Mecanismos y Máquinas: Transmisión de Movimiento y Potencia en Sistemas Técnicos

1. Breve Introducción Histórica sobre las Máquinas

Originariamente, nuestros antepasados se limitaban a utensilios o instrumentos que les permitiesen sobrevivir frente a animales depredadores con los que competían. La necesidad de máquinas más complejas llevó a ciertos genios, a partir del Renacimiento, a la recopilación e invención de nuevos mecanismos. Cabe destacar los siguientes:

• Leonardo da Vinci: Recopila e inventa multitud de mecanismos y máquinas de todo tipo.
• Cristopher Polhem: Recopila e inventa hasta un total de 80 máquinas simples. A este conjunto de mecanismos le denomina alfabeto mecánico. Según él, a partir de estos mecanismos se podría formar cualquier máquina compleja, al igual que con las vocales y las consonantes se forman frases.
• Constedt: Amplía el alfabeto mecánico hasta 103.
• Hachette: Hace una clasificación funcional de todos los mecanismos conocidos hasta entonces, atendiendo a la labor que realizan.

Esta forma de analizar los mecanismos de máquinas ha llegado hasta nuestros días, y es la siguiente:

• Receptores: Son elementos que reciben el movimiento de un motor primario.
• Reguladores: Interrumpen o no el paso de energía. Por ejemplo: embragues, interruptores, etc.
• Comunicadores: Encargados de transmitir el movimiento.
• Modificadores: Transforman un tipo de movimiento en otro.
• Operadores: Son aquellos mecanismos que producen un efecto final.

2. Máquinas o Sistemas Técnicos

Una máquina o sistema técnico es una combinación de mecanismos o dispositivos, agrupados adecuadamente, que aprovechan una forma predeterminada de energía.

A. Elementos Motrices

Son los encargados de proporcionar la energía necesaria para que se produzca el movimiento.

• Motores primarios: Estos motores raramente proporcionan energía directamente a la máquina. Se limitan a transformarla, generalmente en energía eléctrica, para que pueda ser usada por un motor secundario y corresponden a la energía eólica, solar, nuclear, etc.
• Motores secundarios: Son aquellos cuya energía de salida acciona las máquinas directamente. Las energías empleadas en los motores secundarios son:
  • Energía muscular: Procedente de animales o personas.
  • Energía térmica: Obtenida al quemar algún combustible. Dependiendo de que la combustión se realice dentro o fuera de un cilindro, tenemos:
    • a) Motores de combustión externa: El más conocido es la locomotora de vapor.
    • b) Motores de combustión interna: La combustión se produce en el interior de un cilindro. Ejemplo: motores de explosión de gasolina, motor diésel, etc.
  • Energía eléctrica: Los motores secundarios más conocidos son el motor eléctrico y el electroimán.

B. Elementos de Máquinas

Los elementos de máquinas son cada una de las partes de que constan éstas. El término mecanismo se suele asignar a los sistemas de las máquinas que tienen algún tipo de movilidad. Se pueden clasificar en:

• Mecánicos: Transmisores del movimiento, transformadores del movimiento, auxiliares, de unión.
• Eléctricos y electrónicos: Generadores, conductores (cables), receptores (bombillas, resistencias, motores, electroimanes, etc.), acumuladores, elementos de control (interruptor, conmutador, pulsador, etc.).
• Neumáticos y óleo-hidráulicos: Compresores, tuberías, válvulas de regulación, actuadores.

3. Elementos Mecánicos Transmisores del Movimiento

• Directos:
  • Acoplamiento entre árboles.
  • Ruedas.
  • Articulaciones.
  • Por cuerda o cable.
• Indirectos:
  • Por cadena.
  • Por correa.

4. Acoplamientos entre Árboles

• Se define como árbol de transmisión a un elemento de revolución que permite transmitir potencia o energía.
• Se define como eje a un elemento de máquinas, generalmente cilíndrico, que soporta diferentes piezas que giran.

Se emplean 2 tipos de acoplamiento:

• Acoplamiento rígido: Los árboles se encuentran colocados en el mismo eje geométrico y no van a sufrir variación de posición durante el giro. Para ello se utilizan dos soluciones: bridas y platillos.
• Acoplamiento móvil: Permite una cierta inclinación entre los árboles de transmisión. Es decir, los ejes geométricos de ambos árboles pueden no estar alineados en algún momento. Juntas elásticas, juntas cardán o universales, juntas homocinéticas, juntas Oldham y eje estriado deslizante.

5. Transmisión por Ruedas de Fricción

A. Ruedas de Fricción Exteriores

B. Ruedas de Fricción Interiores

C. Ruedas de Fricción Troncocónicas

Se caracterizan porque sirven para transmitir el movimiento entre ejes cuyas prolongaciones se cortan. Tienen la forma de tronco de cono.

D. Transmisión mediante Poleas y Correas

Se denomina polea a la rueda que se utiliza en las transmisiones por medio de correa, y correa a la cinta o cuerda flexible unida a sus extremos que sirve para transmitir el movimiento. Una transmisión por correa consta, al menos, de dos poleas y una correa.

• Relación de transmisión
• Tipos de poleas y correas:
  • Trapezoidal: Es la más utilizada para usos industriales.
  • Plana/rectangular: Muy empleada para transmitir pequeñas potencias.
  • Redonda: Suele emplearse en máquinas que giran a muy pocas revoluciones.

6. Transmisión por Engranajes

Se emplean cuando hay que transmitir grandes esfuerzos o se desea que la relación de transmisión se mantenga siempre constante. Los engranajes se pueden usar para transmitir el movimiento entre árboles: paralelos, perpendiculares y árboles que se cruzan.

A. Transmisión entre Árboles o Ejes Paralelos

Al conjunto de ruedas se le denomina engranajes interiores. Los dientes de las ruedas pueden ser:

• Engranajes de dientes rectos.
• Engranajes de dientes helicoidales: Se caracterizan por tener sus dientes inclinados respecto de su eje. La forma transversal del diente es exactamente igual que en el caso de los dientes rectos.
• Engranajes de dientes en V: Con objeto de compensar las fuerzas axiales, se emplean dos engranajes cuyos dientes forman un ángulo complementario.
• Engranajes epicicloidales: Se componen de una corona dentada interiormente, un piñón central (denominado planetario) y otros tres piñones más pequeños que se denominan satélites. Estos satélites giran libres sobre sus ejes, que están unidos al portasatélites.

B. Transmisión entre Ejes Perpendiculares que se Cortan

Se emplean 2 tipos de engranajes: engranajes cónicos de dientes rectos y engranajes cónicos de dientes helicoidales. Estos últimos son muy complicados de realizar.

C. Transmisión entre Ejes Perpendiculares que se Cruzan

Se emplean 3 soluciones: tornillo sin fin-corona, hipoide y engranajes helicoidales.

7. Cadenas Cinemáticas

A cada uno de los pares de engranajes correlativos se le denomina tren de engranajes. Una cadena cinemática es un conjunto de dos o más pares de engranajes, que engranan entre sí, y que tienen por finalidad variar el número de revoluciones del último eje.

8. Relación entre Potencia y Par

Además del movimiento de giro de motor, también se transmite potencia, energía y par hasta el último árbol. Se denomina par o momento al producto de una fuerza por una distancia.

9. Articulaciones

Permiten transmitir movimientos y fuerzas a los puntos donde se requiere. La mayoría de ellas funcionan como palancas de primer género. Existen los siguientes tipos de articulaciones: de sentido contrario, de igual sentido y en otra dirección.

10. Elementos de Cuerda o Alambre

Son elementos mecánicos ya empleados por los griegos. Los más importantes son la polea simple y la polea compuesta o polipasto.

11. Combinación de Cuerdas, Alambres y Articulaciones

Combinando adecuadamente cables y articulaciones se pueden conseguir efectos espectaculares, como es el caso de los frenos de bicicletas.

12. Transmisores por Cadena y por Correa Dentada

Estos elementos son ideales para transmitir el movimiento entre árboles o ejes muy distantes.

• Cadena: Idónea para lugares polvorientos en los que se le exige una gran durabilidad a la transmisión.
• Correa dentada: Es muy silenciosa y no necesita lubricación.

13. Normas de Seguridad y Uso de Elementos Mecánicos

Una de las normas básicas para que no ocurran accidentes es no tocar partes móviles hasta que no estén completamente paradas. La mayoría de las legislaciones internacionales, especialmente la europea, son muy estrictas con las exigencias de seguridad mínimas que deben cumplir todos los productos que se fabriquen. De manera general, hay que cumplir lo siguiente:

• Todas las partes móviles de los productos que transmiten movimiento tienen que estar protegidas.
• Si la máquina es potencialmente peligrosa en su funcionamiento y los operarios deben estar retirados, tendrá que incorporar sistemas de seguridad que eviten que se ponga en marcha mientras se manipula.

14. Rendimiento de Máquinas

Desgraciadamente, no toda la potencia o energía que se transmite desde el motor llega al árbol final donde se necesita. Parte de ella se pierde en el camino, debido a rozamientos, a deslizamientos y al diseño de los elementos.