Sistemes Mecànics: Estàtica de Màquines, Elements i Lubrificació

Sistemes mecànics (estàtica de màquines)

1r Concepte: (Màquina), és la que realitza un treball o s'encarrega de la transformació d'energia.

2n Concepte: (Mecanisme), conjunt de mecanismes que tenen la funció de guiar i transmetre, també de modificar el moviment.

3r Concepte: (Disseny), és l'estètica i està sotmesa a tres tipus de forces: estàtica, cinemàtica i dinàmica. Per a saber si pot realitzar la seva funció que han de dur a terme.

Equilibri del punt material

Un punt material és un cos d'una determinada massa però sense dimensions. Segons la 1a llei de Newton ΣF = 0, està en repòs o en MRU.

Equilibri del sòlid rígid

Un sòlid rígid és un cos d'una determinada massa en el qual la distància entre dos punts qualssevol no varia siguin quines siguin les forces que hi actuen. Primera llei de Newton.

El Moment (M_º) d'una força (F) respecte d'un punt (0) = M_º (N.m) = F(N) x d(m)

Parells de forces

Dues forces amb les seves direccions paral·leles, però en sentit contrari. M (N.m) = F x D(d+d)

• Diagrama del cos lliure: consisteix en dibuixar el cos objecte d'estudi aïllat de la resta de cossos que estan en contacte amb aquest. I s'han de dibuixar totes les forces.

Màquines simples

El rendiment d'una màquina és del 100%, el treball o energia que rep és el mateix que subministra. Treball que fem sobre una màquina: Treball Motriu. Treball que fem sobre les càrregues per contrarestar: Treball resistent.

La palanca

És una barra rígida que es recolza en un punt de suport o fulcre. ΣM_º = 0 ; F x d₁ - R x d₂ = 0

La roda

Una càrrega que es desplaça sobre un vehicle de rodes que en lloc de ser desplaçada arrossegant-la es parla de rodolament. ΣM_º = 0 ; F(N) = N(N) x ä(m) / r_t(m)

El torn

Màquina destinada bàsicament a l'elevació de càrregues. Dels extrems del cilindre surten dues barres en forma de maneta que permeten fer girar el cilindre on s'enrotlla una corda o cable en què se suspèn la càrrega. ΣM_º = 0 ; F x r₁ = R x r₂

• Torn diferencial: se situen dos cilindres concèntrics de diferent diàmetre, de manera que quan es pretén elevar un per el cilindre de més diàmetre enrotlla la corda i el de menys diàmetre la desenrotlla.

El ternal o sistema de politges diferencial

Màquina formada per tres politges: dues fixes, concèntriques, de diferents diàmetres i fixades per el mateix eix. I una mòbil. F = R x (r₂ - r₁) / 2 x r₁ x ç

El pla inclinat

Màquina utilitzada des de l'antiguitat, avui dia s'utilitza altres màquines que en són una derivació, com les rosques i les falques o tascons. ΣM_º = 0 ; F - F_x - F_f = 0 ; F = G x (sinα + cosα x µ)

El caragol

Una de les aplicacions més importants del pla inclinat. Efectivament, una rosca o cargol en un pla inclinat que remunta una superfície cilíndrica. F x 2π x r = R x p

R(N) = 2 x M x π / p ; R = (2 x M x π / p) x ç ; ç = tgα / tg(α + Ø) [ tgα = p / 2π x r_c i tagØ = µ ]

R = M / tg(α + Ø) x r_c

Elements de màquines

Són les diferents parts que formen una màquina i els seus mecanismes. Tenen la funció de subjectar o unir les diferents peces com ara cargols, clavetes i altres fan la funció de mecànica de guiatge o de transmissió de forces i moviment com les rodes o les politges.

Unions fixes i unions desmuntables

• Unions fixes: s'utilitzen quan la unió ha d'aguantar esforços mecànics importants i no és necessari el desmuntatge, com ara els elements que formen l'estructura metàl·lica d'una grua, el xassís d'un cotxe, etc. Dos tipus: Soldades i Reblades.
• Unions desmuntables: elements que estan units s'han de desmuntar amb facilitat, com ara les caragolades, amb clavetes, passadors, etc. Per exemple: subjecció de la roda d'un cotxe, etc.

La reblada

Uneix peces planes de poc gruix que no admeten la soldadura o peces en les quals les soldadures podrien provocar tensions internes i deformar-lo.

L'element que es fa servir és el rebló que està proveït d'una cabota en un dels seus extrems i s'introdueix en uns forats fets prèviament en les peces a unir, de tal manera que una vegada sobreposades, els forats coincideixin. Hi ha diferents maneres de distribuir les reblades per fer unions:

• Unions per a recobriments, en què les dues peces se sobreposen.
• Unions per a cobrejuntes, en què les dues peces estan en el mateix pla, juntes i unides per mitjà d'una planxa reblonada que agafa les dues peces a unir.
• Unions amb dues cobrejuntes, en què les peces estan en el mateix pla, juntes i unides per mitjà de dues planxes reblonades, una en cada cara.

Unions caragolades

S'utilitza per a muntar i desmuntar peces ràpidament. Una de les aplicacions del cargol és la construcció de maquinària. També fa la funció de subjecció de dues o més peces. Les subjeccions amb cargols està format per: cargol, la femella i la volandera.

Característiques d'una rosca

[Pas de rosca: format per una superfície solcada que forma un filet que s'enrotlla helicoïdalment sobre un cilindre (el cargol), quan aquest mateix filet es fa dins d'un forat, rep el nom de femella.] - [Inclinació de la rosca: Rosca dreta (enrotllament del filet comença d'esquerra a dreta, si i es vol caragolar s'haurà de fer girar la cabota del cargol en el sentit del moviment de les agulles del rellotge) Rosca esquerra (si l'enrotllament comença de dreta a esquerra, la cabota haurà de girar en sentit contrari al de les agulles del rellotge)] [Geometria del filet: Existeixen moltes formes diferents amb diferent utilitats; triangulars - subjecció de peces; trapezials i quadrades - per transmetre forces importants; arrodonides - es busca estanquitat (materials contra incendis); tallats o autoroscants - xapes fines].

Rosques normalitzades: Rosca ISO mètrica

Les rosques també estan normalitzades, s'han de fabricar segons unes condicions que determina formes i dimension. Definir la geometria de la rosca, el joc entre la rosca i el cargol i la femella, el radi de les puntes de la rosca, l'angle del fillet, el diàmetre de l'exterior i l'interior. La més normalitzada és la rosca mètrica de geometria triangular que pertany al SI fou adaptada per UNE. Aquestes característiques són: filet de forma triangular, angle dels costats és de 60 graus, triangle equilàter. Altre tipus de rosca és la Whitworth, amb un angle de 55 graus, i dimensions s'expressa en polsades.

Caragols, femelles i volanderes. Tipus i representació gràfica

[Cargols i femelles: serveixen per unir dues peces entre si, de manera que es pugi muntar i desmuntar, per això cal que cargol i femella tinguin les mateixes dimensions i característiques geomètriques.] - [Volandera: Peça de forma anular d'acer dolç, en el diàmetre exterior sobresurt del vèrtex de la femella uns 2 o 3 mm. És necessari per les següents aplicacions; 1-Quan el material a unir és molt tou. 2-Quan la superfície on descansa és irregular. 3-Si es vol evitar que la femella ratlli la superfície. 4-Quan es vol augmentar la superfície de subjecció.] - [Tipus de cargols: es diferencien per: el mètric del cargol, la forma de la cabota, i la seva llargada. (Cargol sisavat, cabota cilíndrica, aixamfranat, Allen, cabota quadrada, cabota rodona i de papallona).] - [Representació gràfica: el perfil de la rosca per una fina línia.]

Sistemes d'unió i fixació amb cargols

Maneres perquè no es descollin, sobretot a causa de les vibracions.

Unions d'elements de màquines. Clavetes, entalles, clavilles i passadors

Quan s'han d'unir dues peces cilíndriques (eix i politja) s'utilitzen clavetes (peces d'acer, ubicades dins d'uns rebaixos o entalles de diàmetre fets a l'eix i al forat). Les clavetes varien segons l'esforç en: transversals i passadors, longitudinals, llengüetes i eixos estriats.

Clavetes transversals i passadors

[Clavetes transversals: per unir dues peces cilíndriques, per tracció o compressió, s'assembla a una falca, per un costat recte i per l'altre una inclinació del 1 al 5 %, això evita la debilitació, de la secció.] - [Passadors o clavilles: per esforços petits, i senzilla, elements de fusta o metall, cilíndrics o cònics, que s'introdueixen en un forat que travessa les dues parts, i d'ajustament senzill. La utilització és per l'assegurament de la posició recíproca de dues peces.] - [Elàstics: per esforços de torsió, de forma cilíndrica oberta per la meitat i més gran que el forat, a l'introduir-se pel forat aquest, això és degut a un alt límit elàstic.]

Clavetes longitudinals

La finalitat és transmetre un parell de gir i assegurar la immobilitat axial de les peces. La cara superior toca la part de a dalt del forat anomenat cub, i la part de abaix amb l'eix, tenen una petita conicitat per evitar desplaçaments axials. La pressió que hi ha entre el forat i l'eix és tan gran (1200 kp/cm2) que permeti que girin dues peces sense perill de lliscament d'una. Si per alguna raó no pot aportar inclinació es fixa amb cargols.

Llengüetes

A vegades han de permetre el desplaçament axial sense deixar de transmetre el parell de gir, aquest tipus són les llengüetes. La part superior no pot tocar l'entalla del cub, ja que les forces les fan les cares lateral de la claveta i entalles. Un altre tipus són les llengüetes rodones o Woodruff amb la part inferior en forma de semicercle, s'utilitzen amb espai i esforços petits.

Esforços estriats

Per peces que han d'estar rígidament unides, per grans esforços, es fer una sèrie d'entalles en la perifèria de l'eix i en el forat.

Molles i unions elàstiques

Es fan servir per absorbir energia o com a càrregues de xoc, o per produir una força o pressió. Rep nom de molla aquells elements que tenen la propietat elàstica (la capacitat de deformar-se al rebre un cop i recuperar la seva posició original). Aquests materials són aliatges de: ferro, crom, vanadi, silici i molibdè. Denominació UNE F-1430 fins F-1460, el material també pot ser goma sintètica.

Classificació de les molles

Tenen formes geomètriques diferents segons la funció, una gran varietat segons el tipus d'esforç que han de suportar o simplement la funció: [Molles de tensió o tracció: fetes d'un fil de secció circular enrotllat helicoïdalment, els extrems doblats en forma de ganxo. Tenen les espiras juntes de sèrie pensades per suportar esforços que tirin d'elles.] - [Molles de compressió: mateixa geometria que les anteriors, però amb espiras separades per poder suportar esforços que les comprimeixin, extrems de forma plana per millor repartiment de la càrrega.] - [Molles de torsió: Igual que les anteriors però extrems diferent per suportar esforços de torsió.] - [Molles de ballesta: són fulles d'acer corbades agafades pel mig amb una brida, amb fixacions dels extrems articulades.] - [Molles d'espiral: finalitat acumular o esmorteir un moment de gir que està unit per l'extrem interior de la molla, i l'altre a una bancada o suport.] - [Molles de goma: s'utilitza per suspensions, i esmorteir vibracions, xocs i sorolls. També per articulacions que no requereixen manteniment i amb petites oscil·lacions angulars. Poden treballar compressió i cisallament.]

Rodaments

Perquè una roda giri lliurement al voltant de l'eix sense fricció, que quedi fixa en una posició i aguantar part del pes del vehicle, es fica entre la roda i l'eix. També conegut com coixinet, serveix per assegurar la fricció mínima i que els dos òrgans que uneix quedin units.

Parts d'un rodament

Està constituït per quatre parts: [Anell exterior: la part exterior entra a pressió dins l'element que gira, i l'interior serveix de pista de rodament dels cossos rodants.] - [Anella interior: La part interior pot estar fixat a la part que gira o a la fixa, l'exterior serveix de pista de rodament pels cossos rodants.] - [Cossos rodants: fa que la fricció sigui només la que fan aquests en girar per les pistes, n'hi ha de diferents formes: boles, cilíndrica, cònica o d'agulla.] - [Separadors: Fan la funció de tenir els cossos rodant separats entre si.]

Classes de rodaments

Han de suportar unes càrregues. Quan la força a aguantar és perpendicular a la línia imaginària, és anomenada força radial, quan la força és paral·lela a la línia imaginària del centre rep el nom de força axial, i la combinació de les dues s'anomena força obliqua. N'hi ha diferents tipus per suportar cada força, aquests són uns: [Rodament rígid de boles: pistes profundes, molta resistència esforços axials, capacitat de càrrega radial molt gran, alta velocitat de gir, fricció mínima entre boles i pistes, i preu econòmic. Existeixen de doble fila de boles per augmentar la capacitat de càrrega.] - [Rodament d'una filera de boles amb contacte angular: permet rebre una pressió obliqua, suporta càrregues axials i radials. Es munten un al costat de l'altre en sentit contrari per rebre càrregues axials en sentit contrari. Si fos de doble filera de boles, podria suportar esforços axials de totes dues bandes.] - [Rodament de rodets cilíndrics: suporta càrregues radials grans i altes velocitats. Té l'avantatge de que l'eix del coixinet es pugi desplaçar axialment, dintre d'uns límits.] - [Rodament de rodets cònics: posició de rodets i pista és obliqua, això el fa més resistent a càrregues radials i axials a l'hora. També fa falta un altre en sentit contrari per esforços axials en sentit contrari.] - [Rodaments d'agulles: permet dissenyar construccions lleugeres de pes i ocupa poc espai i permetre una bona lubrificació. El més corrent és d'agulles per contactes radials i axials.]

Lubrificants

Els fregaments fan pèrdues d'energia de fricció, ocasiona despreniment de calor i reducció sensible del rendiment, un desgast important, per prevenir tot això es lubrifiquen les parts mòbils. Consisteix a col·locar unes substàncies (lubrificants (substància capaç de disminuir la fricció)) entre les dues parts que tenen un contacte directe. Aquests han de formar una pel·lícula entre les superfícies en contacte, perquè la fricció sigui líquid-sòlid i no entre dos sòlids. El coeficient de fricció en metalls és 0,1, i per superfícies lubrificades 0,001, i per superfícies especials fins a 0,00001. Per la seva importància, són un element més a tenir en compte en el projecte d'una màquina. Poden ser líquids o pastosos i alguns casos sòlids. Els més corrents són olis i greixos, el que s'obtenen a partir del petroli.

Característiques dels lubrificants

Un bon lubrificant ha de fer: [Reduir la fricció entre les peces mòbils.] - [Actuar com a refrigerant.] - [Suportar les agressions dels contaminants (aigua, aire, ..) que es barregen amb el lubrificant.] 1.Una manera de tenir les peces mòbils aïllades es fa servir lubrificació hidrodinàmica, que consisteix a mantenir la pel·lícula fent que les peces estiguin en flotació. Això s'aconsegueix bombejant el lubrificant cap a les superfícies de contacte. 2.És necessari refrigerar-lo, ja que pot alterar l'estabilitat tèrmica de l'oli. La recirculació o l'ús d'additius pot ajudar a mantenir la temperatura. 3.Un increment de temperatura farà que l'oli perdi propietats a causa de l'oxidació, si és estable a 85º, aguanta uns anys, mentre que si treballa a 90º, l'oxidació d'aquest augmentarà exponencialment, i als 315º començarà la descomposició tèrmica.

Lubrificació amb olis

Es fan servir olis quan les temperatures i velocitats són molt altes. A més de lubrificar també han de refrigerar i netejar de partícules sòlides. Això es fa amb un circuit tancat d'oli. Actualment s'utilitza molt als lubrificants sintètics SHC. La diferència entre SHC i olis minerals és que els primers tenen totes les molècules de la mateixa mida, i els olis no tenen una estructura molecular uniforme i les propietats varien de la qualitat del cru. Els avantatges de SHC sobre els olis convencionals són: [Estalvi d'energia: la fricció interna es redueix perquè les molècules són uniformes. Estalvi de 2 al 5% a l'hora d'arrencar una màquina (parell motor).] - [Duració: Dura entre 5 i 10 vegades més, amb estalvi de costos en canvis d'olis i menys aturades de producció.] - [Oxidació: són menys susceptibles a l'oxidació per l'augment de la temperatura.] - [Estabilitat tèrmica: és elevada i tenen més fluïdesa a temperatures baixes.] L'únic en contra és que el preu pot ser 5 vegades superior al d'un oli convencional.

Lubrificació amb greixos

Es fan servir en la manutenció de rodaments, són difícils de seleccionar, el recomanat és seguir el consell del fabricant. L'elecció dependrà de: la temperatura a dissipar, la velocitat dels components, les vibracions de les màquines i de la càrrega de treball que ha de suportar.