Elementos de Maquina I Unidad: Introducción Cargas Mecánicas.

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2 Elementos de Maquina

3 I Unidad: Introducción Cargas Mecánicas

4 EL FACTOR CARGA DE UN ELEMENTO La identificación y evaluación de las condiciones de carga son esenciales para el correcto funcionamiento de la máquina. La carga puede ser impuesta por el peso muerto de los elementos, por el trabajo realizado por la máquina, o por una combinación del peso muerto y del trabajo. La especificación precisa de la carga es difícil de dar en muchas aplicaciones. Los tipos de carga que se pueden presentar sobre un elemento son: Tracción, compresión, corte, flexión, torsión, carga combinada. La aplicación de la carga sobre un elemento puede ser estática, de impacto o variable. - Cuando una acción externa (fuerza, momento, gradiente de temperatura) es aplicada sobre un elemento se generan esfuerzos o tensiones en este, tratando de resistir esas acciones.

5 Conceptos de tensión Tensión de diseño o tensión admisible (σ adm):: tensión utilizada en los cálculos para el diseño del elemento. Tensión de trabajo o tensión nominal (σN): tensión desarrollada en el elemento bajo condiciones de operación. Conceptos de cargas. Para la determinación de los esfuerzos en el material, se deben tener en cuenta tanto las cargas estáticas (por ejemplo: el peso), como las cargas producidas por efectos dinámicos (por ejemplo: desbalance de una máquina rotante, acción de una carga variable, etc).

6 Nota: Se considera la condición más limitante (si las cargas variables son las que originan la tensión principal, el calculo es uno solo). Cargas Estáticas Son todas aquellas cargas que no varían su magnitud durante el transcurso del tiempo Cargas Dinámicas Son aquellas cargas que actúan sobre la estructura en forma repentina, variando su magnitud y ubicación durante el transcurso del tiempo. Carga dinámica en rodamientos La capacidad de carga, es la magnitud mecánica que nos permite calcular la vida útil de cualquier rodamientos que gira; ya sean axiales o radiales. La carga dinámica varía con el tiempo, pero su conocimiento ayuda a especificar una vida nominal para el rodamiento.

7 Carga estática en el rodamiento ¿Sabes qué es carga estática exactamente? Se trata de una carga invariable en el tiempo. Como definición básica podríamos decir que se trata del nivel de carga invariable que sufre el rodamiento en movimiento o en reposo. Este tipo de carga puede ser radial o axial. ¿Cómo definiríamos de forma ampliada este elemento? En un análisis en profundidad podríamos decir lo siguiente: Una carga estática es una acción estacionaria de una fuerza o un momento que actúan sobre cierto objeto. Para que una fuerza o momento sean estacionarios o estáticos deben poseer magnitud, dirección y punto (o puntos) de aplicación que no varíen con el tiempo.

8 Por ejemplo, carga estática y dinámica en una bomba La Carga Estática representa la resistencia en un sistema de bombeo antes de que el líquido entre en movimiento. El principal componente en la carga estática es la diferencia de elevación entre: La superficie del líquido en la succión y La superficie del líquido en la descarga. La Carga Estática es responsable también de la diferencia de presión entre el punto de succión y el punto de descarga. La Carga Estática no varía con la capacidad. La Carga Dinámica representa la resistencia de un sistema de bombeo mientras el fluido bombeado está en movimiento. Las perdidas en la carga dinámica son aquellas que se crean una vez que el fluido empieza a desplazarse a través del sistema. Estas pérdidas son debido a la fricción; comúnmente llamadas Pérdidas de Fricción. Las pérdidas de la carga dinámica están en función del flujo.

9 En resumen: Las cargas dinámicas se distinguen de las estáticas por el hecho de originar modificaciones tanto en la magnitud de las tensiones como en las deformaciones a que dan lugar, afectando también la forma y límite de rotura de los materiales. En los materiales solicitados dinámicamente la deformación de rotura se reduce en forma considerable. Asimismo, las experiencias realizadas demuestran incrementos del límite de fluencia y de la tensión de rotura. Muchos materiales que frente a cargas estáticas tienen un comportamiento dúctil, en el caso de cargas dinámicas presentan un comportamiento frágil. Las cargas dinámicas producidas por el impacto de un cuerpo en movimiento pueden originar en la estructura o en parte de ella efectos vibratorios. Si la carga dinámica se repite en forma periódica, y su frecuencia coincide con el período de vibración del elemento, éste puede entrar en resonancia.

10 Para el caso de carga variable: Este factor es siempre importante ya que la zona de concentración de esfuerzos máximos son zonas de concentración de deformaciones (máximas) y estas se consideran como las principales causantes de la promoción de la iniciación y crecimiento de grietas por fatiga con carga repetitiva, el esfuerzo en los puntos de concentración puede exceder la resistencia a la fatiga entonces la pieza romperá por fatiga iniciada en esos puntos. CARGA VARIABLE (INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE FATIGA): Frecuentemente ocurre que las piezas se someten a cargas con variación en el tiempo, o no estáticas (llamadas cargas repetidas alternantes o fluctuantes) y para estos casos el diseño y análisis de dichos elementos es completamente diferente. Como ejemplo se puede tomar una fibra particular de la superficie de un eje rotatorio, sometido a la acción de cargas de flexión (ya sea por desbalanceo o por carga externa) la cual pasa por esfuerzos de tensión y compresión en cada revolución del eje. Si el eje gira a 1800 rpm, este es sometido a 1800 ciclos de tensión – compresión por minuto.

11 Hoy en día, se estima que el 90 % de los casos de fallas metálicas se producen por la acción de cargas repetidas o fluctuantes. Dichas fallas se caracterizan por ser causadas por esfuerzos o tensiones máximas reales inferiores a la resistencia última del material y muchas veces inferiores a la resistencia de fluencia y además porque los esfuerzos se repitieron muchas veces. A este tipo de falla se la denomina falla por fatiga. Sintetizando Se puede decir que la falla por fatiga es la ruptura del elemento al ser sometido a una carga variable en el tiempo con el valor de la tensión máxima inferior a la tensión admisible del material. Las fallas por fatiga, especialmente en las estructuras, resultan catastróficas y ocurren repentinamente, a menudo sin advertencia. La fatiga es un fenómeno muy complejo, y su mecanismo consiste en la aparición y propagación de grietas muy pequeñas al principio (imperceptibles a simple vista), las cuales avanzan hasta producir la rotura de la pieza.

12 Las grietas, por lo general, se desarrollan en la superficie, en un punto de discontinuidad en el material, tal como un cambio en la sección transversal, un chavetero o un orificio. También hay otros puntos donde es probable que se inicien fallas por fatiga tal como las marcas de inspección o de otra clase, grietas o defectos internos del material o irregularidades causadas por el mecanizado. Una vez formada la grieta, el efecto de concentración de esfuerzo se hace mayor y se extiende rápidamente. Así, como el área resistente disminuye de tamaño, el esfuerzo aumenta en magnitud, hasta que finalmente, el área restante falla repentinamente. En consecuencia, la falla por fatiga esta caracterizada por dos áreas diferentes (Ver figura); un área correspondiente al desarrollo progresivo de la grieta y la otra originada por la ruptura repentina. Esta última tiene el aspecto parecido a la fractura de un material frágil como puede ser la fundición gris que ha fallado por tracción.

13 Cuando las piezas fallan estáticamente, por lo general sufren una deformación muy grande debido a que la tensión excedió la resistencia a la fluencia (deformación irrecuperable de la probeta), teniendo que repararse antes de que ocurra la rotura. Por lo tanto, muchas fallas estáticas son visibles y se detectan con anticipación, pero una falla por fatiga no da señal alguna y es repentina y total.

14 Que se debe considerar para maximizar la vida útil de un elemento: - Minimizar los defectos iniciales, en especial los defectos de superficie (mecanizado) -Maximizar el tiempo de iniciación de la falla (tratamiento superficial adecuado). -Maximizar el tiempo de propagación -Utilizar materiales que posean una buena tenacidad a la fractura. Para que ocurra falla por fatiga, deberán existir deformaciones cíclicas de naturaleza plástica. Por lo que deberemos conocer el comportamiento, elástico, plástico y el punto de rotura.

15 Comportamiento elástico: Las deformaciones del material son directamente proporcionales a la fuerza aplicada, siendo la deformación producida reversible y no permanente. Es el comportamiento descrito por Ley de Hooke. De esta manera podemos definir el límite elástico como la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Comportamiento plástico: Es un modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. En este caso las deformaciones son no reversibles y permanentes. Punto de rotura: Como su nombre indica, es el punto por encima del cual el material no puede seguir deformándose más y pierde toda su capacidad resistente

16 Unidad II Órganos de Unión CHAVETAS Y PASADORES Se denomina chaveta a una pieza de sección rectangular o cuadrada que se inserta entre dos elementos que deben ser solidarios entre sí para evitar que se produzcan deslizamientos de una pieza sobre la otra.

17 Las chavetas podemos clasificarlas por la posición : Longitudinales: se instalan paralelas al eje y se utilizan para transmitir el giro entre dos piezas, inmovilizadoras en sentido axial Transversales: Colocada perpendicular al eje y forzada en una de las piezas, se utiliza para unir ejes de maquinas, de forma similar a los pasadores Dibujo montaje

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19 Las aplicaciones típicas son: Las chavetas se usan en el ensamble de partes de maquinas para asegurarlas contra su movimiento relativo, por lo general rotatorio, como es el caso entre flechas cigüeñales, volantes, etc. Aun cuando los engranajes, las poleas, etc., están montados con un ajuste de interferencia, es aconsejable usar una chaveta diseñada para transmitir el momento torsionante total. Cuando las fuerzas relativas no son grandes, se emplea una chaveta redonda, una chaveta de silleta o una cuña plana. Para trabajo pesado son mas adecuadas las rectangulares. Qué son los Pasadores Son vástagos de acero de forma cilíndrica o cónica, cuyos extremos están abombados o mecanizados en forma de chaflán para facilitar su introducción en un orificio común a dos o más piezas, provocando su inmovilización (pasador de sujeción), o asegurando la posición relativa entre las piezas (pasador de posición). También se puede utilizar como elemento de guía o articulación.

20 FUNCIONES Conectar barras articuladas. Garantizar la posición adecuada entre las piezas. Garantizar que otras uniones no soporten esfuerzos de cizallamiento. Limitar determinadas sobrecargas. Trasmitir un momento de torsión. Evitando a la vez el desplazamiento axial de las partes.

21 Tipos de pasadores: Pasador cilíndrico Pasador cónico Pasador cónico con espiga roscada Pasador ajustado con cabeza Pasador estriados Remaches estriados Pasador de aletas Pasadores elásticos

22 Pasador cilíndrico: Se emplea como elemento de fijación y de posicionamiento entre dos o más piezas. La fijación de estos pasadores se realiza mediante un ajuste con apriete sobre una de las piezas y con juego sobre la otra. Pasador cónico: Se emplea para asegurar la posición relativa de elementos mecánicos que se montan y desmontan con relativa frecuencia, puesto que la forma cónica del vástago facilita el centrado de las piezas. Pasador cónico con espiga roscada: Se utiliza allí donde la extracción de un pasador cónico normal resultaría complicada. Tiene una conicidad de 1:50. Al apretar la tuerca auxiliar, el pasador se extrae con facilidad.

23 Pasador ajustado con cabeza: Es un elemento de unión empleado en articulaciones que tienen habitualmente juego en el cojinete. Se asegura por medio de arandelas y pasadores de aletas o bien va provisto de extremo roscado

24 Pasador estriados Estos tienen 3 entalladuras longitudinales, las cuales se desplazan 120° al rededor de la periferia. De acuerdo a la diferente configuración de las entalladuras se emplean diferentes tipos de acabado. Pasador de aletas Está formado por un alambre de sección semicircular plegado sobre sí mismo y permitiendo un ojal que actúa de tope y facilita su extracción. Una vez introducido en su alojamiento se doblan en sentido opuesto sus extremos produciendo su fijación.

25 Pasadores elásticos: El pasador elástico es un cilindro hueco, longitudinalmente tiene una ranura de un extremo a otro, para facilitar su introducción se ha previsto en uno o en los dos extremos (según el diámetro nominal) un chaflán.

26 Pasador tipo "R”: también conocidos como pasador "beta", poseen una forma asimétrica, medio pasador tiene forma ondulada. La otra mitad del pasador es recta. Este tramo recto de los pasadores beta es el que se pone en el agujero del eje. Comúnmente utilizado para asegurar los extremos de los ejes redondos. Pasadores de enganche: también conocidos como pasadores "hitch", sirven de enlace entre dos componentes, entre los que puede existir un giro relativo. Se mantienen en su posición gracias a un pasador en un extremo y por un doblez o mango en el otro. Este tipo de pasador puede soportar esfuerzos considerables siempre que no se apliquen sobre el pasador de alambre.

27 Pasadores tipo horquilla: También llamados pasadores de retención o tipo omega, es una variación del pasador tipo R pensado para proporcionar sujeción en ejes ranurados. Pasador tipo clevis: Es una pieza de ferretería consistente en una cabeza, un cuerpo cilíndrico y un orificio en un extremo. Estos pasadores están diseñados para soportar esfuerzos cortantes y de torsión para permitir cierta libertad de movimientos a los componentes ensamblados. Es necesario un pasador de alambre para evitar la que éste se salga de su eje.

28 Los elementos de sujeción son una serie de piezas destinadas a la unión de estructuras; existe una gran cantidad de piezas combinables, adaptables a cualquier necesidad, facilitando el agarre a las estructuras en breves segundos. Fabricados principalmente en acero, su robustez y potencia de agarre junto a su gran facilidad de colocación los hacen insustituibles. Los elementos de sujeción son también llamadas piezas “auxiliares” estandarizadas que dan el “acomodo” final en el ensamble de un conjunto. Los dispositivos de sujeción son de dos tipos: los desmontables y los permanentes. Resumen

29 Los desmontables son aquellos que reúnen varias piezas de manera solidaria y forman con ellas una misma pieza, pero que permiten en todo momento su separación mediante una maniobra fácil que no deteriora los elementos. Este sistema es el más frecuente empleado y de los medios de unión desarmable más utilizados está el empleo de los que tienen rosca como los tornillos, pernos y espárragos. Sujeción Desmontable

30 Perno: Es un tornillo con cabeza (hexagonal, cuadrada), el cual se hace pasar por agujeros holgados; en su extremo roscado recibe una tuerca con la cual aprieta y mantiene juntas las piezas por unir. Tornillos: Es un elemento que es utilizado en la fijación temporal de unas piezas con otras, para convertir un movimiento giratorio en lineal cuando se necesite una fuerza que apriete.

31 Cuello: Es la parte del cilindro que ha quedado sin roscar, en algunos tornillos la parte del cuello que está más cercana a la cabeza. Rosca: Es la parte que tiene tallado el surco. Además cada elemento de la rosca tiene su propio nombre, se denomina filete o hilo a la parte saliente del surco, fondo o raíz a la parte baja y cresta a la más saliente. Cabeza: Permite sujetar el tornillo o imprimirle movimiento giratorio con la ayuda de herramientas adecuadas

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33 Tipos de tornillo según su cabeza: De cabeza hexagonal De cabeza hexagonal con pivote De cabeza hexagonal con valona De cabeza hexagonal con extremo en punta (tornillo prisionero) De cabeza ranurada y ranurada cruciforme (Phillips) De cabeza cuadrada De cabeza cilíndrica con hexágono interior De mariposa De cabeza redonda De cabeza de gota De cabeza Torx

34 Tipos de tornillo según su material: De aluminio Duraluminio De acero inoxidable De plástico De hierro

35 Tipos de tornillo según su acabado: Cadminizado Galvanizado Tropicalizado Niquelado Fosfatizado Pavonado

36 Tipos de tornillo según su Función: Tornillos autorroscantes y autoperforantes para chapa metálicas y maderas duras. Tornillos con rosca para madera. Tornillos de rosca para uniones metálicas Tornillos tirafondos para paredes y madera.

37 Espárragos: Son varillas roscadas en ambos extremos y se utilizan en los ensambles. Un extremo del espárrago se atornilla en una de las partes por ensamblar, y las otras partes de la unión, como arandelas y tapas, se colocan en los espárragos por medio de agujeros holgados y se sujetan por medio de una tuerca que se atornilla en el extremo libre del espárrago.

38 El perfil indica la forma de la sección del filete de la rosca, en un plano que contiene el eje del tornillo, tenemos: TRIANGULAR Se usa en tornillos y tuercas de fijación, uniones en tubos FORMAS DE LAS ROSCAS:

39 TRAPEZOIDAL Se usa en órganos de comando de las máquinas herramientas (para transmisión de movimiento suave y uniforme), husillos, prensas de estampar. CUADRADA Se aplica en tornillos de piezas sujetas a choques y grandes esfuerzos. Ejemplo: Tornillos de banco

40 DIENTE DE SIERRA Se aplica cuando el tornillo ejerce gran esfuerzo en un solo sentido, como en tornillos de banco, gatos, etc. REDONDO Se aplica en tornillos de grandes diámetros que deben soportar grandes esfuerzos

41 Adicional a la forma del perfil de la rosca, que de por si nos da una manera de identificarla, debemos considerar otros elementos de identificación como son: el sentido de la hélice y el paso. En base al perfil triangular tenemos: el paso métrico (sistema internacional), y el paso inglés. Este último puede ser: UNC – Nacional Unificada Gruesa (Unified National Coarse) UNF – Nacional Unificada Fina (Unified National Fine) IDENTIFICACION DE LAS ROSCAS:

42 Las denominaciones unificada gruesa y unificada fina, hacen referencia al número de hilos por pulgada de longitud en los elementos roscados estándar: ½ pulgada – 13 UNC Significa: Diámetro mayor de ½ pulgada y 13 es el número de hilos por pulgada de longitud. ½ pulgada – 20 UNF Significa: Diámetro mayor de ½ pulgada y 20 es el número de hilos por pulgada de longitud. IDENTIFICACION DE LAS ROSCAS:

43 SENTIDO DE DIRECCION DEL FILETE El filete puede tener dos sentidos de dirección: A la derecha o a la izquierda.

44 P = Paso d 2 = Diámetro de flanco d = Diámetro externo d 1 = Diámetro interno (núcleo)  = Angulo de filete c = cresta D = Diámetro de fondo tuerca D 1 = Diámetro del agujero de la tuerca i = Angulo de la hélice. f = Raíz del filete h = Altura del filete del tornillo h 1 = Altura del filete de la tuerca

45 PASO DE ROSCA Es la distancia entre dos filetes consecutivos medidos paralelamente al eje.

46 ROSCA TRIANGULAR METRICA El ángulo del perfil del filete es de 60 0. El paso está dado en milímetros. Perfil: Triángulo equilátero con vértice achatado y tiene redondeada la raíz de la rosca. Sus dimensiones deben ser verificadas en las tablas Rosca Métrica Normal y Rosca Métrica Fina, que es el Sistema Internacional. La rosca métrica fina en una determinada longitud, tiene mayor número de filetes que la rosca normal, facilitando así mayor fijación. ROSCA TRIANGULAR WITHWORTH El ángulo del perfil del filete es de 550. Paso: 1 pulgada dividida por el número de hilos. Perfil: Triángulo isósceles con el vértice y la raíz redondeadas. Sus dimensiones son escogidas en las dos tablas de Rosca Whitworth Normal y Rosca Withworth Fina, para construir roscas con machuelos y terrajas.

47 ELEMENTOS ROSCADOS: El otro elemento roscado correspondiente se denomina tuerca y se identifica por la medida del tornillo para el que sirve, las más usadas son las denominadas hexagonales. En muchos ensambles podemos encontrar tuercas hexagonales delgadas, que se denominan contratuercas.

48 ARANDELAS: Las arandelas planas se usan debajo de las tuercas y de las cabezas de los tornillos pasantes para distribuir la presión sobre un área mayor. Protegen también contra daños a las superficies terminadas cuando se aprietan las tuercas o los tornillos y pueden fabricarse de diversos materiales. La medida nominal de una arandela corresponde a la medida nominal del tornillo, pasante o no pasante, con el que va a usarse

49 ARANDELAS:

50 SEGUROS DE ANILLO O DE ARCO: Son elementos de sujeción que se emplean en muchos ensambles. Los seguros de arco pueden instalarse fácilmente dentro de ranuras maquinadas, ya sea interiormente en cajas o alojamientos, o exteriormente sobre ejes o pernos. Algunos tipos de seguros, no requieren de ranura, sino que tienen una acción de resorte autoaseguradora. La aplicación más común de los seguros es la de proporcionar o aportar un hombro para sostener y retener un rodamiento u otra parte sobre un eje. Nota: Se usan herramientas especiales para instalar y retirar los seguros.

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52 Unidad III: Ejes y Arboles de transmisión

53 Eje: Un eje es un elemento, normalmente cilíndrico, que gira sobre si mismo y sirve para sostener diferentes piezas. Permiten el giro de elementos mecánicos situados sobre ellos, pero no giran solidariamente con ellos, sino que giran libremente. Árbol: Un árbol es un elemento de una máquina, cilíndrico o no, sobre el que se montan diferentes piezas mecánicas, a los que se transmite potencia. Pueden adoptar diferentes formas y giran siempre junto con los órganos soportados. La diferencia entre los ejes y árboles es que los primeros son elemntos que sustentan los órganos giratorios de las máquinas y no transmiten potencia, mientras que los árboles son elementos que transmiten potencia y están sometidos a esfuerzos de torsión.

54 Tipos de arboles: – Árbol recto: – Exteriormente tienen una forma perfectamente cilíndrica, pudiendo variar la posición de apoyos, cojinetes, etc. Este tipo de árboles se utilizan cuando ocurren una torsión media. – Árbol acodado: – Se emplean siempre que se quiera transformar en una maquina el movimiento alternativo en movimiento giratorio y viceversa. Se pueden presentar momentos torsionales importantes en algunos tramos. Se diferencia del resto de los árboles debido a su forma ya que no sigue una línea recta sino de forma cigüeñal.

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56 TIPOS DE EJES: Atendiendo a la forma de trabajo, los ejes pueden ser: EJES FIJOS: Permiten el giro de los elementos mecánicos situados sobre ellos, pero no giran solidariamente con ellos, es decir, los elementos mecánicos giran libremente sobre ellos. EJES GIRATORIOS: Pueden girar solidariamente con algunos de los elementos situados sobre ellos.

57 1.Ranura para diferenciar diámetros contiguos 2.Muñones para cojinetes 3.Escalón de apoyo para absorber cargas axiales 4.Zona de ajuste para montaje de elementos. 5.Zona de transición 6.Biseles 7.Cuñeros 8.Zona de centraje

58 Los materiales empleados para la construcción de los árboles deben distinguirse por las características de: resistencia suficientemente alta, pequeña sensibilidad a la concentración de tensiones, capacidad de poder ser tratados térmicamente y poseer buena maquinabilidad. La resistencia y rigidez son factores clave siempre tomados en cuenta en la selección de un material. Igualmente importantes es la confiabilidad relativa y la durabilidad de la pieza cuando se consideran alternativas posibles con respecto al material. El contenido de carbono, determina la máxima dureza que puede desarrollarse en el acero. El máximo potencial de dureza según el contenido de carbono puede llegar hasta cerca de 0,7%. Esto significa que se puede aplicar un tratamiento térmico a las partes con forma regular. Los elementos de aleación (manganeso, molibdeno, cromo, níquel y otros) elevan la capacidad de temple del acero. Por lo tanto, el potencial de dureza y resistencia (el cual está controlado por el contenido de carbono) puede obtenerse con tratamientos térmicos menos drásticos usando dichos elementos de aleación.

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