Elementos Auxiliares de Máquinas

Acumuladores de energía mecánica

Volante de inercia

Un volante de inercia o Volante Motor es, en mecánica, un elemento totalmente pasivo, que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar 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. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga. En la actualidad numerosas líneas de investigación están abiertas a la búsqueda de nuevas aplicaciones de los volantes.

Algunos ejemplos de volantes de inercia (fig. 1) son:

a) b) c)

Figura 1: Distintas aplicaciones de volantes de inercia: a) en un forja, b) KERS, c) energía eólica

  • Volante de inercia en una antigua forja en Witten (Alemania). (Fig. 1a)
  • Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su aceleración.(KERS) (fig. 1b)
  • 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. (fig. 1c)
  • 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.

Elementos elásticos

  • Muelles o resortes (fig. 2) son elementos elásticos que se deforman por la acción de una fuerza y que recuperan su forma inicial cuando cesa la fuerza deformadora

a)  b)c)

d)  e)

Figura 2: Tipos de Muelles o Resortes: a) Muelles de compresión, b) Muelles de extensión, c) Muelles de torsión, d) Muelles cónicos, e) Muelle plano


  • Las ballestas (fig. 3) son elementos elásticos formados por láminas de acero de distinta longitud unidas entre sí por medio de abrazaderas

Figura 3: Ballestas

Un ejemplo claro de elementos elástico es la suspensión de un vehículo

Disipadores de energía mecánica

Un disipador de energía mecánica es un dispositivo capaz de transformar la energía mecánica de un elemento en energía calorífica por medio de rozamiento o fricción.

Frenos

Un freno es un dispositivo utilizado para detener o disminuir el movimiento de algún cuerpo, generalmente, un eje, árbol o tambor. Los frenos son transformadores de energía, por lo cual pueden ser entendidos como una máquina per se, ya que transforman la energía cinética de un cuerpo en calor o trabajo y en este sentido pueden visualizarse como “extractores“ de energía.

Los más comunes son los frenos de fricción. En este tipo de frenos, la energía se transforma en calor mediante el rozamiento con deslizamiento entre dos superficies, una de las cuales suele ser metálica y la otra, de un material específico denominado genéricamente material de fricción.

El calor generado por el rozamiento debe disiparse en el ambiente con relativa rapidez para evitar que la temperatura de los materiales supere los valores admisibles.

Los frenos de fricción pueden clasificarse en dos grandes categorías: los frenos de disco y los frenos de tambor. A su vez, dentro de estos últimos, encontramos los de zapata externa y los de zapata interna.

a)b)

c)

Figura 4: a) Partes de un disco de freno; b) Disco de Freno de un Porsche Cayenne con refrigeración interna de aire; c) disco de carbono al rojo vivo

  • Frenos de disco (fig. 4) son dispositivos cuya función es detener o reducir la velocidad de rotación de una rueda. Están constituidos fundamentalmente (fig. 4a) por:
    • El disco: pieza que gira solidariamente con el eje motor. Sobre su superficie interacciona el material de fricción que se encuentra en las pastillas. Se pueden poner al rojo vivo cuando la fricción es muy elevada (fig. 4c)
    • Pastillas: elementos compuestos por el material de fricción y su soporte, que normalmente es una placa de acero
    • Pinza o Mordaza (en rojo): dispositivo encargao del guiado y accionamiento de las pastillas para que entren en contacto con el disco o se separen de él.

Figura 5: Freno de tambor

  • Frenos de tambor (fig. 5) son dispositivos 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.
    • El tambor de freno es una superficie metálica cilíndrica, solidaria al árbol o eje, sobre la que actúa el elemento de fricción que va a ocasionar su frenado.
    • Las zapatas son los elementos que actúan sobre el tambor para producir su frenado. Están compuestas de un soporte metálico recubierto de material de fricción. En la mayoría de los casos se disponen varias zapatas que actúan sobre el mismo tambor
    • El dispositivo de guiado es el mecanismo que permite aproximar las zapatas a la superficie del tambor. Su forma varía en función de la disposición de las zapatas.

Accionamiento de frenos

Para conseguir aproximar las zapatas o las pastillas de los frenos de modo que puedan friccionar sobre el tambor o el disco, respectivamente, se utilizan diversos sistemas, entre los que destacamos: el accionamiento mecánico, el hidráulico y el neumático

  • Accionamiento mecánico: (fig. 6 ) Es accionado por la aplicación de una fuerza que es transmitida mecánicamente, por palancas, cables u otros mecanismos a los diversos puntos del frenado. Se utiliza únicamente para pequeñas potencias de frenado y suele requerir frecuentes ajustes para igualar su acción sobre las ruedas.

Figura 6: Accionamiento mecánico de un freno de tambor

  • El Freno hidráulico (fig. 7) es el que aprovecha la acción multiplicadora del esfuerzo ejercido sobre un líquido oleoso incompresible. La presión que se ejerce sobre un pistón que actúa sobre el líquido es transmitida a otros pistones que accionan los frenos, con lo cual se logra la misma presión de frenado en los distintos elementos de fricción y se evita la necesidad de realizar diferentes ajustes.

Figura 7: Freno hidráulico

Figura 8: Freno neumático a) Circuito neumático de frenos de un camión. 1) Compresor. 2) Regulador de presión. 3) Secador de aire. 4) Depósito de regeneración. 5) Válvula de protección de cuatro vías. 6) Depósitos de aire comprimido. 7) Válvula de freno de mano. 8 ) Válvula de descarga del freno de mano. 9) Válvula de freno de servicio. 10) Cámaras de aire de frenos delanteros. 11) Válvula de control del reparto de frenada. 12) Cámaras de aire de frenos traseros. b) Ejemplo en un camión.

Elementos de fricción

Los elementos de fricción son elementos de máquinas que se sitúan entre una parte móvil y su soporte con el fin de soportar el rozamiento y el desgaste y evitar que éste se produzca en otros elementos de mayor coste y responsabilidad mecánica.

Se dividen en cojinetes y rodamientos.

Cojinetes

Se llaman cojinete o casquillo a una pieza generalmente de acero (fig. 9), bronce o plástico, con forma tubular, que está mecanizada en su interior y exterior y tiene una tolerancia ajustada para insertarla en otra pieza donde tendrá diferentes aplicaciones.

a)b)

Figura 9: a) Cojinetes o casquillos de acero, b) Cojinete radial o de apoyo en mal estado, con marcas de roce metal-metal entre el eje y el cojinete.

Otros procesos de fabricación incluyen la sinterización, extrusión de plásticos o doblado.

Cuando se trata de mecanizar grandes cantidades de un mismo casquillo, se mecanizan en torno automático que puede ser incluso multihusillo, partiendo de barras largas. Este proceso de mecanizado permite trabajar varias herramientas de forma simultánea y por tanto conseguir fabricarlos en menos tiempo y como consecuencia que sean más baratos.

Hay casquillos que tienen unas tolerancias muy ajustadas, tanto en su diámetro exterior como interior; si es así, se procede a endurecerlos con un proceso adecuado de tratamiento térmico y luego ajustar sus dimensiones en un proceso de rectificado, en las rectificadoras adecuadas. En el caso de casquillos fabricados por procesos de sinterización se procede al calibrado mediante presas mecánicas.

Algunos casquillos son autolubricados, por lo que no necesitan lubricación adicional para que en el interior de ellos gire un eje libremente.

Rodamientos

El rodamiento es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento.(fig. 10a)

De acuerdo con el tipo de contacto que exista entre las piezas, el rodamiento puede ser deslizante o lineal y rotativo.

El elemento rotativo que puede emplearse en la fabricación del rodamiento, pueden ser: bolas, rodillos o agujas.

Los rodamientos de movimiento rotativo, según el sentido del esfuerzo que soporta, los hay axiales, radiales y axiales-radiales.

Un rodamiento radial es el que soporta esfuerzos radiales, que son esfuerzos de dirección normal a la dirección que pasa por el centro de su eje, como por ejemplo una rueda, es axial si soporta esfuerzos en la dirección de su eje, ejemplo en quicio, y axial-radial si los puede soportar en los dos, de forma alternativa o combinada.

La fabricación de los cojinetes de bolas es la que ocupa en tecnología un lugar muy especial, dados los procedimientos para conseguir la esfericidad perfecta de la bola. Los mayores fabricantes de ese tipo de cojinetes emplean el vacío para tal fin. El material es sometido a un tratamiento abrasivo en cámaras de vacío absoluto. El producto final no es casi perfecto, también es atribuida la gravedad como efecto adverso. Los suecos, fabricantes de acero para partes de alta fricción en máquinas, han conseguido llevar al espacio exterior la técnica para el tratamiento final de las bolas, evitando el efecto gravedad, con el fin de conseguir la esfericidad deseada. Los cojinetes o rulemanes son llamados rodajes en algunos países de habla hispana.

Cada clase de rodamientos muestra propiedades características, que dependen de su diseño y que lo hace más o menos apropiado para una aplicación dada. Por ejemplo, los rodamientos rígidos de bolas pueden soportar cargas radiales moderadas así como cargas axiales pequeñas. Tienen baja fricción y pueden ser producidos con gran precisión. Por lo tanto, son preferidos para motores eléctricos de medio y pequeño tamaño. Los rodamientos de rodillos esféricos pueden soportar cargas radiales muy pesadas y son oscilantes, lo que les permite asumir flexiones del eje, y pequeñas desalineaciones entre dos rodamientos, que soportan un mismo eje. Estas propiedades los hacen muy populares para aplicaciones por ejemplo en ingeniería pesada, donde las cargas son fuertes, así como las deformaciones producidas por las cargas, en máquinas grandes es también habitual cierta desalineación entre apoyos de los rodamientos.

a)b) 

c)d) e)

Figura 10: a) Animación, b) Rodamientos rígidos de bolas, c) Rodamiento axial, d) Rodamiento de bolas a rótula, e) Rodamiento de rodillos cilíndricos del tipo NUP.

  • Rodamientos rígidos de bolas: Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables, capaces de operar en altas e incluso muy altas velocidades y requieren poca atención o mantenimiento en servicio. Estas características, unidas a su ventaja de precio, hacen a estos rodamientos los más populares de todos los rodamientos. (fig. 10b)
  • Rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular: El rodamiento de una hilera de bolas con contacto angular tiene dispuestos sus caminos de rodadura de forma que la presión ejercida por las bolas es aplicada oblicuamente con respecto al eje. Como consecuencia de esta disposición, el rodamiento es especialmente apropiado para soportar no solamente cargas radiales, sino también grandes cargas axiales, debiendo montarse el mismo en contraposición con otro rodamiento que pueda recibir carga axial en sentido contrario. Este rodamiento no es desmontable.
  • Rodamientos de agujas: Son rodamientos con rodillos cilíndricos muy delgados y largos en relación con su menor diámetro. A pesar de su pequeña sección, estos rodamientos tienen una gran capacidad de carga y son eminentemente apropiados para las aplicaciones donde el espacio radial es limitado.
  • Rodamientos de rodillos cónicos: El rodamiento de rodillos cónicos, debido a la posición oblicua de los rodillos y caminos de rodadura, es especialmente adecuado para resistir cargas radiales y axiales simultáneas. Para casos en que la carga axial es muy importante hay una serie de rodamientos cuyo ángulo es muy abierto. Este rodamiento debe montarse en oposición con otro rodamiento capaz de soportar los esfuerzos axiales en sentido contrario. El rodamiento es desmontable; el aro interior con sus rodillos y el aro exterior se montan cada uno separadamente.
  • Rodamientos de rodillos cilíndricos de empuje: Son apropiados para aplicaciones que deben soportar pesadas cargas axiales. Además, son insensibles a los choques, son fuertes y requieren poco espacio axial. Son rodamientos de una sola dirección y solamente pueden aceptar cargas axiales en una dirección. Su uso principal es en aplicaciones donde la capacidad de carga de los rodamientos de bolas de empuje es inadecuada. Tienen diversos usos industriales, y su extracción es segura.
  • Rodamientos axiales de rodillos a rótula: El rodamiento axial de rodillos a rótula tiene una hilera de rodillos situados oblicuamente, los cuales, guiados por una pestaña del aro fijo al eje, giran sobre la superficie esférica del aro apoyado en el soporte. En consecuencia, el rodamiento posee una gran capacidad de carga y es de alineación automática. Debido a la especial ejecución de la superficie de apoyo de los rodillos en la pestaña de guía, los rodillos giran separados de la pestaña por una fina capa de aceite. El rodamiento puede, por lo mismo, girar a una gran velocidad, aun soportando elevada carga. Contrariamente a los otros rodamientos axiales, éste puede resistir también cargas radiales. (fig. 10c)
  • Rodamientos de bolas a rótula: Los rodamientos de bolas a rótula tienen dos hileras de bolas que apoyan sobre un camino de rodadura esférico en el aro exterior, permitiendo desalineaciones angulares del eje respecto al soporte. Son utilizados en aplicaciones donde pueden producirse desalineaciones considerables, por ejemplo, por efecto de las dilataciones, de flexiones en el eje o por el modo de construcción. De esta forma, liberan dos grados de libertad correspondientes al giro del aro interior respecto a los dos ejes geométricos perpendiculares al eje del aro exterior. Este tipo de rodamientos tienen menor fricción que otros tipos de rodamientos, por lo que se calientan menos en las mismas condiciones de carga y velocidad, siendo aptos para mayores velocidades. (fig. 10d)
  • Rodamientos de rodillos cilíndricos: Un rodamiento de rodillos cilíndricos normalmente tiene una hilera de rodillos. Estos rodillos son guiados por pestañas de uno de los aros, mientras que el otro aro puede tener pestañas o no. Los rodamientos de rodillos son más rígidos que los de bolas y se utilizan para cargas pesadas y ejes de gran diámetro. (fig. 10e)
  • Rodamientos de rodillos a rótula: El rodamiento de rodillos a rótula tiene dos hileras de rodillos con camino esférico común en el aro exterior siendo, por lo tanto, de alineación automática. El número y tamaño de sus rodillos le dan una capacidad de carga muy grande. La mayoría de las series puede soportar no solamente fuertes cargas radiales sino también cargas axiales considerables en ambas direcciones. Pueden ser reemplazados por cojinetes de la misma designación que se dará por medio de letras y números según corresponda a la normalización determinada.
  • Rodamientos axiales de bolas de simple efecto: El rodamiento axial de bolas de simple efecto consta de una hilera de bolas entre dos aros, uno de los cuales, el aro fijo al eje, es de asiento plano, mientras que el otro, el aro apoyado en el soporte, puede tener asiento plano o esférico. En este último caso, el rodamiento se apoya en una contraplaca. Los rodamientos con asiento plano deberían, sin duda, preferirse para la mayoría de las aplicaciones, pero los de asiento esférico son muy útiles en ciertos casos, para compensar pequeñas inexactitudes de fabricación de los soportes. El rodamiento está destinado a resistir solamente carga axial en una dirección.
  • Rodamientos de aguja de empuje: Pueden soportar pesadas cargas axiales, son insensibles a las cargas de choque y proveen aplicaciones de rodamientos duras requiriendo un mínimo de espacio axial.


Lubricación

El deslizamiento entre superficies sólidas se caracteriza generalmente por un alto coeficiente de fricción y un gran desgaste debido a las propiedades específicas de las superficies.

La lubricación consiste en la introducción de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en movimiento. Estos materiales intermedios se denominan lubricantes y su función es disminuir la fricción y el desgaste. El término lubricante es muy general, y puede estar en cualquier estado material: líquido, sólido, gaseoso e incluso semisólido o pastoso.

Existen tres formas básicas de provocar la lubricación: mediante aportación externa (fig. 11a), por borboteo (fig. 11b) y por presión (fig. 11c).

a)

b)

c)

Figura 11: Lubricación: a) mediante aportación externa, b) por borboteo, c) por presión.




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