ÁNGELA POLO OLTRA

INDICE:

1. ACUMULADORES DE ENERGÍA

- VOLANTES DE INERCIA- ELEMENTOS ELÁSTICOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN, TRACCIÓN,

FLEXIÓN Y TORSIÓN

2. ARBOLES DE TRANSMISIÓN

- JUNTAS ELÁSTICAS- JUNTAS CARDÁN - JUNTAS HOMOCINÉTICAS

3. SOPORTES

4. LUBRICACIÓN

- LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA- LUBRICACIÓN LÍMITE- LUBRICACIÓN HIDROSTÁTICA

5. EJERCICIOS

6. SOLUCIONES

1. ACUMULADORES DE ENERGÍA

Los acumuladores de energía son aquellos elementos capaces de almacenar energía de un tipo determinado para poder utilizarla más adelante. Entre ellos se pueden citar los volantes de inercia y los elementos elásticos.

1.1. VOLANTES DE INERCIA

Un volante de inercia mecánica, es un elemento totalmente pasivo, que únicamente aporta al sistema una resistencia al cambio de movimiento adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. Su principal característica frente a otros sistemas es la capacidad de absorber y ceder energía en poco tiempo, lo que permite evitar los cambios bruscos de sentido y velocidad. Es adecuado para sistemas mecánicos de ciclo energético discontinuo donde el periodo de tiempo sea muy corto, por lo que, tradicionalmente, se ha utilizado en motores y compresores alternativos, prensas, etc.

Por lo general el volante consiste en una rueda o un disco, de fundición de acero, calado en el árbol motor, y cuyas dimensiones están calculadas de acuerdo con las características generales del sistema del que forma parte.

Algunos ejemplos de sus usos son: - Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en

su aceleración (KERS).- Como dispositivos para suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de energía

eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de diversas aplicaciones eléctricas industriales.

- En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema defreno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.

Volante de Inercia simplificado

Estudiemos ahora el comportamiento físico de un volante de inercia desde un punto de vista simplificado:

Sea:

 el momento de inercia del volante. la coordenada de posición del volante.

 el momento de torsión de entrada correspondiente a una coordenada  .

 el momento de torsión de salida correspondiente a una coordenada  .

 la velocidad angular de entrada correspondiente a una coordenada  .

 la velocidad angular de salida correspondiente a una coordenada  .

Tomando arbitrariamente como positivo y como negativo, obtendremos la siguiente ecuación para el movimiento del volante:

1.2. ELEMENTOS ELÁSTICOS

Los elementos elásticos poseen la propiedad de deformarse cuando están sometidos a alguna fuerza, y de recuperar su forma inicial cuando la fuerza deja de actuar. Los elementos elásticos se usan en algunas maquinas para, mediante estas deformaciones, absorber las oscilaciones o las fuerzas a las que se ven sometidos los sistemas mecánicos y de esta forma protegerlos. También se pueden emplear para tener almacenada una energía mecánica y utilizarla cuando sea necesario.

Los elementos elásticos pueden verse sometidos a esfuerzos de compresión, tracción, flexión y torsión.

Elementos elásticos sometidos a compresión: Los muelles de compresión están formados por una varilla enrollada en forma helicoidal y se utilizan para amortiguar o absorber esfuerzos de compresión. Las fuerzas que actúan sobre ellos producen un acortamiento en su longitud inicial. Al cesar la fuerza deformadores, recuperan su forma. Se utilizan en los chasis de automóviles, en topes de ferrocarril, etc.

Elementos elásticos sometidos a tracción: Dentro de estos destacamos:

- Cuerdas elásticas: elementos lineales de caucho o goma, que se alargan al ser sometidos a esfuerzos de tracción y que recuperan su forma inicial al cesar la fuerza.

- Muelles: están constituidos por la varilla helicoidal. Los esfuerzos de tracción que soportan hacen alargar su longitud inicial y una vez cesa el esfuerzo deformante, recupera su longitud primitiva. Ej: los muelles de las zapatas de freno del tambor

Elementos elásticos sometidos a flexión: Dentro de ellos destacamos:

- Ballestas: su aplicación más característica es la suspensión de los vehículos pesados y en vehículos de menor peso para absorber las vibraciones originadas por las irregularidades del terreno, evitando que se transmitan directamente a la carrocería.

- Flejes: finas láminas de un material elástico que trabajan a flexión. - Muelles: son flejes enrollados en espiral, empleados en jugetes.

Elementos elásticos sometidos a torsión: Están formados por una varilla enrollada en hélice. Los esfuerzos de torsión a los que se ve sometida deforman la espiral, al cesar la fuerza deformadora, el muelle recupera su forma inicial. El más destacado es la barra de torsión, que podemos observar en el sistema de suspensión de los coches. Algún ejemplo más, son los juguetes que se les da cuerda o los mecanismos de relojería.

2. ARBOLES DE TRANSMISIÓN

Los árboles de transmisión son elementos de máquinas que están sometidos en su funcionamiento a esfuerzos constantes de torsión que son contrarrestados por la elasticidad del material. Por este motivo están diseñados para que aguanten el máximo de revoluciones sin deformarse. Se fabrican en tubo de acero elástico, con su sección longitudinal en forma de uso y perfectamente equilibrados para no favorecer los esfuerzos en ningún punto determinado.

Además del esfuerzo de torsión, el árbol de transmisión está sometido a otro de oscilación alrededor de su centro fijo de rotación. Debido a este movimiento de oscilación se modifican continuamente las longitudes de las uniones, dando como resultado un movimiento axial del árbol de transmisión.

Estos árboles pueden tener distintos tipos de juntas:

Arboles de transmisión con juntas elásticas

En ellos la unión entre los ejes de entrada y salida se realiza interponiendo una pieza de caucho o goma, que absorbe las vibraciones y desalineaciones entre los ejes.

El modelo más simple de junta elástica consiste en un anillo de caucho acoplado entre el eje de salida de la caja de cambios y el árbol de la transmisión, llamado flector. Con este tipo de junta elástica evita las vibraciones y es capaz de seguir transmitiendo el par cuando la desalineación de la transmisión con respecto al eje de la caja de cambios no supere los 10º de inclinación. Permite poca movilidad del árbol de transmisión.

Arboles de transmisión con juntas cardán

Las juntas cardán son las más empleadas en la actualidad, ya que pueden transmitir un gran par motor y permite desplazamientos angulares de hasta 15º en las de construcción normal, llegando hasta los 25º en las de construcción especial. Tienen el inconveniente de que cuando los ejes giran desalineados quedan sometidos a variaciones de velocidad angular y, por tanto, a esfuerzos alternos que aumentan la fatiga de los materiales de los que están construidos.

La junta cardán está constituida por dos horquillas (1) unidas entre si por una cruceta (2), montada sobre cojinetes de agujas (3) encajados a presión en los alojamientos de las horquillas y sujetos a ellas mediante circlips o bridas de retención(4). Una de las horquillas va unida al tubo de la transmisión (9) y la otra lleva la brida de acoplamiento para su unión al grupo propulsor del puente. En el otro lado del tubo, la junta va montada sobre la unión deslizante, formada por un manguito (5) estriado interiormente que forma parte de una de las horquillas, acoplándose al estriado (6) del tubo (9). El conjunto así formado constituye una unión oscilante y deslizante.

La protección del acoplamiento estriado la asegura el casquillo guardapolvo (7) y el engrase de las articulaciones de la junta cardán se efectua con grase consistente por los engrasadores (8).

Árboles de transmisión con

juntas homocinéticas

Desarrollan la misma función que las cardán pero en este caso se pueden emplear aisladamente. La junta homocinética es una pieza compleja, que unida al eje de trasmisión tiene como finalidad conectar dos ejes dispuestos longitudinalmente, no continuos, de modo que la velocidad entre ellos sea igual en todo momento. El palier de transmisión de las ruedas, se conecta por uno de sus extremos con el diferencial y por el otro con el buje de la rueda. Esta transmisión está sometida a los movimientos oscilatorios de la suspensión y los movimientos giratorios de la dirección, y por lo tanto debe ser articulada. La junta homocinética es una unión articulada, una especie de rótula compleja, que permite estos movimientos sin que por ello las ruedas pierdan ni sufran transmisiones.

3. SOPORTES

Pieza o dispositivo destinado a sostener o a apoyar algun elemento fijo o móvil de la máquina. Todo elemento móvil necesita uno o varios puntos de apoyo sobre una superficia fija para poder moverse en la dirección requerida.

En el caso de los ejes que transmiten movimiento, es preciso que los soportes les permitan el giro e impidan el movimiento axial (en la dirección del eje). Para evita al mínivo las pérdidas por rozamiento entre eje y soporte, se colocan entre ambos unas piezas denominadas cojinetes.

Los cojinetes son piezas donde se apoya y gira el eje de una máquina. Son piezas fácilmente desmontables que se adaptan entre el eje y el sopote, cuya colocación es necesaria para:

- El rozamiento entre las piezas produce desgaste en las mismas, y al final se va generando una holgura entre ambas piezas que puede origniar vibraciones en el funcionamiento y provoca la sustitución de las piezas.

- Habitualmente, soporte y eje suelen ser del mismo material y, en concreto, de acero o fundición, materiales no adecuados para una larga duración del mecanismo si las piezas rozan entre sí.

Si colocamos cojinetes de un material más blando que el eje, se desgastaría y será necesario cambiarlo.

Los cojinetes soportan esfuerzos radiales y axiales a que están sometidos, dependiendo de la magnitud de las cargas y el tamaño del cojinete, se pueden utilizar dos tipos de cojinetes:

- Cojinetes de fricción: permanecen fijos al soporte. Durante el giro del eje rozan con este, trabajan a fricción.

- Rodamientos: cojinete formado por dos cilindros concéntricos, uno fijo al soporte y otro al eje, entre los que se intercala una corona de bolas o rodillo, que pueden girar entre ambos, porporcionando una menor pérdida de energía por fricción.

4. LUBRICACIÓN

El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca daño entre ellas. Se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con el rozamiento lo más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre

que sea posible,que haya una película de lubricante de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste.

Los conceptos básicos de lubricación son:

- Lubricación hidrodinámica: cuando la película de aceite forma un “colchón” de aceite que mantiene una separación entre piezas bastante gruesa para evitar contacto entre sus superficies. Aquí se evidencia que la viscosidad es el aspecto más importante del lubricante.

- Lubricación límite o marginal: cuando se desplaza el acetie de las superficies en contacto tanto que las partes ásperas de las superficies pueden hacer contacto directo, entonces se necesita altún aditivo para evitar el desgaste severo y lograr reducir la fricción. Esto es el momento que necesitamos los aditivos polares o químicos para formar una barrera que reduce la fricción y el daño a las piezas.

- Lubricación hidrostática: cuando la capa de lubricante se garantiza gracias al suministro de un fluido a presión en la zona de contacto. Será esa presión exterior la encargada de mantener la separación de los dos cuerpos. Es muy apropiada para velocidades relativas de deslizamiento bajas o, incluso, para los momentos de arranque en las diferentes máquinas o mecanismos. El nivel de rozamiento es muy bajo en este regimen de lubricación.

5. EJERCICIOS

1. Di dos tipos de acumuladores de energía y explicalos brevemente.

2. Nombra algunos de los usos de un volante de inercia

3. ¿A qué esfuerzos pueden estar sometidos los elementos elásticos?

4. Cita que tres tipos de juntas hay y definelas

5. ¿En qué consiste la lubricación?

6. Tipos de lubricación y características

7. ¿Qué es un cojinete? Di los tipos que hay

8. ¿Qué es un soporte?

6. SOLUCIONES

1) Un volante de inercia mecánica, es un elemento totalmente pasivo, que únicamente aporta al sistema una resistencia al cambio de movimiento adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. Los elementos elásticos poseen la propiedad de deformarse cuando están sometidos a alguna fuerza, y de recuperar su forma inicial cuando la fuerza deja de actuar. Mediante esta deformaciones, absorben las oscilaciones y protegen los sistemas.

2) Algunos de los usos del volante de inercia son:

- Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su aceleración (KERS).

- Como dispositivos para suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de energía eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de diversas aplicaciones eléctricas industriales.

- En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.

3) A esfuerzos de compresión, tracción, flexión y torsión.

4)- Juntas elásticas: en ellas la unión entre los ejes de entrada y salida se realiza

interponiendo una pieza de caucho o goma, que absorbe las vibraciones y desalineaciones entre los ejes.

- Juntas Cardán: son las más empleadas en la actualidad, ya que pueden transmitir un gran par motor y permite desplazamientos angulares de hasta 15º en las de

construcción normal, llegando hasta los 25º en las de construcción especial. Tienen el inconveniente de que cuando los ejes giran desalineados quedan sometidos a variaciones de velocidad angular

- Juntas homocinéticas: Desarrollan la misma función que las cardán pero en este caso se pueden emplear aisladamente. La junta homocinética es una pieza compleja, que unida al eje de trasmisión tiene como finalidad conectar dos ejes dispuestos longitudinalmente, no continuos

5) El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca daño entre ellas. Se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con el rozamiento lo más pequeño posible

6) Lubricación hidrodinámica: cuando la película de aceite forma un “colchón” de aceite que mantiene una separación entre piezas bastante gruesa para evitar contacto entre sus superficies.

Lubricación límite: cuando se desplaza el acetie de las superficies en contacto tanto que las partes ásperas de las superficies pueden hacer contacto directo, entonces se necesita altún aditivo para evitar el desgaste severo y lograr reducir la fricción

Lubricación hidrostática: cuando la capa de lubricante se garantiza gracias al suministro de un fluido a presión en la zona de contacto. Será esa presión exterior la encargada de mantener la separación de los dos cuerpos. Nivel de rozamiento muy bajo.

7) Los cojinetes son piezas donde se apoya y gira el eje de una máquina. Son piezas fácilmente desmontables que se adaptan entre el eje y el sopote.

Los cojinetes soportan esfuerzos radiales y axiales a que están sometidos, dependiendo de la magnitud de las cargas y el tamaño del cojinete, se pueden utilizar dos tipos de cojinetes: cojinetes de fricción y rodamientos.

8) Los soportes son una pieza o dispositivo destinado a sostener o a apoyar algun elemento fijo o móvil de la máquina. Todo elemento móvil necesita uno o varios puntos de apoyo sobre una superficia fija para poder moverse en la dirección requerida