Fundamentos de Mecanismos y Máquinas en el Diseño Mecánico

Definiciones Fundamentales

Mecanismo

Es un dispositivo para el acoplamiento y transformación del movimiento.

Máquina

Es un mecanismo o conjunto de mecanismos para la manipulación de la energía. El concepto de máquina siempre envuelve la idea de energía; en cambio, la definición de mecanismo la excluye básicamente, refiriéndose únicamente al movimiento. En consecuencia, movimiento es la palabra clave que define a un mecanismo, y un conjunto de mecanismos resulta ser una máquina cuando se interpreta que manipula energía.

Etapas del Problema del Diseño Mecánico

Estudio Cinemático

En esta primera etapa se define y se profundiza en el mecanismo que resuelve el problema desde la perspectiva del movimiento. Generalmente, se planteará que:

"Movimiento de entrada → MECANISMO → Movimiento de salida"

(Un movimiento aplicado a la entrada de una determinada configuración de elementos mecánicos se debe transformar en otro movimiento que se utilizará a la salida).

Criterios del Estudio Cinemático

El análisis de un mecanismo ha sido el tratamiento clásico que, a través de repetidos intentos, permite llegar a la solución aceptable de una aplicación. La síntesis constituye la aspiración actual para resolver cinemáticamente un mecanismo, una aspiración que no en todos los casos está satisfecha todavía.

Características del Mecanismo

Puede ser cualquier combinación de dispositivos mecánicos (engranajes, levas, articulados, etc.). Siempre existirá un elemento conductor que debe recibir el movimiento de entrada y otro (seguidor o elemento conducido) que lo entregará. El conductor puede dar movimiento al elemento conducido directamente o a través de elementos intermedios.

Estudio Dinámico

Conocido el mecanismo y las características de desplazamiento, velocidad y aceleración de todos sus elementos por un estudio cinemático previo, se procura determinar las fuerzas que actúan en cada punto en función de la energía a transmitir. No es posible fijar procedimientos generales para la solución de este aspecto del problema del diseño mecánico. En general, será distinto para cada caso, obligando en muchos de ellos a aplicar conceptos de las ciencias físicas aplicadas para determinar la magnitud de las fuerzas en juego.

En toda máquina actuarán conjuntos de fuerzas cuyo origen distinto permite diferenciarlas. En efecto, la razón de ser de las máquinas es efectuar un trabajo útil. Las fuerzas asociadas a esa función principal son conocidas en general, supuestas o calculables en función de ese trabajo útil. En consecuencia, se tendrá un sistema de fuerzas útiles (Q).

Las máquinas requieren, además, vencer las fuerzas resistentes debidas a los rozamientos y acelerar y vencer la inercia de sus elementos. Todas estas fuerzas están asociadas a energía de difícil aprovechamiento y su magnitud define, en muchos casos, el rendimiento de la máquina.

Conceptualmente, en una máquina ingresan fuerzas motrices que son procesadas por la máquina. Como resultado, se obtienen fuerzas útiles destinadas al trabajo principal. Adicionalmente, se generan fuerzas de rozamiento y fuerzas de inercia, que representan pérdidas energéticas.

Clasificación de Fuerzas (Estudio Dinámico)

Esta clasificación facilita su consideración en el dimensionamiento de los distintos elementos que constituyen la máquina:

• Fuerzas útiles: Originadas por la potencia a transmitir.
• Fuerzas dinámicas: Originadas por el movimiento. Son las fuerzas de inercia, las fuerzas centrífugas, etc.

Interesa además, en razón del distinto comportamiento de los materiales, clasificar las fuerzas en relación al tiempo. Se distinguen:

• Fuerzas estáticas: Aquellas que tienen un valor constante. Ese valor se alcanza por aplicación lenta y gradual, dando lugar a tensiones invariables en el tiempo. En este caso, los materiales fallan por alcanzarse las tensiones de fluencia o rotura.
• Fuerzas variables: Aquellas que se caracterizan por producir tensiones cuyo valor cambia periódicamente entre dos límites extremos. En este caso, los materiales fallan por fatiga.
• Fuerzas de impacto: Cuando se aplican en forma súbita o con velocidad apreciable; en estos casos, las piezas fallan por incapacidad de absorber la energía originada por el impacto.