0 1. Acoplamientos entre árboles. Elementos auxiliares de máquinas. Además de los elementos mecánicos transformadores y transmisores del movimiento anteriormente estudiados, las máquinas disponen también de otros elementos denominados, genéricamente, elementos auxiliares, que facilitan un funcionamiento idóneo de todo el conjunto. Los principales se muestran en la tabla. Para que las máquinas o sistemas técnicos puedan funcionar adecuadamente, deberán disponer de otros elementos, llamados elementos auxiliares. Estos elementos facilitan el buen funcionamiento y el control de todos los mecanismos de una máquina, por lo que su elección es un factor muy importante a tener en cuenta para optimizar el rendimiento, garantizar el buen funcionamiento y facilitar la durabilidad del sistema técnico. Con la aparición de nuevas técnicas de fabricación, mucho más precisas, así como nuevos materiales y recubrimiento de piezas, estos dispositivos han mejorado considerablemente en los últimos años.
1 Elementos auxiliares de máquinas. Ver de la Web el archivo flash sobre el esquema de una caja de cambios.
2 2. Acumuladores de energía. A Volante de inercia Volante de inercia. Los acumuladores de energía son aquellos elementos capaces de almacenar un tipo de energía y suministrarla posteriormente. El estudio se va a centrar en acumuladores mecánicos de energía. Los más utilizados son el volante de inercia y los elementos elásticos. El movimiento irregular de un eje o árbol se puede producir cuando la fuerza que origina el movimiento no es constante, como es el caso de los motores de combustión interna. Las irregularidades del giro se evitan gracias a la inercia de este volante, que frena el giro del eje cuando tiende a acelerarse y le obliga a girar cuando tiende a detenerse. Con ello se consigue un giro más uniforme en el árbol de salida de la máquina. El exceso de energía (DW) que absorbe el volante de inercia se traduce en una variación de la velocidad angular entre wmin y wmáx, según la expresión: DW = ½ · I · w2máx – ½ · I · w2min = ½ · I · (w2máx – w2min) Siendo: I = momento de inercia (kg · m2). w = velocidad angular en radianes/segundo (rad/s). Esta acumulación de energía trae como consecuencia una variación de la energía cinética (energía debida al movimiento). Si la velocidad media de rotación es: wmed = (wmáx + wmin) / 2
3 Se denomina grado de irregularidad o coeficiente de fluctuación al cociente: Cf = (wmáx – wmin) / wmed que es la relación entre el incremento de la velocidad angular y la velocidad angular media. La velocidad media vendrá impuesta por la velocidad de régimen de la máquina o vehículo a que esté conectado el volante. Los valores de los coeficientes de fluctuación (Cf) se muestran en la tabla. De esta manera, la variación de energía se puede poner como: DW = I · w2med · Cf Ejemplos: 1º. Calcula el momento de inercia que debe tener un volante que se acopla a una máquina punzonadora de chapa si el número de revoluciones del eje, donde se encuentra colocado el volante, es de 600 rpm y exceso de energía es de 10.000J. Tomar Cf = 0,2. (Solución: I = 1,27 kg·m2). 2º. Determina el número de revoluciones por minuto (rpm) máximo y mínimo de la máquina punzonadora del ejemplo anterior. (Solución: wmáx = 660 rpm; wmin = 540 rpm). Actividades: 1º. El motor de una máquina-herramienta, cuyo giro es de 2.000 rpm tiene acoplado un volante de inercia de 40 cm de diámetro con una masa de 600 g. Calcula: a.) El momento de inercia del volante. (Solución: I = 0,012 kg·m2). b.) Energía cinética media del volante. (Solución: Ec= 263,19 J). c.) Número de revoluciones máximas y mínimas de la máquina. (Solución: 2.030 y 1.970 rpm). d.) Energía que debe absorber el volante de inercia. (Solución: E = 15,79 J).
4 B Elementos elásticos Elementos elásticos sometidos a distintos tipos de esfuerzos. Son aquellos elementos que se deforman por la acción de una fuerza y, una vez que ésta ha desaparecido, recuperan su forma inicial. En las máquinas se utilizan elementos elásticos para recuperar la posición inicial de los diversos órganos móviles cuando cesa la fuerza, o para absorber vibraciones y esfuerzos bruscos. Los elementos elásticos pueden trabajar a tracción, compresión, flexión y torsión. Los más importantes se muestran en la tabla adjunta.
5 3. Elementos disipadores de energía Tipos de frenos más importantes. Se denominan elementos disipadores de energía a los que tienen la misión de reducir o parar el movimiento de uno o varios elementos mecánicos cuando sea necesario. En la práctica, se emplean para detener elementos mecánicos que giran, transformando su energía cinética (mecánica) en energía calorífica por medio de fricción entre dos piezas. A estos elementos se les conoce con el nombre de frenos. Los tipos de frenos más importantes son los que aparecen en la tabla. Ver de la Web los archivos flash sobre: Frenos de disco. Frenos de tambor.
6 4. Embrague Embragues más utilizados. Es un elemento de máquinas que se encarga de transmitir, a voluntad del usuario, el movimiento entre dos ejes alineados. Uno de ellos recibe el movimiento del motor (árbol motriz) y el otro está acoplado al árbol de salida, que transmite el movimiento a los demás órganos. Cuando el embrague produce la transmisión entre ambos árboles, se dice que está en posición de embragado. Por el contrario, si no se transmite movimiento entre los árboles, se dice que está desembragado. Los embragues más utilizados son los de dientes, de fricción e hidráulicos. Ver de la Web los archivos flash sobre: Embrague centrífugo. Embrague de garras. Embrague hidrostático.
7 5. Otros elementos mecánicos B Cojinetes. Soporte o bastidor de un vehículo. Cojinetes de fricción axiales y radiales en sus soportes. Los soportes o bastidores son piezas o dispositivos destinados a sostener o apoyar algún otro elemento fijo o móvil de la máquina. Todo elemento móvil necesita dos o más puntos de apoyo sobre una superficie fija para poder moverse en la dirección requerida. En el caso de los árboles que transmiten movimiento, es preciso que los soportes les permitan el giro e impidan el movimiento axial (en la dirección del eje). Sólo en algunas ocasiones este desplazamiento se permite, con el fin de cumplir un objetivo previsto. Además de los elementos mecánicos ya estudiados, se necesitan otros que contribuyan a que los primeros funcionen adecuadamente. Los más importantes son: soportes, cojinetes y rodamientos. A Soportes. Son unas piezas cilíndricas que se colocan entre el apoyo de la máquina y el eje o árbol de transmisión del movimiento. El uso de cojinetes se debe a tres razones: Cuando una pieza se mueve respecto de otra, se produce rozamiento y, por tanto, desgaste. Este proceso a medio y largo plazo origina holguras que traen como resultado vibraciones y pérdidas de potencia en la máquina. En muchos casos, los ejes o árboles suelen estar fabricados del mismo material que el soporte. Este material puede tener coeficientes de rozamiento alto que originan fricciones y pérdidas de potencia. Si no se colocasen cojinetes, se desgastarían los soportes, con lo que su reemplazamiento resultaría más caro que la sustitución de cojinetes. Para evitar todo esto, se colocan cojinetes ajustados a presión (unión forzada) en el soporte. Los árboles y ejes giran libremente sobre los cojinetes. Existen dos tipos de cojinetes: cojinetes de fricción y rodamientos.
8 Tipos de rodamientos. Cojinetes de fricción. Rodamientos. Son cilindros huecos por cuyo interior pasa el árbol o eje. Trabajan a fricción. Están fabricados de un material más blando que el del árbol, con objeto de que se desgaste primero y lo proteja. Dependiendo de la dirección de la carga, se fabrican dos tipos de cojinetes de fricción: axiales (soportan cargas en sentido longitudinal) y radiales (página anterior). Este tipo de cojinetes se suele utilizar en máquinas que van a girar a pocas revoluciones y de poca potencia (pequeño electrodoméstico, aparatos de vídeo, juguetes, etc.). Los materiales más empleados para la fabricación de cojinetes son: metal babbit o antifricción (3% Cu + 90% Sn + 7% Sb), bronce al plomo, cobre al plomo, aleación de aluminio (1% Cu + 6% Sn + 93% Al), nailon, etc. Son cojinetes formados por dos cilindros concéntricos, uno fijo al soporte y otro al eje, entre los que se intercala una corona de bolas o rodillos, que pueden girar entre ambos, lo cual proporciona una menor pérdida de energía que la fricción. Las medidas de los rodamientos están normalizadas para poder encontrar un cojinete idéntico en caso de que haya que cambiarlo. El material con el que se fabrican es el acero. Las pistas sobre las que ruedan las bolas o rodillos deben tener un acabado muy fino, y mantenerse engrasadas para facilitar la rodadura y aminorar el desgaste.
9 6. Lubricación de máquinas. Lubricantes más utilizados. En estos temas de mecánica hemos visto diferentes elementos de máquinas, la mayor parte de ellas con movilidad. Esta movilidad trae consigo un rozamiento o fricción de unas piezas con otras, que pueden provocar desgaste prematuro de piezas, pérdida de potencia y un calentamiento excesivo de la máquina. Por ello es necesaria una lubricación adecuada. La lubricación consiste en interponer una capa fina de aceite entre dos superficies que se mueven entre sí para evitar que estén en contacto. Industrialmente, el lubricante más utilizado es de origen sintético, aunque también se usan aceites vegetales (palma, colza, girasol, etc.) y animales (grasa de caballo, cebo, aceite de ballena, etc.). Los diferentes tipos de aceite se clasifican según su viscosidad (tiempo en segundos que tardan 60 cm3 de ese líquido en atravesar un tubo capilar estándar a 15,5ºC). Un aceite poco viscoso (muy fluido) pasará fácilmente por un orificio, pero se mantendrá muy poco tiempo en una superficie, ya que caerá por gravedad. En cambio, uno muy viscoso no pasará por el orificio, pero se mantendrá más tiempo en la superficie. El aceite que se presenta pastoso a temperatura ambiente se denomina grasa.
10 Sistemas de lubricación de máquinas más empleados. Dependiendo de los mecanismos a lubricar y de las condiciones de uso (velocidad, temperatura, tipo de lubricación, etc.), se emplea un aceite de mayor o menor viscosidad. En las instrucciones de uso de cada máquina, el fabricante nos indica qué aceite es el más adecuado. Los sistemas de lubricación de máquinas más empleados son: manual, a presión y por borboteo.
11 7. Mantenimiento de elementos mecánicos Mantenimiento de vehículos. Para que puedan funcionar con normalidad, muchos de los elementos estudiados hasta ahora necesitan un mantenimiento constante o periódico. Con objeto de prever la máxima durabilidad, en las mejores condiciones de trabajo, los fabricantes de productos y mecanismos suelen establecer un plan de intervención de cada máquina construida. Este plan tiene como objetivo dos aspectos importantes: Diagnóstico o detección precoz de posibles averías de la máquina. Hay máquinas muy delicadas en las que una avería, aun muy simple, podría tener consecuencias fatales para sus usuarios. Este es el caso de mecanismos o elementos mecánicos instalados en aviones o helicópteros. Por ello, es vital anticipar qué se puede romper o qué puede dejar de funcionar. Esta operación se lleva a cabo mediante una inspección ocular o, periódicamente, desmontando todas las piezas que forman este elemento mecánico y haciendo una comprobación exhaustiva de medidas, defectos, resistencia, etc. Todo ello se puede llevar a cabo mediante ensayos adecuados. Mantenimiento. Limpieza diaria o periódica de ciertas partes, piezas o mecanismos, después de haberse usado en condiciones normales o especiales. Por ejemplo, una máquina de cortar el pelo eléctrica, que es necesario desmontar para limpiar posibles pelos que hayan quedado atrapados en ella. Lubricación de partes concretas de manera habitual o después de un determinado tiempo de trabajo. Sustitución de partes del mecanismo, como correas, juntas, filtros, muelles, cojinetes, etc. – Reglaje, mediante el equilibrado, ajuste o alineación de ciertas piezas que, debido al uso normal, necesitan ser ajustadas por el desgaste natural o porque se desplazan en virtud de vibraciones u otras causas. – Detección de averías o mal funcionamiento de algunas piezas, que provocan ruidos y vibraciones por encima del nivel o umbral permitido. Un tipo de avería muy corriente suele ser el aumento de la temperatura, que trae como consecuencia una disminución efectiva de potencia, debida a fallos en rodamientos y cojinetes o pérdidas de aceite imprevistas. Un ejemplo típico de plan de mantenimiento de elementos mecánicos lo constituyen los documentos que entregan los fabricantes de vehículos a sus propietarios.
12 8. Interpretación de planos de montaje de máquinas sencillas Relación gráfica de materiales. Instrucciones gráficas de montaje de juguetes (arriba) y juguetes ya montados (abajo). Hay muchos casos en los que podemos encontrar máquinas sencillas o determinadas partes de una máquina que llegan hasta nosotros desarmadas. Las razones por las que llegan de esta manera pueden ser diversas; por ejemplo: grandes dimensiones (volumen) que encarecen el transporte, que su carácter didáctico imponga su montaje en casa, la ampliación de equipos existentes, y muchas cosas. En casi todos los casos, salvo que se trate de máquinas extraordinariamente sencillas formadas por muy pocas piezas o que, de manera intuitiva, se adivine su montaje, el fabricante suele acompañarlas de uno o varios planos de montaje que indican el procedimiento a seguir y las precauciones que deben tomarse. Los pasos que se deberían seguir para llevar a cabo un montaje eficaz son: Comprobar que se han recibido todas las piezas y material adicional que se necesita. Para ello, hay que identificar cada pieza recibida con la descripción gráfica o relación de materiales que aparecen en la documentación. Lo normal es que a cada pieza o grupo de piezas ya montadas se le haya asignado una letra o número correlativo. Ordenar las piezas por grupos que se van a ensamblar entre sí. Seguir las instrucciones dadas por el fabricante en el manual de montaje. Estas instrucciones suelen ser gráficas. En algunos casos puede haber instrucciones ajenas al montaje, como cortar, limar, taladrar, etc. Realizar los ajustes y puestas a punto que se indiquen, siguiendo los pasos en el orden establecido. Finalmente, comprobar que todo marcha según lo previsto.
13 9. Identificación de mecanismos en máquinas reales Identificación de los principales elementos mecánicos. En la actualidad, casi la totalidad de las máquinas o sistemas técnicos que nos rodean están formados por elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos. En algunos casos pueden disponer, además, de elementos o mecanismos neumáticos e hidráulicos. A continuación como ejemplo vamos a identificar los mecanismos de una máquina sencilla, atendiendo exclusivamente a criterios mecánicos. El ejemplo que vamos a desarrollar corresponde a una taladradora manual sencilla. Los pasos que se pueden seguir pueden ser: Desmontaje. Desatornilla cada uno de los tornillos de unión que lleva en uno de sus laterales. Puede que la cabeza del tornillo lleve una ranura especial que no te permita utilizar los destornilladores habituales. Esto se debe a que los fabricantes no son muy amantes de que los aficionados anden “trasteando” cuando ocurre una avería, y luego lo lleven al servicio técnico. En estos casos, la única solución es comprar un destornillador apropiado. Identificación. Identifica el elemento motriz; en este caso, el motor eléctrico. Luego, trata de seguir el camino por el que discurre el movimiento hasta llegar a la broca. Seguramente ya habrás empezado a reconocer algunos elementos transmisores y transformadores del movimiento.
14 Identificación y análisis de los distintos elementos mecánicos existentes. Planos. Traza un dibujo esquemático del conjunto. Tiene como objetivo saber cómo estaban dispuestos cada uno de los elementos al principio. De esta manera, cuando tengamos que montarlo de nuevo, no habrá ninguna dificultad. Desmontaje total. Quita el resto de tornillos hasta que tengas una visión total de todas las piezas que componen cada uno de los mecanismos. Realiza varios dibujos para saber dónde va cada pieza. Es muy importante que ordenes adecuadamente los tornillos (por grupos), según los vayas quitando. Acto seguido, se empezará a identificar cada uno de los elementos mecánicos existentes y a determinar sus características. Por ejemplo, número de dientes de cada engranaje existente, qué tipo de engranaje es, qué tornillería se emplea, qué muelles hay y para qué valen, si hay rodamientos y de qué tipo son, etc. A continuación se muestran las características más relevantes.
15 10. Mecanismos mecánicos para una tarea concreta Realización del diagrama de bloques del funcionamiento de la máquina. Podría consistir en dibujar una serie de bloques conceptuales, como el diagrama de bloques de la figura. Diagramas de bloques del funcionamiento de una máquina. La tarea de diseño de máquinas exige, por parte de técnicos e ingenieros, un gran conocimiento de mecanismos o elementos de máquinas existentes, además de saber cuál es el que mejor va a cumplir su función para una aplicación determinada. Por ello, antes de seleccionar un mecanismo concreto, se debería hacer un análisis profundo de los bloques de que dispondría la máquina. En términos generales, se podrían seguir estos tres pasos: Elección del mecanismo más adecuado. Una vez que ya se conoce qué elementos mecánicos debe llevar cada bloque de la máquina, se procederá a la elección del más adecuado, atendiendo a varios criterios, entre los que cabe destacar: sencillez (de diseño), economía, fiabilidad (en su funcionamiento) y durabilidad. Afortunadamente, estas cualidades suelen estar asociadas; es decir, los mecanismos sencillos (que constan de pocas piezas) suelen provocar menos averías que otros más complejos, al mismo tiempo que resultan más baratos. En muchas ocasiones la toma de decisiones exige, además, tener en cuenta otros parámetros, como tiempo de funcionamiento diario, potencias a transmitir, velocidades de giro iniciales y finales, condiciones atmosféricas de trabajo, etc.
16 Elección de elementos auxiliares. Ya has visto que la elección adecuada de elementos auxiliares (como puedan ser cojinetes / rodamientos, soportes, frenos, embragues, sistema de lubricación, etc.) desempeña un papel trascendental en el rendimiento y durabilidad de cualquier máquina. Por ello, es vital la realización de un análisis y estudio profundo para elegir el elemento que mejor se adapte a las exigencias de trabajo. Algunas pautas podrían ser las mostradas a continuación: Algunos elementos auxiliares de máquinas.
17 11. Normas de seguridad y uso de elementos mecánicos. Normas básicas para izar cargas sin riesgo de accidentes. En líneas generales, la manipulación y uso de los elementos auxiliares estudiados no tienen asociados peligros significativos, siempre que se tengan en cuenta las siguientes normas: Usar guantes de cuero, sobre todo cuando se manipulen elementos mecánicos con aristas que puedan producir cortes. No tocar ningún elemento mecánico de la máquina cuando esté funcionando, ya que puede provocar accidentes. Desconectar la máquina de la red cuando se esté manipulando interiormente. Cuando sea necesario cambiar el aceite de lubricación, asegurarse de que la máquina y el lubricante estén frío, ya que, de lo contrario, puede provocar quemaduras. En la manipulación o recambio de elementos de máquinas en los que sea necesario realizar grandes esfuerzos físicos para cambiar o colocar un mecanismo, se deberán usar grúas o llevarlos a cabo entre varias personas, manteniendo siempre la espalda recta (hay que flexionar las rodillas, no el tronco), para evitar lesiones. Finalmente, antes de poner en marcha una máquina, asegurarse de que todos sus elementos mecánicos están instalados adecuadamente. De esta manera se minimizarán los riesgos de posibles accidentes.