Sistemes Mecànics i Elements de Màquines

Sistemes Mecànics

Els sistemes mecànics estan formats per màquines i mecanismes. Comprenen conjunts organitzats d'elements mecànics (barres, guies, rodaments, etc.) entre els quals intervenen forces i moviments.

Màquines i Mecanismes

Una màquina és un sistema format per un o més conjunts mecànics amb parts mòbils i, eventualment, altres conjunts (elèctrics, òptics, etc.), concebut per realitzar una tasca determinada (treball o transformació d'energia).

Un mecanisme és un conjunt d'elements mecànics que realitza funcions de guiatge i transmissió relacionades amb els moviments i les forces dins d'una màquina. Forma part d'una màquina i realitza una funció determinada, com ara una caixa de canvis.

Branques de la Mecànica

La mecànica comprèn tres grans apartats: l'estàtica, la cinemàtica i la dinàmica. Per tant, cal fer un estudi estàtic, analitzant l'equilibri de les forces. Després, cal estudiar la cinemàtica i la dinàmica, analitzant les forces i els moviments que s'originen segons els mecanismes adoptats.

Equilibri

Equilibri del Punt Material

Un punt material o partícula és un cos amb massa però sense dimensions. Segons la primera llei de Newton: quan la suma de forces que actuen sobre un cos és nul·la, el cos roman en repòs o en moviment rectilini uniforme.

Equilibri del Sòlid Rígid

Un sòlid rígid és un cos amb massa en què la distància entre dos punts qualssevol no varia, independentment de les forces que hi actuen.

El moment (M) d'una força (F) respecte d'un punt (O) és el producte vectorial del vector posició (r) de la força respecte del punt, per la força.

Parell de Forces

Dues forces paral·leles, de sentit contrari i equidistants d'un punt O generen un moment respecte del punt O, anomenat moment d'un parell de forces (T) o simplement parell.

Diagrama de Cos Lliure

Consisteix a dibuixar el cos aïllat dels altres cossos en contacte amb ell. Es dibuixen totes les forces exteriors que actuen sobre el cos i les reaccions dels cossos en contacte.

Màquines Simples

Les màquines simples s'utilitzen per amplificar forces, permetent elevar o desplaçar càrregues pesants amb petits esforços.

El treball realitzat sobre una màquina simple s'anomena treball motriu, i el treball realitzat per les càrregues s'anomena treball resistent.

2.1. La Palanca

La palanca és una barra rígida que es recolza en un punt de suport o fulcre. El moment de la força (F) aplicada és igual al producte de la força per la distància mínima al punt de suport (braç de palanca).

2.2. La Roda

Si una càrrega es desplaça sobre rodes, es produeix rodolament en lloc de fricció. Perquè una roda rodi, ha d'haver-hi fricció amb la superfície. Aquesta fricció es produeix per la deformació de la roda o la superfície a causa del pes (G). Si s'aplica una força horitzontal (F) suficient a l'eix, es produeix rodolament imminent. La normal (N) s'avança una distància (coeficient de rodolament).

2.3. El Torn

El torn eleva càrregues. Consta d'un cilindre horitzontal amb dues manetes per girar-lo. Una corda o cable s'enrotlla al cilindre per suspendre la càrrega.

El Torn Diferencial

Té dos cilindres concèntrics de diferents diàmetres. En elevar un pes, el cilindre més gran enrotlla la corda i el més petit la desenrotlla.

2.4. El Ternal

El ternal té tres politges: dues fixes i concèntriques, de diferents diàmetres, i una mòbil. Funciona com el torn diferencial. En estirar la corda, la politja més gran enrotlla més corda que la que desenrotlla la politja més petita, elevant la càrrega.

2.5. El Pla Inclinat

El pla inclinat és una màquina simple. Avui dia, s'utilitzen màquines derivades, com les rosques i les falques.

2.6. El Cargol

El cargol és una aplicació del pla inclinat. Una rosca és un pla inclinat que remunta una superfície cilíndrica. En una volta, el desplaçament és igual al pas (p) de la rosca.

3. Elements de Màquines

Les màquines i mecanismes estan formats per elements mecànics. Alguns subjecten peces (cargols, clavetes), altres guien o transmeten forces i moviments (barres, rodes, politges).

3.1. Unions Fixes i Desmuntables

Les unions fixes (soldades, reblades) s'utilitzen per a esforços importants i no es desmunten. Les unions desmuntables (cargolades, amb clavetes, passadors) permeten el desmuntatge fàcil.

3.2. La Reblada

S'utilitza per unir peces planes de poc gruix que no admeten soldadura o quan les soldadures podrien deformar-les. Hi ha diferents tipus d'unions amb reblades: per a recobriments, per a cobrejuntes i amb dues cobrejuntes.

3.3. Unions Cargolades

S'utilitzen per a unions no permanents. Components: cargol (cilindre roscat, tija, cap), femella i volandera. La rosca és la part més important.

Característiques d'una Rosca

• Pas de rosca: distància entre filets.
• Inclinació de la rosca: dreta (sentit horari) o esquerra (sentit antihorari).
• Geometria del filet: triangular (subjecció), trapezial i quadrat (forces importants), arrodonida (estanquitat).

Rosques Normalitzades

Rosques amb forma, dimensions, etc. estandarditzades.

Cargols, Femelles i Volanderes

• Cargols i femelles: mateixes característiques.
• Volandera: entre el cap i la peça o entre la femella i la peça. S'utilitza quan la peça és tova, la superfície és irregular, per evitar ratllades o per augmentar la superfície de subjecció.
• Tipus de cargols: definits per mètrica, forma del cap i llargada.

Sistema d'Unió i Fixació amb Cargols

Evita que els cargols es moguin per les vibracions.

3.5. Unions d'Elements de Màquines

Les clavetes, generalment d'acer, uneixen peces cilíndriques amb rebaixos o entalles a l'eix i al forat.

Clavetes Transversals i Passadors

Les clavetes transversals uneixen peces cilíndriques a tracció o compressió. Els passadors, de fusta o metall, uneixen peces travessant-les. Els passadors elàstics transmeten esforços de torsió.

Clavetes Longitudinals

Transmeten parell i asseguren la immobilitat axial. Les cares superior i inferior contacten amb les peces.

Llengüetes

Permeten el desplaçament axial transmetent el parell. Llengüetes rodones o Woodruf, amb cara inferior semicircular.

Eixos Estriats

Sistema per unir peces rígidament i transmetre grans esforços.

3.6. Molles i Unions Elàstiques

Absorbeixen energia, actuen com a elements motors o fonts d'energia, i produeixen força o pressió. Es deformen amb una força exterior i recuperen la seva forma original quan la força desapareix.

Tipus de Molles

• Tensió o tracció: extrems en forma de ganxo.
• Compressió: extrems plans.
• Torsió: extrems per suportar torsió.
• Ballesta: fulles d'acer corbades unides per una brida. S'utilitzen en suspensions de vehicles.
• Espiral: acumulen i esmorteeixen el moment de gir.
• Goma: esmorteeixen vibracions, xocs i soroll. Treballen a compressió i cisallament.

3.7. Rodaments

Els rodaments (o coixinets) minimitzen la fricció entre peces giratòries.

Parts d'un Rodament

• Anell exterior: pista de rodament exterior.
• Anell interior: pista de rodament interior.
• Cossos rodants: boles, cilindres, cons o agulles.
• Separadors: mantenen els cossos rodants equidistants.

Classes de Rodaments

• Rígid de boles: alta velocitat, fricció mínima, càrrega radial.
• Una filera de boles amb contacte angular: càrrega radial i axial.
• Rodets cilíndrics: alta velocitat.
• Rodets cònics: càrrega radial i axial.
• Agulles: construccions lleugeres i compactes.

3.8. Lubricants

Redueixen la fricció, les pèrdues d'energia i el desgast entre peces mòbils.

Característiques

• Redueixen la fricció.
• Refrigeren.
• Protegeixen contra contaminants.

Lubricació amb Olis

Per a altes temperatures i velocitats. Refrigeren i netegen.

Lubricants Sintètics SHC

• Estalvi d'energia: menor fricció interna.
• Duració: 5-10 vegades més que els olis convencionals.
• Oxidació: menys susceptibles.
• Estabilitat tèrmica: elevada, més fluidesa a baixes temperatures.

Lubricació amb Greixos

Per a rodaments. L'elecció depèn de la temperatura, velocitat, vibracions i càrrega.