Elementos de máquinas y sistemas mecánicos II Departamento de Tecnología Profesor: Pascual Santos López IES Diego Tortosa

CONTENIDOS Trinquete Rueda libre Sistemas de frenado Embragues Acumuladores de energía Equilibrio dinámico Árboles o ejes de transmisión Trenes de engranajes Caja de velocidades Diferencial

TRINQUETE Se utiliza para que el mecanismo sólo gire en un sentido Los trinquetes pueden ser: Fijos, impiden siempre el giro en un solo sentido Reversibles, se puede cambiar el sentido de giro

Rueda libre Sistema que desacopla el engranaje de salida del de entrada, cuando la velocidad del engranaje de salida es mayor que la que le corresponde por transmisión

Rueda libre en un helicóptero Necesaria para desacoplar el motor del rotor en caso de fallo de motor o en el caso de funcionamiento en ralentí.

Rueda libre en un helicóptero

Sistemas de frenado Necesarios para detener el giro de un eje de forma rápida. Pueden ser: Frenado mecánico, basado en la fuerza de fricción entre dos superficies de contacto. Transforman la energía cinética de rotación en energía calorífica disipada al ambiente. Frenos de tambor Frenos de disco Frenado eléctrico, se basa en un disco o rotor con devanados rodeados por un electroimán, que cuando se activa atrae al disco o al rotor frenándolos

Frenos de tambor El freno de tambor es un tipo de freno en el que la fricción se causa por un par de zapatas que presionan contra la superficie interior de un tambor giratorio, el cual está conectado al eje o la rueda.

Frenos de disco: sustituyen el tambor por un disco, que también se une a la rueda por medio de tornillos. Este disco puede ser frenado por medio de unas pastillas (B), que son accionadas por un émbolo (D) y pinza de freno (C), que se aplican lateralmente contra él deteniendo su giro. Suelen ir convenientemente protegidos y refrigerados, para evitar un calentamiento excesivo de los mismos, Fatiga térmica del ferodo (película de amianto como fricción). Frenos de disco

Ferodo en las pastillas

Circuito hidráulico de frenos

Freno eléctrico Es un freno continuo o retardador, que sólo funciona con el motor en marcha, no siendo utilizables como frenos de fricción, es decir, no es un freno de parada, aunque pueda llegar a hacerlo. Se intercala en la transmisión, sujeto al chasis, empleando en vehículos pesados como tercer freno auxiliar, teniendo por misión mantener las revoluciones en la transmisión a un régimen determinado. Funciona por corriente eléctrica suministrada por la batería, siendo más eficaz a mayor número de revoluciones de la transmisión. No existe roce con roce entre sus elementos de frenado, ya que este efecto se produce por la reacción de las corrientes inducidas sobre el elemento móvil de un campo magnético inductor.

Freno eléctrico en un camión

Freno eléctrico o electromagnético

Esquema de freno eléctrico

Cojinetes Dependiendo de la forma de apoyo entre los gorrones y sus soportes, se diferencian dos tipos de cojinetes: Los de deslizamiento. (llamados cojinetes)‏ Los de rodadura. (llamados rodamientos)‏ En los primeros, el gorrón descansa sobre un casquillo del propio cojinete, trabajando por deslizamiento entre superficies lubricadas. En los cojinetes de rodadura, los gorrones y el casquillo están separados por unos rodamientos que trabajan por rozamiento de rodadura.

Cojinetes de deslizamiento También llamados de fricción, debido a que las superficies fija y móvil "friccionan", por deslizamiento separadas por una película de lubricante. Están formados por un soporte que acopla perfectamente sobre un casquillo de metal duro, que es el cojinete propiamente dicho

Cojinetes de fricción para un cigüeñal

Cojinetes de rodadura o rodamientos En este tipo de cojinetes, el gorrón del árbol y la superficie de rodadura del soporte están separadas por elementos rodantes, de forma que con el giro del gorrón o del cojinete se genera un movimiento de rodadura y no de deslizamiento.

Tipos de rodamientos Un rodamiento está formado por dos anillos rodantes separados entre sí bolas, rodillos cilíndricos, agujas, etc.,) dando como resultado diferentes tipos de rodamientos.

Embragues En muchas ocasiones se hace necesario desconectar el eje motriz del resistente, por ejemplo en un vehículo, para cambiar la relación de transmisión en la caja de cambios (cambio de marcha) es preciso pisar el embrague (desembragado), en este momento el cigüeñal se separa del eje resistente que transmite la potencia a las ruedas. También es necesario el embrague para desacoplar la masa del vehículo del motor durante el arranque, para que éste se realice de forma uniforme y libre de sacudidas. Cuando la transmisión de potencia es máxima se dice que el embrague se encuentra embragado.

Tipos de embragues De accionamiento estático, cuando es necesario que los ejes motriz y resistente estén en reposo. Ejemplo: Embrague de garras. Si no están en reposo y accionamos el embrague se rompería. De accionamiento dinámico, cuando la conexión se puede realizar estando los dos ejes en reposo o en movimiento. Tenemos los siguientes: De fricción Hidráulicos Neumáticos

Embragado (sin accionar, par máx.)‏

Desembragado: pisado, no transmite par‏

Embragues hidráulicos Constan de dos platos con alabes enfrentados y muy próximos entre si y encerrados en una caja con un fluido. Uno de los platos está unido al motor y el otro a la caja de cambios, la transmisión de movimiento se realiza por la presión que sobre uno de los platos ejerce el fluido lanzado por el otro. El fundamento es el mismo que hace girar un molinillo de papel cuando se le sopla: la corriente de aire incide en las aspas inclinadas, que se ponen a dar vueltas rápidamente.

Fundamento de embragues hidráulicos Lo mismo ocurre si se enchufa un ventilador eléctrico y frente a él se coloca otro desconectado

Inconvenientes de los embragues hidráulicos Sólo funciona cuando la velocidad es elevada No sirve para su acoplamiento a una caja de cambios normal, por eso este embrague se utiliza en cajas de cambio automático de autocares y camiones Debido a la inevitable pérdida de energía por deslizamiento los vehículos, equipados con este tipo de embrague, consumen algo más de combustible que los equipados con un embrague normal de fricción

Ventajas de los embragues hidráulicos Ausencia de desgaste. Duración ilimitada, incluso mucho mayor que la vida útil del vehículo. Las vibraciones por torsión en la transmisión están fuertemente amortiguadas, cualidad muy importante para su utilización en los motores Diesel. Arranque muy suave, debido a la progresividad en el deslizamiento. Bajo coste de entretenimiento, no exigiendo más atención que el cambio periódico de aceite cada 15 000 ó 20 000 km.

Acumuladores de energía Son elementos capaces de almacenar energía para liberarla más adelante. Tenemos los siguientes tipos: Volantes de inercia Elementos elásticos

Volantes de inercia Son discos de masa elevada que se acoplan en el eje de una máquina para mantener estable su velocidad. Almacenan energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular

Rueda Volante o Volante de Inercia Este dispositivo, nació cuando los alfareros necesitaban tener una superficie girando durante un tiempo determinado, pudiendo prestar atención a dar forma a la pieza de alfarería, y no a impulsar la rueda

Elementos elásticos Poseen la propiedad de deformarse cuando están sometidos a una fuerza y recuperar su forma inicial cuando la fuerza deja de actuar. Se pueden aprovechar para realizar otra fuerza o absorber oscilaciones. Estos elementos se ven sometidos a esfuerzos de: Compresión como los muelles de los amortiguadores de los coches. Tracción como los muelles que mantienen las zapatas separadas en un freno de tambor. Flexión como las ballestas. Torsión como los muelles en espiral de un juguete al que se le “da cuerda”.

Muelles que trabajan a tracción

Muelle o resorte que trabaja a tracción

Resortes que trabajan a compresión

Resortes que trabajan a compresión

Resortes que trabajan a flexión

Resortes que trabajan a torsión

Resortes que trabajan a torsión

Equilibrado dinámico Se lleva acabo para estabilizar el giro de cualquier eje. La masa de todo el conjunto se debe repartir uniformemente respecto al eje de giro. Todo volante de inercia debe estar equilibrado Para equilibrar cualquier disco, rueda o hélice se utiliza una máquina especial y se le ponen contrapesas, como por ejemplo en las ruedas de un vehículo.

Maquina para el equilibrado dinámico de las ruedas y contrapesas

Árboles o ejes de transmisión Se utilizan para transmitir un movimiento de rotación entre dos ejes. Pueden ser de acoplamiento rígido o móvil. Acoplamientos rígidos, cuando la unión se realiza con elementos rígidos como tornillos. Problema: la posible desalineación u oscilación de los ejes. Se soluciona cambiando a un acoplamiento móvil.

Acoplamientos móviles Dependiendo del grado de desalineación u oscilación tenemos los siguientes tipos: Juntas elásticas, en ellas la unión entre los ejes se realiza interponiendo una pieza de caucho o goma, que absorbe vibraciones y desalineaciones. Juntas cardán, se utilizan para realizar la transmisión entre ejes desalineados. Siempre van por pares. Juntas homocinéticas, igual que las cardán pero se pueden emplear aisladamente. Las dos últimas absorben mayor desalineamiento que las elásticas, por eso se emplean en vehículos

Juntas elásticas o acoplamientos elásticos Se utilizan, por ejemplo, para absorber los desalineamientos de los ejes de motor y bomba

Acoplamientos elásticos dobles Absorben más desalineamientos que las simples

Otros acoplamientos elásticos Los acoplamientos fusibles son más débiles que el eje del motor y en caso de gripaje, siempre se romperá la corona antes que el eje. Más que un acoplamiento, un fusible para su motor. Se rompe antes que el eje del motor. El motor vale más que  un acoplamiento. Aislan eléctricamente la máquina motriz, de la conducida, por no existir contacto metálico entre ambas. Par de rotura de la corona 40 veces superior al par nominal indicado en las tablas.

Junta cardán Se usa para transmitir movimiento rotacional entre dos ejes que forman un cierto ángulo entre ellos. Ambos ejes dan el mismo nº de vueltas por minuto, por lo que su relación de transmisión es 1. Consta de:

Despiece de una junta cardán

Funcionamiento de la junta cardán El ángulo máximo admisible es de 45º, aunque normalmente no se superan los 20º

Juntas cardán Se emplean siempre por pares como en un camión

Detalles juntas cardán

Juntas homocinéticas Homocinética significa de igual velocidad. Una sola junta cardán no sería homocinética porque la velocidad angular del árbol arrastrado no es constante aunque lo sea la del árbol transmisor La primera posibilidad de lograr una junta homocinética es utilizando un cardán doble como se muestra en la figura o dos juntas cardán como ya hemos visto.

Junta homocinética Otra junta homocinética es la que se muestra en el esquema típico de la figura, este tipo de junta es la más universalmente utilizada en los vehículos ligeros de tracción delantera y palieres desnudos.

Junta homocinética en una rueda

Piezas de una junta homocinética

Acoplamiento móvil deslizante Se utiliza para solucionar el posible acortamiento o alargamiento entre dos ejes y se soluciona haciendo que un eje acabe con un cilindro hueco provisto de estrías axiales que encaja en las estrías del otro eje.

Acoplamiento móvil deslizante Unión deslizante, formada por un manguito (5) estriado interiormente que forma parte de una de las horquillas, acoplándose al estriado (6) del tubo.

Trenes de engranajes Es la transmisión en la que existen más de dos engranajes. Se utilizan cuando: La relación de transmisión que se quiere conseguir difiere mucho de la unidad. Los ejes de entrada y de salida de la transmisión están muy alejados. Se quiere que la relación de transmisión sea modificable. Los trenes de engranajes se pueden clasificar en trenes simples, si existe sólo una rueda por eje; y trenes compuestos, si en algún eje hay más de un engranaje.

Tren simple de engranajes Sólo una rueda por eje

Tren de engranaje compuesto Más de un engranaje por eje

Tren de engranaje compuesto El elemento principal de este mecanismo es la rueda dentada doble, que consiste en dos engranajes de igual paso, pero diferente número de dientes, unidos entre sí. En la figura podemos ver una rueda de Za=16 dientes y otra de Zb=8 dientes unidas al mismo eje mediante una chaveta.

Tren de engranaje compuesto El sistema completo se construye con varias ruedas dentadas dobles unidas en cadena, de tal forma que en cada rueda doble una hace de conducida de la anterior y otra de conductora de la siguiente.

Relación de transmisión La relación de transmisión entre el eslabón conductor y el conducido es: Producto de ruedas conductoras i = Producto de ruedas conducidas A la relación de transmisión se le atribuye signo positivo si los sentidos de giro de entrada y de salida son iguales, y negativo si son opuestos.

Relación de transmisión En este caso el eje motriz gira a la velocidad N1 y existen tres reducciones de velocidad. N4 será la velocidad del eje de salida. Si suponemos que el número de dientes de cada una de las ruedas no son iguales, se cumplirán las siguientes relaciones: N2=N1·(Za/Zb)‏ N3=N2·(Zc/Zd)‏ N4=N3·(Ze/Zf)‏ Por tanto, la velocidad del eje útil respecto a la del eje motriz será: N4=N1·(Za/Zb)·(Zc·Zd)·(Ze·Zf) Luego:

Relación de transmisión Como la velocidad del eje de salida N4 es: Si pasamos la N1 dividiendo, entonces se cumple lo que hemos dicho antes de la relación de transmisión, que: N4 Producto de ruedas conductoras i = = N1 Producto de ruedas conducidas

Trenes reductores o multiplicadores Como: N4 Producto de ruedas conductoras i = = N1 Producto de ruedas conducidas Si la velocidad del eje de salida es menor que la del eje de entrada tendremos un reductor de velocidad y se cumplirá siempre que la i<1. Si la velocidad del eje de salida es mayor que la del eje de entrada tendremos un amplificador de velocidad, también llamado multiplicador y se cumplirá siempre que la i>1.

Trenes de engranajes ordinarios Los trenes de engranajes que se han considerado hasta ahora se caracterizan porque los ejes de todas las ruedas están fijos mediante cojinetes al bastidor; por eso, se dice que son trenes de engranajes ordinarios. Pero existen trenes de otro tipo, en los que el eje de alguna rueda no está fijo al bastidor, sino que se puede mover. A esta clase de ruedas se las conoce como ruedas satélites, y a los trenes de engranajes que tienen alguna rueda de este tipo se les denomina trenes epicicloidales, planetarios o de ruedas satélites.

Tren epicicloidal

Caja de 14 velocidades con tren epicicloidal

Caja de velocidades La caja de velocidades, o caja de cambios es un tren de engranajes con dentado helicoidal, habitualmente, que se utiliza para variar la relación de transmisión entre dos ejes de rotación. En las figuras se puede apreciar cómo es el aspecto de una caja de velocidades:

Caja de velocidades Consta básicamente de dos ejes: el motriz o eje primario; y el de salida o secundario acoplado a las ruedas. El eje primario va provisto de una serie de engranajes que giran solidarios con el mismo, mientras que los engranajes existentes en el eje secundario giran locos, sin relación con el eje de salida. En el eje secundario existen también unos manguitos, que disponen de unas estrías interiores con las que se adhieren al eje y que les permite deslizarse linealmente sobre él, y de otras estrías exteriores que encajan en los engranajes que antes giraban locos en el eje secundario, fijándolos al eje de salida. En cada marcha sólo estará fijado un engranaje del eje secundario.

Engranajes de una caja de cambios

Funcionamiento del cambio

Diferencial El diferencial reduce la velocidad transmitida desde el motor e incrementa la fuerza de movimiento, así como también distribuye la fuerza de movimiento en la dirección izquierda y derecha transmitiendo este movimiento a las ruedas. También cuando el vehículo está girando, el diferencial absorbe las diferencias de rotación del movimiento de las ruedas izquierdas y derechas, haciendo esto posible que el vehículo gire fácilmente.

Partes de un diferencial

Diferencial Torsen para tracción 4x4