Elementos de Máquinas y Sistemas de Transmisión de Potencia Industrial

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Transmisión de Movimiento y Elementos de Máquinas Industriales

Este documento detalla los principales componentes y sistemas utilizados en la transmisión de movimiento y la constitución de máquinas industriales, abarcando desde elementos básicos hasta mecanismos complejos y consideraciones de mantenimiento.

1. Transmisión de Movimiento

1.1. Transmisión por Poleas y Correas

  • Correas Trapeciales: Utilizadas en uso industrial para transmitir mayor potencia que otras.
  • Correas Planas o Rectangulares: Muy empleadas para bajas potencias (ej. casetes).
  • Correas Redondas: Empleadas en máquinas que giran a muy pocas revoluciones (ej. máquinas de coser antiguas).

1.2. Transmisión por Engranajes

Se utilizan cuando hay que transmitir grandes esfuerzos o se desea que la relación de transmisión se mantenga siempre constante. Constan de un Conductor (piñón) y una Conducida (rueda).

1.2.1. Transmisión entre Árboles o Ejes Paralelos

Conjunto de ruedas (engranajes de dientes interiores) que pueden ser:

  • Engranajes de Dientes Rectos: Fáciles de fabricar, pero con el inconveniente de ser muy ruidosos y producir vibraciones, especialmente cuando la potencia que transmiten y el número de revoluciones con que giran no son muy grandes.
  • Círculo Primitivo: Rp=Dp/2; rp=dp/2
  • Interior: Ri=Di/2 (rueda); ri=di/2 (piñón)
  • Exterior: Re=De/2 (rueda); re=de/2 (piñón)
  • Módulo: Valor característico de las ruedas dentadas que se expresa en mm. p=π x m.
  • Relación de Transmisión: La misma para engranajes que para ruedas.
  • Engranajes de Dientes Helicoidales: Tienen dientes inclinados en la forma transversal del diente, igual que en el caso de los dientes rectos. Inconvenientes: son más caros, difíciles de fabricar y producen fuerzas axiales.
  • Engranajes de Dientes en V (Doble Helicoidal): Con el objetivo de compensar las fuerzas axiales, emplean dos engranajes cuyos dientes forman un ángulo complementario, uniéndose entre sí para formar una V.
1.2.2. Transmisión entre Ejes Perpendiculares que se Cruzan
  • Tornillo Sin Fin-Corona: El movimiento solo se transmite del tornillo a la corona y nunca al revés.
  • Hipoide: Dos engranajes cónicos helicoidales, uno desplazado para que sus ejes no se corten.
  • Helicoidales Cruzados: El ángulo que forman es opuesto, y la suma algebraica es igual al ángulo que forman sus ejes.

1.3. Cadenas Cinemáticas

Conjunto de dos o más pares de engranajes que engranan entre sí y que tienen por finalidad variar el número de revoluciones del último árbol.

Relación de Transmisión: Entre dos o más árboles es igual al producto de los dientes de los piñones dividido por el producto de los dientes de las ruedas conducidas.

1.4. Caja de Velocidades

Llevan engranajes fijos y engranajes que se pueden deslizar, los cuales están pareados y unidos entre sí.

1.5. Otros Elementos de Transmisión

  • Articulaciones: Permiten movimientos en sentido contrario, mismo sentido o en otra dirección.
  • Elementos de Cuerda o Alambre: Polea simple, polea compuesta.
  • Combinación de Cuerda o Alambre: Combinando adecuadamente se pueden obtener efectos espectaculares, como en el caso de los frenos de bicicleta y coches.
  • Transmisión por Cadena y Correa Dentada.

1.6. Elementos Mecánicos de Transformación de Movimiento

Transforman un movimiento circular continuo en rectilíneo continuo, rectilíneo alternativo, o circular continuo en circular alternativo, etc.

1.6.1. Piñón-Cremallera

Un engranaje normal (piñón) que engrana con otro cuyo radio es infinito (una cremallera). Los dientes suelen ser trapeciales. Función reversible.

  1. El piñón gira y la cremallera está fija; entonces el piñón se desplaza (sistema utilizado en tornos para desplazar el carro).
  2. La cremallera se desplaza mientras que el piñón está fijo; en este caso el piñón gira (muy poca aplicación).
  3. El piñón gira sin desplazarse; entonces la cremallera se desplaza (aplicaciones: taladradora de columna, dirección de vehículos, puertas de garajes automáticas y lectores de DVD).
1.6.2. Tornillo-Tuerca

Se enrolla un plano inclinado sobre un cilindro, se puede observar que la rampa forma la hélice de un tornillo. La aplicación más utilizada consiste en girar el tornillo y evitar que la tuerca gire. Fórmula: M=(Qxp)/(2x PI).

1.6.3. Leva Excéntrica
  • Excéntrica: Disco cuyo eje de giro no coincide con su centro geométrico.
  • Leva: Pieza metálica con forma determinada, sujeta a un árbol que al moverse produce el desplazamiento de una varilla.
  • Tipos de Levas:
    • Lineales: Muy pocas aplicaciones.
    • Rotativas: El desplazamiento máximo que sufre el seguidor se conoce como alzada de la leva. El retorno puede ser por gravedad.

2. Fundamentos de Máquinas y Mecanismos

2.1. Contexto Histórico

  • Leonardo da Vinci: Recopila e inventa multitud de mecanismos y máquinas de todo tipo.
  • Christopher Polhem: Recopila e inventa hasta 80 máquinas simples, que manda a construir en forma de prototipos. A ese conjunto le llama "Alfabeto Mecánico".
  • Carl Johan: Amplía el "Alfabeto Mecánico" hasta 103.
  • Hachette: Presenta una clasificación funcional de los mecanismos más utilizados:
    • Receptor: Elementos que reciben el movimiento del motor primario.
    • Regulador: Interrumpen o permiten el paso de energía entre mecanismos (ej. embragues).
    • Comunicador: Encargados de transmitir el movimiento (rectilíneo, circular).
    • Modificador: Transforman un tipo de movimiento en otro.
    • Operador: Aquellos que producen el efecto final.

2.2. Máquinas

Combinación de mecanismos agrupados adecuadamente que aprovechan una forma predeterminada de energía.

2.2.1. Elementos Motores
  • Primarios: Proporcionan energía directa a la máquina. Algunos se limitan a transformar una forma de energía (ej. hidráulica) en otra (ej. eléctrica) para alimentar motores secundarios.
  • Secundarios: Cuya energía de salida acciona las máquinas directamente.
    • Energía Muscular: Se emplea menos, pero se ve en transportes de carga (ej. jardineros con carretas).
    • Energía Térmica: Al quemar algún combustible.
      • Motores de Combustión Externa: (Máquinas de vapor). Producen vapor de agua a gran presión que desplazará un pistón, transformando la energía calorífica en mecánica (ej. Motor Stirling).
      • Motores de Combustión Interna: Se suele producir en el interior de un cilindro, aprovecha el efecto de aumento de presión para actuar en elementos móviles (ej. motores de explosión).
    • Energía Eléctrica: Motores secundarios (motor eléctrico y electroimán). Electrodomésticos, no contaminan.
2.2.2. Elementos de Máquinas

Cada pieza que consta de una máquina se asigna a un conjunto de piezas que tiene movilidad (Transmisores, Transformadores, Generadores). Tipos: mecánicos, eléctricos y neumáticos.

3. Acoplamientos y Transmisiones Específicas

3.1. Acoplamiento entre Árboles

  • Árbol de Transmisión: Elemento de revolución que permite transmitir potencia.
  • Eje: Elemento de máquina cilíndrico que soporta diferentes piezas que giran, pero no transmiten potencia.
3.1.1. Acoplamientos Rígidos

Para árboles encontrados en el mismo eje geométrico y que no sufren variación de posición.

  • Mediante Bridas: Se colocan los extremos alineados de dos medias bridas; al apretar los tornillos se unen y se aprisionan los ejes, impidiendo que se muevan.
  • Mediante Platillos: Apretado por dos piezas cónicas interiores, se comprime la otra pieza cónica contra los dos árboles.
3.1.2. Acoplamientos Móviles
  • Elásticos: Permiten pequeñas desalineaciones y absorben vibraciones.
  • Universales (Cardan): Permiten transmitir movimiento entre ejes que se cruzan con un ángulo variable.
  • Homocinéticos: Transmiten movimiento entre ejes con ángulo variable, manteniendo una velocidad angular constante.
  • Oldham: Acoplamiento de diferentes partes que lo forman. En los extremos van colocados los discos solidarios a los árboles. Para la transmisión del movimiento entre ambos árboles, otro disco (junta) se emplea para transmitir movimiento entre dos árboles con la misma dirección, separados por poca distancia. Eje estriado deslizante.

3.2. Transmisión por Ruedas de Fricción

Formado por dos discos que están en contacto por sus periferias. La rueda que transmite (piñón) y la conducida (rueda).

  • Exteriores: E=r+R / E=d/2+D/2. Relación: i=r/R=d/D=N/n.
  • Interiores: Lo mismo, pero los centros: E=R-r=D-d/2.
  • Troncocónicas: Para transmitir movimiento entre ejes cuyas prolongaciones se cortan. r/R=BETA. I=r/R=d/D=N/n=tangente B.

3.3. Transmisión mediante Poleas y Correas

  • Polea: Rueda que se utiliza en la transmisión por medio de una correa.
  • Correa: Cinta flexible unida por sus extremos que sirve para transmitir el movimiento de giro entre una rueda y otra.
  • Sistema de Transmisión por Correa: Consta de dos poleas o más y una correa (ruedas). Relación: I=r/R=d/D=N/n.

4. Mecanismos Específicos y Elementos de Unión

4.1. Manivela-Biela-Émbolo

Permite transformar el movimiento circular en lineal o viceversa. Si se gira la manivela, el émbolo se desplaza hacia adelante y atrás.

  • Transformación de Movimiento Circular en Lineal: El conductor es la rueda y el conducido es el émbolo, que puede estar fijo al émbolo o en su lugar se coloca la función del elemento.
  • Transformación de Movimiento Lineal en Circular (al revés): Se usa en motores de combustión interna; al producirse una explosión en el cilindro, el pistón se desplaza y provoca un giro de 180 grados.
    1. La biela se une al pistón mediante un bulón.
    2. El cigüeñal, formado por un árbol acodado con muñones que se apoyan sobre soportes.
    3. El objetivo es conseguir equilibrio estático y dinámico.

4.2. Trinquete

Tiene la misión de impedir el giro de un eje en un sentido y permitirlo en el otro. Consta de una rueda dentada y una uñeta que se introduce entre los dientes de la rueda por efecto de un muelle. Pueden ser reversibles o no (exteriores, interiores, frontales).

4.3. Rueda Libre

Se coloca en el eje de un árbol de transmisión con el objetivo de permitir que el árbol motor mueva al resistente y no al contrario. La rueda interior fija a los pedales tiene dos o más ranuras donde se colocan bolas y muelles. Se emplea solamente cuando ambas ruedas van a girar en el mismo sentido. Aplicación en ruedas posteriores de bicicletas y motores de arranque.

4.4. Elementos de Unión

4.4.1. Uniones Desmontables

Permiten separar piezas con facilidad sin romper el medio de unión.

  • Roscados: Tornillos o tuercas, como medio de unión de todo tipo de máquinas.
    • Bulón: Tornillo que enrosca una tuerca; las piezas que se unen no van roscadas.
    • Tornillo de Unión: Semejantes a los anteriores, no emplean tuerca. La pieza más alejada es la que hace de tuerca gracias a la rosca.
    • Prisioneros: Tornillos que se roscan en una pieza y se alojan en un hueco que lleva la otra, cuando no se quiere que giren.
    • Espárragos: Varias roscas con el centro sin roscar. Utilización en piezas metálicas, a las que se unen otras más simples que se van a desmontar.
    • Pernos: Unir varias piezas utilizando tuercas (de apoyo, de articulación, de anclaje).
    • Tornillos de Rosca Cortante: Unir piezas metálicas de poco espesor, con la cualidad de realizar la rosca a medida que son introducidos, por lo que no se necesita roscar previamente.
    • Tornillos para Madera: Unir piezas de madera; si el tornillo no es de gran diámetro, no es necesario realizar un agujero previo.
4.4.2. Uniones Fijas

Con piezas cuyo desmontaje no se prevé durante la vida útil de la máquina por seguridad del diseño.

  • Remaches: Varillas cilíndricas con cabeza y un extremo que sirven para unir varias chapas de pequeño espesor.
    1. Cortar el remache para que el vástago tenga la misma longitud que las piezas que se unen.
    2. Hacer agujeros en las piezas a unir con un diámetro 0,25 mm mayor que el remache.
    3. Realizar la cabeza en el lado opuesto (manual, remachadora).
  • Roblones: Remaches de gran tamaño cuyo diámetro supera los 10 mm.
  • Ajuste a Presión: Aquel que se realiza cuando el diámetro del eje es mayor al del agujero. La diferencia entre las medidas determinará si el aprieto será más fuerte o más débil.
  • Mediante Adhesivo: Unir dos superficies interponiendo una capa de material con alta adherencia, colocado entre ambas piezas.
  • Mediante Soldadura:
    • Soldadura en Frío: Compuesto por polvo metálico y resina plástica que vienen separadas; en la soldadura se mezclan y se colocan en las piezas que se unirán.
    • Soldadura en Caliente: Unión permanente de metales mediante el aporte de calor en la zona de unión hasta que el material de unión funda. Si no existe material de aportación se llama homogénea, y si es distinto, heterogénea.
      • Soldadura Blanda: En la que se aplica temperatura hasta 400°C. Se usa Pb y Sn. El soldador aporta el calor necesario para fundir la aleación; se calientan las zonas de unión y se acercan al estaño.
      • Soldadura Fuerte: Heterogénea hasta 1000°C. Material necesario: varilla de latón recubierta de bórax. Se recubre la superficie que se va a soldar, luego se calienta. Una vez que alcanza la temperatura máxima, se acerca el metal.
      • Soldadura Autógena: Se obtiene por soplete, por el que salen acetileno y O2, alcanzando hasta 3000°C.
      • Llama Oxiacetilénica: Obtenida al quemarse la mezcla de O2 y acetileno en la boquilla del soplete.
      • Soldadura Eléctrica por Resistencia: Para unir piezas metálicas, hace saltar un arco eléctrico entre dos electrodos.
        1. Por Arco: Para piezas de gran grosor. Puede ser análogo. Se usa un electrodo conectado a un cable de transformador (cordón de soldaduras).
        2. Por Puntos: Para unir chapas finas sujetas entre electrodos. Se hace pasar una corriente eléctrica que funde los puntos en contacto más próximos.

5. Seguridad, Elementos Auxiliares y Mantenimiento

5.1. Normas de Seguridad

Es fundamental usar guantes, gafas protectoras, mantener la limpieza y ventilación, y seguir las normas específicas de cada equipo y proceso.

5.2. Elementos Mecánicos Auxiliares

5.2.1. Acumuladores de Energía

Aquellos elementos capaces de almacenar un tipo de energía y suministrarla.

  • Volante de Inercia: Disco macizo de fundición que se monta en un árbol con la misión de garantizar un giro regular, reduciendo movimientos bruscos. El movimiento irregular se puede producir cuando la fuerza que origina el movimiento no es constante. Se evitan gracias a la inercia. (Aplicaciones: máquinas de machaqueo, bombas eléctricas, motores de transmisión por correa, molinos).
  • Elementos Elásticos: Se deforman por acción de una fuerza y, cuando esta desaparece, recuperan su forma inicial.
    • Tracción y Compresión: Muelles.
    • Flexión: Flejes, ballestas.
    • Torsión: Muelles, barras.
5.2.2. Disipadores de Energía

Reducen o paran el movimiento de un elemento mecánico cuando sea necesario. Los frenos se emplean para detener elementos mecánicos que giran, transformando la energía cinética en calorífica.

  • Tipos de Frenos:
    • De Zapata: De zapata externa, de tambor.
    • Mecánicos: De disco.
    • Eléctricos.
5.2.3. Embragues

Transmiten movimiento entre dos árboles alineados; uno recibe el movimiento del motor y el otro está acoplado a la salida.

  • Tipos de Embragues: De dientes, De fricción (cónicos, de disco), Hidráulicos.

5.3. Soportes y Cojinetes

  • Soportes: Piezas destinadas a sostener otro elemento fijo o móvil. El móvil necesita dos o más puntos de apoyo sobre una superficie fija para poder moverse en la dirección requerida.
  • Cojinetes: Piezas cilíndricas que se colocan entre el apoyo de la máquina y el eje. Cuando una pieza se mueve respecto a otra, produce rozamiento y desgaste. Suelen estar fabricados del mismo material que el soporte. Si no se colocasen cojinetes, se desgastarían los soportes.
    • De Fricción: Cilíndricos huecos cuyo interior pasa el eje; trabajan por fricción.
      • Axiales: Soportan cargas en sentido longitudinal.
      • Radiales: Soportan cargas en sentido radial, especialmente los que giran a pocas revoluciones.
    • Rodamientos: Cojinetes que están fijos al soporte y al eje.
      • Tipos: Radial, Axial, Mixto (soportan esfuerzos axiales y radiales).

5.4. Relación entre Potencia y Par

Par: Producto de esa fuerza por la distancia entre el punto de referencia y el punto de aplicación de esa fuerza.

5.5. Lubricación y Mantenimiento

5.5.1. Lubricación

La movilidad trae consigo rozamiento, lo que puede provocar desgaste prematuro, pérdida de potencia y calentamiento excesivo. El lubricante más utilizado es el de origen sintético, también vegetales y animales. Interponen una capa fina de aceite entre dos superficies que se mueven.

  • Tipos de Lubricación: Manual (el operario lo introduce en la máquina), Hidrodinámica, Hidrostática (a presión), por Barboteo.
5.5.2. Mantenimiento

Las máquinas incorporan un programa de mantenimiento en el que se indican las operaciones a realizar, con el objetivo de prever la máxima durabilidad en las mejores condiciones.

  • Diagnóstico Precoz de Posibles Averías: Es crucial para evitar consecuencias graves. Implica la revisión y, si es necesario, el desmontaje de piezas para una inspección detallada.
  • Tareas de Mantenimiento:
    • Limpieza diaria después de usarse.
    • Lubricación de partes concretas (habitual).
    • Sustitución de partes (como correas).
    • Reglaje, ajuste o alineación.
    • Detección de averías o mal funcionamiento.

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