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1. INTRODUCCIÓN
Toda máquina es una combinación de mecanismos; y un mecanismo es una
combinación de operadores cuya función es producir, transformar o controlar un movimiento.
Los mecanismos se construyen encadenando varios operadores mecánicos entre sí, de
tal forma que la salida de uno se convierte en la entrada del siguiente.
Por ejemplo, en el taladro de sobremesa se emplean varios mecanismos, analicemos
dos de ellos relacionados con los movimientos de la broca (giro y avance):
Transmisión de Movimiento
El primer mecanismo es el encargado de
llevar el movimiento giratorio desde el eje
conductor al conducido (desde el motor al eje
que hace girar la broca). Para construirlo se
emplean poleas de diferentes diámetros, dos
ejes y una correa, formando la denominada caja
de velocidades. Con este sistema se modifican
las condiciones de velocidad del eje del motor
adaptándolas a las que necesita la broca.
Transformación de Movimiento
El segundo mecanismo es el encargado de
desplazar la broca longitudinalmente (hacia
arriba o hacia abajo). Este mecanismo consiste
en un eje de avance que accionado por una
palanca hace girar un piñón que a su vez
engrana con una cremallera que se desplaza
hacia arriba o hacia abajo. Vemos que con este
sistema transformamos un movimiento circular
en el extremo de la palanca de control en uno
longitudinal de la broca.
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2. MECANISMOS PARA TRANSMITIR Y/O TRANSFORMAR MOVIMIENTOS
Para diseñar mecanismos para nuestros proyectos de tecnología necesitamos conocer
el movimiento que tenemos (movimiento de entrada) y el que queremos (movimiento de
salida) para después elegir la combinación de operadores (mecanismo) más adecuada. En
el cuadro siguiente se ofrece una clasificación útil para abordar los proyectos de Tecnología:
Movimiento Entrada
Movimiento Salida
Mecanismo que podemos emplear
Giratorio
Giratorio
Transmisión por correa (Polea-correa)
Transmisión por cadena (Cadena-piñón)
Engranajes (Ruedas dentadas)
Sinfín-rueda dentada
Lineal alternativo
Cigüeñal-biela
Biela-manivela y Excéntrica-Biela
Leva-émbolo y Excéntrica-émbolo
Lineal continuo
Cremallera-piñón
Tornillo-tuerca
Lineal continuo Giratorio
Cremallera-Piñón o Cadena-Piñón
Aparejos de poleas
Rueda
Lineal alternativo
Giratorio alternativo
Cremallera-piñón
Giratorio continuo
Biela-manivela (excéntrica-biela; cigüeñal-biela)
Lineal alternativo Sistema de palancas
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3. TIPOS DE MECANISMOS
3.1. Transmisión por Correa
Se emplea para transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes distantes permitiendo
aumentar, disminuir o mantener la velocidad de giro del eje conductor, al tiempo que
mantener o invertir el sentido de giro de los ejes.
Este mecanismo es muy empleado en aparatos electrodomésticos (neveras,
lavadoras, lavavajillas...), electrónicos (aparatos de vídeo y audio) y en algunos mecanismos
de motores térmicos (ventilador, alternador, bomba de agua...).
Descripción
La transmisión por poleas más elemental que puede construirse emplea, al menos, los
siguientes operadores: dos ejes (conductor y conducido), dos poleas fijas de correa
(conductora y conducida), una correa y una base sobre la que fijar todo el conjunto.
La utilidad de cada operador es la siguiente:
El eje conductor es el eje que dispone del movimiento que queremos trasladar o
transformar (en una lavadora sería el propio eje del motor).
El eje conducido es el eje que tenemos que mover (en una lavadora sería el eje al
que está unido el bombo).
Polea conductora es la que está unida al eje conductor.
Polea conducida es la que está unida al eje conducido.
La correa es un aro flexible que abraza ambas poleas y transmite el movimiento de
una a otra.
La base: encargada de sujetar los ejes y mantenerlos en la posición adecuada.
Relación de velocidades
La transmisión de movimientos entre dos ejes mediante poleas está en función de los
diámetros de estas, cumpliéndose en todo momento:
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Donde:
D1 Diámetro de la polea conductora (cm o mm)
D2 Diámetro de la polea conducida (cm o mm)
N1 Velocidad de giro de la Polea Conductora (rpm)
N2 Velocidad de giro de la Polea Conducida (rpm)
Definiendo la relación de velocidades o relación de transmisión (i) como:
conducidapoleaDiámetro
conductorapoleaDiámetro
conductoreje Velocidad
conducidoeje Velocidad
i ==
D2
D1
1
2
i ==
Este sistema de transmisión de movimientos tiene importantes ventajas: mucha
fiabilidad, bajo coste, funcionamiento silencioso, no precisa lubricación, tiene una cierta
elasticidad...
Como desventaja se puede apuntar que cuando la tensión es muy alta, la correa puede
llegar a salirse de la polea, lo que en algunos casos puede llegar a provocar alguna avería
más seria.
Posibilidad de variar la velocidad de giro
Teniendo en cuenta la relación de velocidades que se establece en función de los
diámetros de las poleas, con una adecuada elección de diámetros se podrá aumentar
disminuir o mantener la velocidad de giro del eje conductor en el conducido.
Disminuir de la velocidad de giro
Si la Polea conductora
es menor que la
conducida, la velocidad de giro del
eje conducido
es menor que la del conductor.
Mantener la velocidad de giro
Si ambas poleas tienen igual diámetro, las
velocidades de los ejes serán iguales.
Aumentar la velocidad de giro
Si la Polea conductora
tiene mayor diámetro que la
conducida, la velocidad de giro aumenta.
Invertir el sentido de giro
Empleando poleas y correas también es posible
invertir el sentido de giro de los dos ejes sin más q
ue
cruzar las correas.
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3.2. Transmisión por Cadena
Permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes paralelos, pudiendo modificar
la velocidad pero no el sentido de giro (no es posible hacer que un eje gire en sentido horario
y el otro en el contrario).
En las bicicletas se emplean mucho el "cambio de velocidad" compuesto por varias
ruedas en el eje del pedal (catalina) y varias en el de la rueda (piñón), lo que permite
obtener, modificando la posición de la cadena, velocidades diferentes.
Este mecanismo se emplea mucho en bicicletas, motos, motores de automóvil, puertas
elevables, apertura automática de puertas...
Descripción
Este sistema consta de una cadena cuyos eslabones engranan con ruedas dentadas
(piñones) que están unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido. Los ejes
tienen que mantenerse en posición fija uno respecto a otro, por lo que suelen sujetarse
mediante soportes, armaduras u horquillas (en el caso de motos y bicicletas).
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Relación de velocidades
Para la relación de transmisión valen todas las ecuaciones deducidas para las poleas o
para las ruedas dentadas, sin más que sustituir el diámetro de las poleas por el número de
dientes de los piñones, así se cumple:
2
Z2
1
Z1
×
=
×
Donde:
Z1 Número de dientes del piñón conductor
Z2 Número de dientes del piñón conducido
N1 Velocidad de giro del Piñón Conductor (rpm)
N2 Velocidad de giro del Piñón Conducido (rpm)
Definiendo la relación de velocidades o relación de transmisión (i) como:
conducido piñón dientes nº
conductor piñón dientes nº
conductoreje Velocidad
conducidoeje Velocidad
i ==
Z2
Z1
1
2
i ==
Ventajas e inconvenientes
Este sistema aporta beneficios sustanciales respecto al sistema correa-polea, pues al
emplear cadenas que engranan en los dientes de los piñones se evita el deslizamiento que
se producía entre la correa y la polea.
Otras ventajas e inconvenientes de este sistema son:
- Presenta la gran ventaja de mantener la relación de transmisión constante (pues
no existe deslizamiento) incluso transmitiendo grandes potencias entre los ejes (caso
de motos y bicicletas), lo que se traduce en mayor eficiencia mecánica (mejor
rendimiento). Además, no necesita estar tan tensa como las correas, lo que se
traduce en menores averías en los rodamientos de los piñones.
- Presenta el inconveniente de ser más costoso, más ruidoso y de funcionamiento
menos flexible (en caso de que el eje conducido cese de girar por cualquier causa, el
conductor también lo hará, lo que puede producir averías en el mecanismo motor o la
ruptura de la cadena), así como el no permitir la inversión del sentido de giro ni la
transmisión entre ejes cruzados; además necesita una lubricación (engrase)
adecuada.
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3.3. Engranajes
Transmiten un movimiento giratorio entre 2 ejes, pudiendo modificar las características
de velocidad y sentido de giro. Los ejes pueden ser paralelos, coincidentes o cruzados.
Este mecanismo se emplea como reductor de velocidad en la industria (máquinas
herramientas, robótica, grúas...), en la mayoría de los electrodomésticos (vídeos,
programadores de lavadora, máquinas de coser, batidoras, exprimidores...), en automoción
(cajas de cambio de marchas, cuentakilómetros, regulación asientos...), etc.
Descripción
La transmisión simple por engranajes consta de una rueda motriz con dientes en su
periferia exterior, que engrana sobre otra similar, lo que evita el deslizamiento entre las
ruedas. Al engranaje de mayor tamaño se le denomina rueda y al de menor piñón.
A diferencia de los sistemas de correa-polea y cadena-piñón, este no necesita ningún
operador (cadena o correa) que sirva de enlace entre las dos ruedas. Los dientes de los
engranajes son diseñados para permitir la rotación uniforme (sin saltos) del eje conducido.
Sentido de giro
Este sistema de transmisión invierte el sentido de giro de dos ejes contiguos, cosa que
podemos solucionar fácilmente introduciendo una rueda loca o engranaje loco que gira en un
eje intermedio.
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Relación de velocidades
Las velocidades de entrada (eje conductor) y salida (eje conducido) están inversamente
relacionadas con el número de dientes de las ruedas a las que están conectados (igual que
en la transmisión por cadena-piñón) cumpliéndose que:
2
Z2
1
Z1
×
=
×
N1 Velocidad de giro del eje conductor (rpm)
N2 Velocidad de giro del eje conducido (rpm)
Z1 Número de dientes de la rueda
Z2 Número de dientes de la rueda
Definiendo la relación de velocidades o relación de transmisión (i) como:
conducidapoleaDiámetro
conductorapoleaDiámetro
conductoreje Velocidad
conducidoeje Velocidad
i ==
Z2
Z1
1
2
i ==
Ventajas e inconvenientes
Respecto al sistema polea-correa, presenta una serie de ventajas e inconvenientes:
- Las principales ventajas son: mantener la relación de transmisión constante incluso
transmitiendo grandes potencias entre los ejes (automóviles, grúas...), lo que se
traduce en mayor eficiencia mecánica (mejor rendimiento). Además, permite
conectar ejes que se cruzan (mediante tornillo sinfín), o que se cortan (engranajes
cónicos) y su funcionamiento puede llegar a ser muy silencioso.
- Los principales inconvenientes son: alto coste y poca flexibilidad (en caso de que el
eje conducido cese de girar, el conductor también lo hará, lo que puede producir
averías en el mecanismo motor o la ruptura de los dientes de los engranajes). Otro
inconveniente importante es que necesita lubricación (engrase) adecuada para evitar
el desgaste prematuro de los dientes y reducir el ruido de funcionamiento.
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Tipos de Engranajes
- Según la forma de los Engranajes:
- Engranaje Simple:
- Engranaje Compuesto:
NOTA: En los engranajes compuestos (varios engranajes montados sobre el mismo
eje) la velocidad de giro de cada engranaje es la misma. (Lo mismo ocurre en poleas
compuestas.)
- Trenes de Engranajes:
Engranajes Cilíndricos:
Transmiten el movimiento
entre ejes paralelos.
Engranajes Cónicos:
Transmiten el movimiento
entre ejes perpendiculares.
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3.4. Transmisión Tornillo Sinfín-Rueda dentada
Transmiten un movimiento giratorio entre
dos ejes que se cruzan perpendicularmente.
Se emplea en mecanismos que necesiten una
gran reducción de velocidad y un aumento
importante de la ganancia mecánica: clavijas
de guitarra, reductores de velocidad para
motores eléctricos, limpiaparabrisas de los
coches, cuentakilómetros...
Descripción
Para la construcción de este mecanismo
necesitamos dos ejes que se crucen a 90º sin cortarse:
el piñón o rueda dentada que tiene los dientes
cóncavos e inclinados y siempre se conecta al eje
conducido, con el que gira solidario y el sinfín que
siempre se conecta al eje motriz (eje conductor), del que
obtiene el giro. Este eje suele estar movido por una
manivela (para el accionamiento manual) o un motor
eléctrico.
Este mecanismo tiene ventajas e inconvenientes:
- Ofrece una gran reducción de velocidad y, por tanto, un aumento importante de la
ganancia mecánica. Téngase en cuenta que el sinfín solamente tiene un diente
mientras que el piñón puede tener los que queramos. El mecanismo es irreversible,
por lo que no es posible hacerlo funcionar si conectamos el piñón al árbol motriz y el
sinfín al conducido.
Relación de velocidades
En este mecanismo, por cada vuelta completa del sinfín se obtiene solamente el avance
de un diente del piñón. Por tanto, si queremos que el piñón de una vuelta completa, el sinfín
tiene que dar tantas vueltas como dientes tenga aquel, lo que proporciona una gran
reducción de velocidad y, consecuentemente, una gran ganancia mecánica.
Como en toda transmisión por ruedas dentadas se cumple:
2
Z2
1
Z1
×
=
×
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donde:
N1 es la velocidad del eje motriz (con N1=1, pues el sinfín solo tiene un diente) (rpm)
N2 es la velocidad del eje conducido (rpm)
Z1 es el número de dientes de la rueda conductora
Z2 es el número de dientes de la rueda conducida
por lo que la velocidad en el eje conducido será: N2 = N1/Z2
Es decir, en este mecanismo la velocidad del eje conducido (N2) es la del conductor
(N1) dividido por el número de dientes del piñón (Z2). Por lo tanto, cuanto mayor sea el
número de dientes del piñón menor será la velocidad que obtenemos en el eje conducido.
3.5. Mecanismo Cigüeñal-Biela
La utilidad práctica del cigüeñal viene de la posibilidad de convertir un movimiento
rotativo continuo en uno lineal alternativo, o viceversa. Para ello se ayuda de bielas (sistema
biela-manivela sobre un cigüeñal).
Los cigüeñales son empleados en todo tipo de mecanismos que precisen movimientos
alternativos sincronizados: motores de coches, juguetes en los que piernas y manos van
sincronizados, etc.
Descripción
Cuando varias manivelas se asocian sobre un único eje da lugar al cigüeñal. Este
operador se comporta como una serie de palancas acopladas sobre el mismo eje.
Cigüeñal
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3.6. Mecanismo Biela-Manivela y Excéntrica-Biela
Ambos sistemas (biela-manivela y excéntrica-biela) permiten convertir el movimiento
giratorio continuo de un eje en uno lineal alternativo en el pie de la biela. También
permite el proceso contrario: transformar un movimiento lineal alternativo del pie de biela
en uno en giratorio continuo en el eje al que está conectada la excéntrica o la manivela.
En la realidad no se usan mecanismos que empleen solamente la manivela (o la
excéntrica) y la biela, pues la utilidad práctica exige añadirle algún operador más como la
palanca o el émbolo, siendo estas añadiduras las que permiten funcionar correctamente a
máquinas tan cotidianas como: motor de automóvil, limpiaparabrisas, rueda de afilar,
máquina de coser, compresor de pistón, sierras automáticas, etc.
Descripción
El sistema biela-manivela emplea,
básicamente, una manivela, un soporte y
una biela cuya cabeza se conecta con el eje
excéntrico de la manivela.
Para el sistema excéntrica-biela se sustituye
la manivela por una excéntrica, conectando
la biela al eje excéntrico y siendo el resto del
mecanismo semejante al anterior.
Estos sistemas son totalmente reversibles, pues se puede imprimir un movimiento lineal
alternativo al pie de la biela y obtener uno giratorio en el eje de la manivela o rueda
excéntrica.
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Otros ejemplos
El sistema Biela-manivela-émbolo permite
obtener un movimiento lineal alternativo perfecto a
partir de uno giratorio, o viceversa. Este mecanismo
se emplea en motores de gasolina y gasóleo.
El giro de la manivela o de la excéntrica provoca el movimiento de la biela y,
consecuentemente, el desplazamiento lineal alternativo del émbolo.
3.7. Mecanismo Leva-émbolo y Excéntrica-émbolo
Permite obtener un movimiento lineal alternativo, o uno oscilante, a partir de uno
giratorio; pero no nos permite obtener el giratorio a partir de uno lineal alternativo (o de uno
oscilante). Es un mecanismo no reversible.
Este mecanismo se emplea en: motores de automóviles (para la apertura y cierre de las
válvulas), programadores de lavadoras (para la apertura y cierre de los circuitos que
gobiernan su funcionamiento), carretes de pesca, cerraduras, etc.
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3.8. Mecanismo Cremallera-piñón
Permite convertir un movimiento giratorio en
uno lineal continuo, o viceversa. Aunque el sistema
es perfectamente reversible, su utilidad práctica
suele centrarse solamente en la conversión de
giratorio en lineal continuo, siendo muy apreciado
para conseguir movimientos lineales de precisión
(caso de microscopios o instrumentos ópticos),
desplazamiento cabezal de taladros, movimiento de
puertas automáticas de garaje, sacacorchos, etc.
Descripción
El sistema está formado por un piñón (rueda dentada) que engrana en una cremallera.
Cuando el piñón gira, sus dientes empujan los de la cremallera, provocando el
desplazamiento lineal de esta. Si lo que se mueve es la cremallera, sus dientes empujan a
los del piñón consiguiendo que este gire y obteniendo en su eje un movimiento giratorio.
Relación de velocidades
La relación entre la velocidad de giro del piñón (N) y la velocidad lineal de la cremallera
(V) depende de dos factores: el número de dientes del piñón (Z) y el número de dientes por
centímetro de la cremallera (n).
Por cada vuelta completa del piñón la cremallera se desplazará avanzando tantos
dientes como tenga el piñón. Por tanto se desplazará una distancia:
d=z/n
y la velocidad del desplazamiento será: V=N·(z/n)
Si la velocidad de giro del piñón (N) se da en revoluciones por minuto (rpm), la velocidad
lineal de la cremallera (V) resultará en centímetros por minuto (cm/minuto).
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3.9. Mecanismo Tornillo-Tuerca
Se emplea en la conversión de un movimiento giratorio en uno lineal continuo cuando
sea necesaria una fuerza de apriete o una desmultiplicación de la velocidad muy grandes.
El sistema tornillo-tuerca como mecanismo de desplazamiento se emplea en multitud
de máquinas que requieran de gran precisión de movimiento. También, este tipo de
mecanismo se encuentra en multitud de objetos de uso cotidiano: grifos, tapones de botellas
y frascos, lápices de labios, barras de pegamento, elevadores de talleres, gatos de coche,
tornillos de banco, máquinas herramientas, sacacorchos...
Por ejemplo, en el caso de los grifos nos permite abrir (o cerrar) el paso del agua
levantando (o bajando) la zapata a medida que vamos girando adecuadamente la llave.
Descripción
Para el buen funcionamiento de este mecanismo necesitamos, como mínimo, un tornillo
que se acople perfectamente a una tuerca (o a un orificio roscado).
Este sistema técnico se puede plantear de dos formas básicas:
- Un tornillo de posición fija (no puede desplazarse longitudinalmente) que al girar
provoca el desplazamiento de la tuerca. En la barra engomadora el tornillo no se
desplaza, pero su giro hace que el cilindro de cola suba o baje debido a la tuerca.
- Una tuerca o un orificio roscado fijo (no puede girar ni desplazarse longitudinalmente)
que produce el desplazamiento del tornillo cuando este gira (El grifo antes estudiado
puede ser un ejemplo de este funcionamiento).
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