Elementos de mquinas y sistemas mecnicos IIDepartamento de TecnologaProfesor: Pascual Santos LpezIES Diego Tortosa

CONTENIDOSTrinqueteRueda libreSistemas de frenadoEmbraguesAcumuladores de energaEquilibrio dinmicorboles o ejes de transmisinTrenes de engranajesCaja de velocidadesDiferencial

TRINQUETESe utiliza para que el mecanismo slo gire en un sentidoLos trinquetes pueden ser:Fijos, impiden siempre el giro en un solo sentidoReversibles, se puede cambiar el sentido de giro

Rueda libreSistema que desacopla el engranaje de salida del de entrada, cuando la velocidad del engranaje de salida es mayor que la que le corresponde por transmisin

Rueda libre en un helicpteroNecesaria para desacoplar el motor del rotor en caso de fallo de motor o en el caso de funcionamiento en ralent.

Rueda libre en un helicptero

Sistemas de frenadoNecesarios para detener el giro de un eje de forma rpida. Pueden ser:Frenado mecnico, basado en la fuerza de friccin entre dos superficies de contacto. Transforman la energa cintica de rotacin en energa calorfica disipada al ambiente.Frenos de tamborFrenos de discoFrenado elctrico, se basa en un disco o rotor con devanados rodeados por un electroimn, que cuando se activa atrae al disco o al rotor frenndolos

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

Frenos de discoFrenos de disco: sustituyen el tambor por un disco, que tambin 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 mbolo (D) y pinza de freno (C), que se aplican lateralmente contra l deteniendo su giro. Suelen ir convenientemente protegidos y refrigerados, para evitar un calentamiento excesivo de los mismos, Fatiga trmica del ferodo (pelcula de amianto como friccin).

Ferodo en las pastillas

Circuito hidrulico de frenos

Freno elctricoEs un freno continuo o retardador, que slo funciona con el motor en marcha, no siendo utilizables como frenos de friccin, es decir, no es un freno de parada, aunque pueda llegar a hacerlo.Se intercala en la transmisin, sujeto al chasis, empleando en vehculos pesados como tercer freno auxiliar, teniendo por misin mantener las revoluciones en la transmisin a un rgimen determinado.Funciona por corriente elctrica suministrada por la batera, siendo ms eficaz a mayor nmero de revoluciones de la transmisin. No existe roce con roce entre sus elementos de frenado, ya que este efecto se produce por la reaccin de las corrientes inducidas sobre el elemento mvil de un campo magntico inductor.

Freno elctrico en un camin

Freno elctrico o electromagntico

Esquema de freno elctrico

CojinetesDependiendo 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 gorrn descansa sobre un casquillo del propio cojinete, trabajando por deslizamiento entre superficies lubricadas.En los cojinetes de rodadura, los gorrones y el casquillo estn separados por unos rodamientos que trabajan por rozamiento de rodadura.

Cojinetes de deslizamientoTambin llamados de friccin, debido a que las superficies fija y mvil "friccionan", por deslizamiento separadas por una pelcula de lubricante.Estn formados por un soporte que acopla perfectamente sobre un casquillo de metal duro, que es el cojinete propiamente dicho

Cojinetes de friccin para un cigeal

Cojinetes de rodadura o rodamientosEn este tipo de cojinetes, el gorrn del rbol y la superficie de rodadura del soporte estn separadas por elementos rodantes, de forma que con el giro del gorrn o del cojinete se genera un movimiento de rodadura y no de deslizamiento.

Tipos de rodamientosUn rodamiento est formado por dos anillos rodantes separados entre s bolas, rodillos cilndricos, agujas, etc.,) dando como resultado diferentes tipos de rodamientos.

EmbraguesEn muchas ocasiones se hace necesario desconectar el eje motriz del resistente, por ejemplo en un vehculo, para cambiar la relacin de transmisin en la caja de cambios (cambio de marcha) es preciso pisar el embrague (desembragado), en este momento el cigeal se separa del eje resistente que transmite la potencia a las ruedas.Tambin es necesario el embrague para desacoplar la masa del vehculo del motor durante el arranque, para que ste se realice de forma uniforme y libre de sacudidas.Cuando la transmisin de potencia es mxima se dice que el embrague se encuentra embragado.

Tipos de embraguesDe accionamiento esttico, cuando es necesario que los ejes motriz y resistente estn en reposo. Ejemplo: Embrague de garras. Si no estn en reposo y accionamos el embrague se rompera.De accionamiento dinmico, cuando la conexin se puede realizar estando los dos ejes en reposo o en movimiento. Tenemos los siguientes:De friccinHidrulicosNeumticos

Embragado (sin accionar, par mx.)

Desembragado: pisado, no transmite par

Embragues hidrulicosConstan de dos platos con alabes enfrentados y muy prximos entre si y encerrados en una caja con un fluido. Uno de los platos est unido al motor y el otro a la caja de cambios, la transmisin de movimiento se realiza por la presin 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 rpidamente.

Fundamento de embragues hidrulicosLo mismo ocurre si se enchufa un ventilador elctrico y frente a l se coloca otro desconectado

Inconvenientes de los embragues hidrulicos Slo funciona cuando la velocidad es elevadaNo sirve para su acoplamiento a una caja de cambios normal, por eso este embrague se utiliza en cajas de cambio automtico de autocares y camiones Debido a la inevitable prdida de energa por deslizamiento los vehculos, equipados con este tipo de embrague, consumen algo ms de combustible que los equipados con un embrague normal de friccin

Ventajas de los embragues hidrulicosAusencia de desgaste. Duracin ilimitada, incluso mucho mayor que la vida til del vehculo. Las vibraciones por torsin en la transmisin estn fuertemente amortiguadas, cualidad muy importante para su utilizacin en los motores Diesel. Arranque muy suave, debido a la progresividad en el deslizamiento. Bajo coste de entretenimiento, no exigiendo ms atencin que el cambio peridico de aceite cada 15 000 20 000 km.

Acumuladores de energaSon elementos capaces de almacenar energa para liberarla ms adelante.Tenemos los siguientes tipos:Volantes de inerciaElementos elsticos

Volantes de inerciaSon discos de masa elevada que se acoplan en el eje de una mquina para mantener estable su velocidad. Almacenan energa cintica.Este volante contina 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. As se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular

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

Elementos elsticosPoseen la propiedad de deformarse cuando estn 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:Compresin como los muelles de los amortiguadores de los coches.Traccin como los muelles que mantienen las zapatas separadas en un freno de tambor.Flexin como las ballestas.Torsin como los muelles en espiral de un juguete al que se le da cuerda.

Muelles que trabajan a traccin

Muelle o resorte que trabaja a traccin

Resortes que trabajan a compresin

Resortes que trabajan a compresin

Resortes que trabajan a flexin

Resortes que trabajan a torsin

Resortes que trabajan a torsin

Equilibrado dinmicoSe 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 equilibradoPara equilibrar cualquier disco, rueda o hlice se utiliza una mquina especial y se le ponen contrapesas, como por ejemplo en las ruedas de un vehculo.

Maquina para el equilibrado dinmico de las ruedas y contrapesas

rboles o ejes de transmisinSe utilizan para transmitir un movimiento de rotacin entre dos ejes. Pueden ser de acoplamiento rgido o mvil.Acoplamientos rgidos, cuando la unin se realiza con elementos rgidos como tornillos. Problema: la posible desalineacin u oscilacin de los ejes. Se soluciona cambiando a un acoplamiento mvil.

Acoplamientos mvilesDependiendo del grado de desalineacin u oscilacin tenemos los siguientes tipos:Juntas elsticas, en ellas la unin entre los ejes se realiza interponiendo una pieza de caucho o goma, que absorbe vibraciones y desalineaciones.Juntas cardn, se utilizan para realizar la transmisin entre ejes desalineados. Siempre van por pares.Juntas homocinticas, igual que las cardn pero se pueden emplear aisladamente.Las dos ltimas absorben mayor desalineamiento que las elsticas, por eso se emplean en vehculos

Juntas elsticas o acoplamientos elsticosSe utilizan, por ejemplo, para absorber los desalineamientos de los ejes de motor y bomba

Acoplamientos elsticos doblesAbsorben ms desalineamientos que las simples

Otros acoplamientos elsticosLos acoplamientos fusibles son ms dbiles que el eje del motor y en caso de gripaje, siempre se romper la corona antes que el eje.Ms que un acoplamiento, unfusibleparasumotor. Se rompe antes que el eje del motor. Elmotorvalemsqueunacoplamiento.Aislan elctricamente la mquina motriz, de la conducida, por no existir contacto metlico entre ambas. Par de rotura de la corona 40 veces superior al par nominal indicado en las tablas.

Junta cardnSe usa para transmitir movimiento rotacional entre dos ejes que forman un cierto ngulo entre ellos.Ambos ejes dan el mismo n de vueltas por minuto, por lo que su relacin de transmisin es 1.Consta de:

Despiece de una junta cardn

Funcionamiento de la junta cardnEl ngulo mximo admisible es de 45, aunque normalmente no se superan los 20

Juntas cardnSe emplean siempre por pares como en un camin

Detalles juntas cardn

Juntas homocinticasHomocintica significa de igual velocidad.Una sola junta cardn no sera homocintica porque la velocidad angular del rbol arrastrado no es constante aunque lo sea la del rbol transmisor

La primera posibilidad de lograr una junta homocintica es utilizando un cardn doble como se muestra en la figura o dos juntas cardn como ya hemos visto.

Junta homocinticaOtra junta homocintica es la que se muestra en el esquema tpico de la figura, este tipo de junta es la ms universalmente utilizada en los vehculos ligeros de traccin delantera y palieres desnudos.

Junta homocintica en una rueda

Piezas de una junta homocintica

Acoplamiento mvil deslizanteSe 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 estras axiales que encaja en las estras del otro eje.

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

Trenes de engranajesEs la transmisin en la que existen ms de dos engranajes. Se utilizan cuando:La relacin de transmisin que se quiere conseguir difiere mucho de la unidad.Los ejes de entrada y de salida de la transmisin estn muy alejados.Se quiere que la relacin de transmisin sea modificable.Los trenes de engranajes se pueden clasificar en trenes simples, si existe slo una rueda por eje; y trenes compuestos, si en algn eje hay ms de un engranaje.

Tren simple de engranajesSlo una rueda por eje

Tren de engranaje compuestoMs de un engranaje por eje

Tren de engranaje compuestoEl elemento principal de este mecanismo es la rueda dentada doble, que consiste en dos engranajes de igual paso, pero diferente nmero de dientes, unidos entre s. 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 compuestoEl 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.

Relacin de transmisinLa relacin de transmisin entre el eslabn conductor y el conducido es: Producto de ruedas conductorasi = Producto de ruedas conducidasA la relacin de transmisin se le atribuye signo positivo si los sentidos de giro de entrada y de salida son iguales, y negativo si son opuestos.

Relacin de transmisinEn este caso el eje motriz gira a la velocidad N1 y existen tres reducciones de velocidad. N4 ser la velocidad del eje de salida.Si suponemos que el nmero de dientes de cada una de las ruedas no son iguales, se cumplirn las siguientes relaciones:N2=N1(Za/Zb)N3=N2(Zc/Zd)N4=N3(Ze/Zf)Por tanto, la velocidad del eje til respecto a la del eje motriz ser: N4=N1(Za/Zb)(ZcZd)(ZeZf) Luego:

Relacin de transmisinComo la velocidad del eje de salida N4 es:

Si pasamos la N1 dividiendo, entonces se cumple lo que hemos dicho antes de la relacin de transmisin, que: N4 Producto de ruedas conductorasi = = N1 Producto de ruedas conducidas

Trenes reductores o multiplicadoresSi la velocidad del eje de salida es menor que la del eje de entrada tendremos un reductor de velocidad y se cumplir siempre que la i1.Como: N4 Producto de ruedas conductorasi = = N1 Producto de ruedas conducidas

Trenes de engranajes ordinariosLos trenes de engranajes que se han considerado hasta ahora se caracterizan porque los ejes de todas las ruedas estn 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 est fijo al bastidor, sino que se puede mover. A esta clase de ruedas se las conoce como ruedas satlites, y a los trenes de engranajes que tienen alguna rueda de este tipo se les denomina trenes epicicloidales, planetarios o de ruedas satlites.

Tren epicicloidal

Caja de 14 velocidades con tren epicicloidal

Caja de velocidadesLa caja de velocidades, o caja de cambios es un tren de engranajes con dentado helicoidal, habitualmente, que se utiliza para variar la relacin de transmisin entre dos ejes de rotacin.En las figuras se puede apreciar cmo es el aspecto de una caja de velocidades:

Caja de velocidadesConsta bsicamente 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 relacin con el eje de salida.En el eje secundario existen tambin unos manguitos, que disponen de unas estras interiores con las que se adhieren al eje y que les permite deslizarse linealmente sobre l, y de otras estras exteriores que encajan en los engranajes que antes giraban locos en el eje secundario, fijndolos al eje de salida.En cada marcha slo estar fijado un engranaje del eje secundario.

Engranajes de una caja de cambios

Funcionamiento del cambio

DiferencialEl diferencial reduce la velocidad transmitida desde el motor e incrementa la fuerza de movimiento, as como tambin distribuye la fuerza de movimiento en la direccin izquierda y derecha transmitiendo este movimiento a las ruedas.Tambin cuando el vehculo est girando, el diferencial absorbe las diferencias de rotacin del movimiento de las ruedas izquierdas y derechas, haciendo esto posible que el vehculo gire fcilmente.

Partes de un diferencial

Diferencial Torsen para traccin 4x4