estos trenesestán formados por más de dos ruedas de tal manera que al menos dos de ellas giransolidariamente.En estos casos se calculan las relaciones de transmisión de cada pareja de poleas porseparado. La relación de transmisión final, (es decir, aquella que existe entre la última poleay la primera) es igual al producto de las relaciones de transmisión parciales. d1 1 Se trata de un mecanismo reductor de i1, 2 = = velocidad. Por cada vuelta que da la polea d2 2 2, la 1 da dos. d3 1 Se trata de un mecanismo reductor de i3, 4 = = velocidad. Por cada vuelta que da la polea d4 2 4, la 3 da dos. d d Se trata de un mecanismo 1 1 1 it = i1, 4 = i1, 2 ⋅ i3, 4 = 1⋅ 3 = ⋅ = reductor de velocidad. Por d2 d4 2 2 4 cada vuelta que da la polea 4, la 1 da cuatro. Hemos reducido en 4 veces la velocidad de giro inicial, es decir, si inicialmente giraba por ejemplo a 40 rpm, la Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento polea girará a 10 rpm. última
  • 4.-Engranajes  Al transmitir esfuerzos elevados las poleas pueden patinar, con lo que se pierde velocidad de giro y esfuerzo de transmisión. Esto se puede evitar dotando a las poleas de un dentado exterior, con lo cual tendríamos un sistema de transmisión de movimiento por ruedas dentadas denominadas engranajes. Engranajes: Poleas no patinan pueden patinarLos engranajes son ruedas dentadas en las que los dientes de la rueda conductora encajan con losde la conducida, con lo cual se transmite el movimiento de giro. Los engranajes suelen estarfabricados de acero, y son sistemas que pueden transmitir grandes potencias. Al elemento que transmite o inicia el movimiento se le llama conductor, motriz o impulsor y al que lo recibe conducido, resistente o seguidor. Al igual que sucedía en el caso de las poleas, el sentido de giro de los engranajes en transmisión directa es contrario uno del otro. En el caso de una transmisión por cadena el sentido de giro será el mismo. Conducido Sistema de transmisión directa Sistemas de transmisión por cadena Conductor Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 4.1.- Tipos de engranajes  Cilíndricos helicoidales: son ruedas cilíndricas provistas de dientes Cilíndricos rectos: son de forma inclinados en forma de hélice. Su cilíndrica con los dientes rectos funcionamiento es más suave y respecto al eje del engranaje. Se silencioso que el de los engranajes emplean para transmitir rectos. Con ellos se puede movimiento entre ejes paralelos. transmitir movimiento entre ejes Son capaces de transmitir grandes paralelos o entre ejes que se potencias, pero son ruidosos. cruzan. Son los que se montan en las cajas de cambio de los automóviles.  Cónicos: su forma es la de un tronco de cono dentado en el  Sinfín-corona: están exterior. Se emplean para formados por un tornillo que transmitir movimiento entre engrana con una rueda ejes que se cruzan. dentada. Se emplean para grandes reducciones de De espigas y de tipo linterna: son velocidad (la relación de engranajes empleados desde la transmisión que se obtiene Antigüedad dada su facilidad de es muy alta). Se puede fabricación comparada con otros transmitir el movimiento del tipos. En la actualidad están casi en tornillo a la rueda, pero no a desuso. la inversa. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 4.2.- Ecuación de transmisión de movimeinto. Relación de transmisión:  En un sistema de transmisión de movimiento por engranajes se cumple la siguiente igualdad: n1 ⋅ z1 = n2 ⋅ z 2 Siendo: n1 = Número de rpm del engranaje 1 z1 = número de dientes del engranaje 1 n2 = Número de rpm del engranaje 2 Si Rt>1 => Sistema multiplicador z2 = número de dientes del engranaje 2 Si Rt<1 => Sistema reductor Despejando de la ecuación anterior, tenemos dos ecuaciones para calcular la relación de transmisión : z1 n2 i = rt = i = rt = z2 n1 Esta magnitud es adimensional, es decir, no tiene unidades. Del mismo modo que en el caso de las poleas, si queramos aumentar o reducir la velocidad de los engranajes de forma considerable debemos recurrir a los trenes de mecanismos. De este modo, la reducción o ampliación de velocidad se produce “a golpes”. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 5.- Mecanismos de transformación de movimiento A veces es necesario, además de la transmisión de movimientos, la transformación de los mismos. En las poleas y engranajes vistos hasta ahora, el movimiento circular se transforma en otro movimiento también circular, sin embargo hay otros mecanismos que transforman el movimiento circular en rectilíneo o viceversa. Algunos de ellos son:5.1.-Tornillo-tuercaTransforma un movimiento circular en un movimiento lineal. Caben dos posibilidades: •Cuando el tornillo si se desplaza •Cuando el tornillo no se puede longitudinalmente y la tuerca u orificio desplazar longitudinalmente. Su giro roscado no. Ejms: tornillo de banco, provoca el desplazamiento de una grifo, tapones de botellas….etc. tuerca. Ejms: barra de pegamento, pintalabios,….etc. Giro AvanceNo se trata de un mecanismo reversible, es decir, no podemos aplicarle un movimiento longitudinal yobtener uno giratorio. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 5.2.-Piñón-cremalleraEste mecanismo consta de una rueda dentada (piñón) y de una barra, también dentada (cremallera),que encaja con el piñón. PiñónSe trata de un mecanismo reversible. Cremallera•El funcionamiento más usual consiste en que el •En algunos casos la cremallera puedepiñón arrastre a la cremallera, transformando un funcionar como elemento motor.movimiento circular en un desplazamiento linealSu utilidad práctica suele centrarse solamente en la conversión de giratorio en lineal, siendo muyapreciado para conseguir movimientos lineales de precisión (caso de microscopios u otrosinstrumentos ópticos como retroproyectores), desplazamiento del cabezal de los taladrossensitivos, movimiento de puertas automáticas de garaje, sacacorchos,regulación de altura de lostrípodes, movimiento de estanterias móviles empleadas en archivos, farmacias, bibliotecas….etc.. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 5.3.-Mecanismo biela-manivelaEl mecanismo biela-manivela está compuesto, comosu nombre indica, por dos elementos unidosmediante una articulación: la biela, que es unabarra rígida, y la manivela. Además suele existir unsoporte para apoyar la manivela.Se trata de un mecanismo reversible, ya que se Manivela Biela Cruceta Patínemplea o bien para transformar un movimientocircular en rectilíneo alternativo (dando vueltas aleje, la biela generaría un movimiento rectilíneoalternativo), o bien para transformar un movimientorectilíneo alternativo en circular (empujando con unpistón la biela para hacer girar el eje). En realidad no se usan mecanismos Similitud de funcionamiento del que empleen solamente la manivela y mecanismo biela-manivela con el de la la biela, pues la utilidad práctica pierna del ciclista y el pedal de la exige añadirle algún operador más bicicleta. como la palanca o el émbolo, siendo estas añadiduras las que permiten funcionar correctamente a máquinas tan cotidianas como: motor de automóvil, limpiaparabrisas, rueda de afilar, máquina de coser, antiguas locomotoras de vapor, compresor de pistón, sierras automáticas,…..etc Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 5.4.-Cigüeñal y excéntrica circularCigüeñal. Consiste en una serie de mecanismos biela- Excéntrica circular. Consiste en una ruedamanivela que funcionan de forma simultánea. Con él se cuyo eje de giro no coincide con su centroconsigue que la transmisión de la potencia sea más geométrico. Es una variante del mecanismouniforme, ya que se eliminan los puntos muertos. biela-manivela, que se emplea para transformar el movimiento circular en rectilíneo. C C A = Apoyos A A C = Codos Eje A Biela C C Excéntrica Cilindro Volante de inerciaAplicación del cigüeñal: Pistónmotor de un cilindro Biela Aplicación del mecanismo excéntrico circular Soportes a una sierra mecánica Cigüeñal Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 5.5.-LevasLevas. El mecanismo completo está formado por:a)la leva: Es siempre la que recibe el movimiento giratorio a través del eje en el que está montada.b)un seguidor (o palpador): Se apoya directamente sobre el perfil de la leva y se mueve a medidaque ella gira. Para conseguir que el seguidor esté permanentemente en contacto con la leva esnecesario dotarlo de un sistema de recuperación (normalmente un muelle o un resorte). Se trata de un mecanismo no reversible ya que permite obtener un movimiento lineal alternativo a partir de uno giratorio, pero no permite obtener el giratorio a partir de uno lineal alternativo. Seguidor Leva Rueda-guía Eje DE DISCO Este mecanismo se emplea en: motores de automóviles (para la apertura y cierre de las válvulas), programas de lavadoras (para la apertura y cierre de los circuitos que gobiernan su funcionamiento), carretes de pesca (mecanismo de avance-retroceso del carrete), cortapelos, depiladoras, cerraduras, …..etc. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento
  • 6.- Elementos auxiliares.- Los mecanismos que hemos visto no son los únicos que podemos encontrar en las máquinas. Hay muchos otros con formas y características variadas. Veamos algunos: 6.1.- Trinquete. Básicamente está formado por una rueda dentada y una uñeta o pieza móvil, en forma de gancho.•La rueda dentada posee unos dientes inclinados especialmente diseñados para desplazar a la uñetadurante el giro permitido y engranarse con ella cuando intenta girar en el sentido no permitido.•La uñeta hace de freno, impidiendo el giro de la rueda dentada en el sentido no permitido.Se utiliza como limitador del sentido de También tiene otragiro. Ejms: en frenos de mano de automóviles, utilidad y espara fijar persianas, rueda trasera de las convertir unbicicletas, cabestrantes de barcos,…… etc. movimiento lineal u oscilante en intermitente. Se emplea de ese modo en los gatos de elevación de coches, relojes, mecanismos de tracción manual, Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento …..etc.
  • 6.2.- Frenos. Su misión es reducir la velocidad o detener completamente un objeto animado de movimiento. Tipos: •De zapatas: La reducción de la velocidad se consigue cuando una o dos zapatas, entran en contacto con un tambor de frenada que gira simultáneamente con el objeto que queremos frenar. •De disco: Constan de unas pastillas y un disco acoplado al elemento que desea frenar. •De cinta: Consta de una cinta metálica o fleje que presiona un tambor acoplado al eje que desea frenar. 6.3.- Embragues y sistemas de acoplamiento. •Embragues de fricción: Permiten el acoplamiento y desacoplamiento de ejes y árboles de transmisión. Se realiza por la fricción por de dos superficies en contacto. •Embragues dentados: Tiene lugar por el acoplamiento de los dientes en los dos partes de lo ejes a unir. •Acoplamientos fijos: Para unir ejes y árboles acoplados permanentemente, los ejes deben de estar perfectamente centrados. •Acoplamientos móviles: Para unir árboles que pueden desplazarse o formar ángulo entre sí. Ej. Juntas Oldham y Juntas Cardan. 6.3.- Ejes y cojinetes.Los ejes son elementos cilíndricos que giran y sobre los quese montan ruedas u otros mecanismos (engranajes, poleas,….etc). El montaje de los elementos sobre ellos se puederealizar de forma que les sean solidarios o a través decojinetes para que puedan girar libremente.La mayoría de los cojinetes están formados por doscilindros concéntricos entre los que se colocan unas bolas ocilindros metálicos. Unidad 4. Transmisión y transformación de movimiento