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.