1 CLASE TERCER TRIMESTRE
ADEMAS DE ESTAR Y COMENZAR A CALIFICAR LOS RELOJES DE TODOS LOS ESTUDIANTES DEL CURSO:
MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN
BIELA
BIELA
Biela: es un
elemento rígido y largo que permite la unión articulada entre la manivela y el
émbolo. Está formada por la cabeza, la caña o cuerpo y el pie. La forma y la
sección de la biela pueden ser muy variadas, pero debe poder resistir los
esfuerzos de trabajo, por eso es hecha de aceros especiales o aleaciones de
aluminio.
Manivela: es
una palanca con un punto al eje de rotación y la otra en la cabeza de la biela.
Cuando la biela se mueve alternativamente, adelante y atrás, se consigue hacer
girar la manivela gracias al movimiento general de la biela. Y al revés, cuando
gira la manivela, se consigue mover alternativamente adelante y atrás la biela
y el émbolo.
El mecanismo
de biela es manivela es un mecanismo que
transforma un movimiento circular en un movimiento de traslación, o viceversa.
El ejemplo actual más común se encuentra en el motor de combustión interna de un automóvil,
en el cual el movimiento lineal del pistón producido
por la explosión de la gasolina se trasmite a la biela y se convierte
en movimiento circular en el cigüeñal.
En forma
esquemática, este mecanismo se crea con dos barras unidas por una unión de
revoluta. El extremo que rota de la barra (la manivela) se encuentra
unida a un punto fijo, el centro de giro, y el otro extremo se encuentra unido
a la biela. El extremo restante de la biela se encuentra unido a un pistón que
se mueve en línea recta.
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 bielaen uno en giratorio continuo en el eje al que está conectada la excéntrica o la manivela (aunque para esto tienen que introducirse ligeras modificaciones que permitan aumentar la inercia de giro).
Este mecanismo es el punto de partida de los sistemas que aprovechan el movimiento giratorio de un eje o de un árbol para obtener movimientos lineales alternativos o angulares; pero también es imprescindible para lo contrario: producir giros a partir de movimientos lineales alternativos u oscilantes.
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...
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Descripción
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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.
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El sistema funciona de la siguiente forma:
La trayectoria seguida por el pie de biela es lineal alternativa, pero la orientación del cuerpo de la biela cambia en todo momento. Esto presenta un pequeño inconveniente que puede solventarse añadiendo otros operadores (por ejemplo un émbolo)
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Este sistema es totalmente reversible, pues se puede imprimir un movimiento lineal alternativo al pie de biela y obtener uno giratorio en el eje de la manivela.
Características
A la hora de diseñar estos mecanismos tenemos que tener en cuenta que:
- La longitud del brazo de la manivela determina el movimiento del pie de la biela (carrera), por tanto, hemos de diseñar la manivela con longitud mucho más corta que la biela.
| Carrera=2 veces el radio de la manivela |
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- Para que el sistema funcione adecuadamente se se deben emplear bielas cuya longitud sea, al menos, 4 veces el radio de giro de la manivela a la que está acoplada.
- Cuando tenemos que transformar movimiento giratorio en alternativo, el eje de la manivela es el elemento motriz y el pie de biela se conecta al elemento resistente (potencia útil). Esto hace que la fuerza aplicada al eje se reduzca en proporción inversa a la longitud de la manivela, por lo que cuanto mayor sea la manivela menor será la fuerza que aparece en su empuñadura y consecuentemente en el pie de la biela.
- Las cabezas de las bielas deben de estar centradas en la empuñadura sobre la que giran, por lo que puede ser necesario aumentar su anchura (colocación de un casquillo).
CIGUEÑAL
Un cigüeñal es un eje acodado, con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que,
aplicando el principio del mecanismo de biela-manivela, transforma el
movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y viceversa.
En los motores de automóviles el
extremo de la biela opuesta
al bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla y es la parte
que se une al cigüeñal, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón
sobre el otro extremo (pie de biela) genera el par motor instantáneo,
que esta acoplado un casquillo antifricción para la unión con el pistón, a
través de un eje llamado bulón. El cigüeñal va sujeto en los apoyos, siendo el
eje que une los apoyos el eje del motor.
Normalmente se
fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven
sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante.
Sin embargo, estas aleaciones no pueden superar una dureza a 40 Rockwell «C»
(40 RHC), debido a que cuanto más dura es la aleación más frágil se hace la
pieza, y se podría llegar a romper debido a las grandes fuerzas a las que está
sometida. Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay que tienen un apoyo cada
dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla.
Por ejemplo, para
el motor de automóvil más usual, el de cuatro cilindros en línea, los hay de
tres apoyos (hoy ya en desuso), y de cinco apoyos, el más común actualmente.
Función
Su función es simple: instalada en
extremo del cigüeñal, absorbe (verticalmente) el choque de las aceleraciones brutales
y la tensión de la correa de distribución.
La resonancia de
los coches diésel ha aumentando de generación en
generación (por ejemplo los diésel hdli, dti y tdi), las tensiones del motor
obligan a la polea de cigüeñal a amortiguar dichas variaciones de tensión. Las
resonancias del motor se presentan más en motores grandes de camión o grandes
todo terreno, y pueden ser la causa de avería de esta polea.
Normalmente, la polea es metálica a
un lado y de caucho (de AMORTIGUADOR) del otro lado. Ya que el lado amortiguador – el caucho que se
usa – está dentro (fijo contra el cigüeñal), las fracturas son difícilmente
detectables al ojo. Normalmente se detecta el fallo de la polea del cigüeñal
por vibraciones al RALENTI.
La polea de cigüeñal debe representar
las características mínimas siguientes:
·
Debe poder amortiguar los choques.
·
Debe estar equilibrada.
·
Debe tener el mismo peso que la polea de origen.
EXCÉNTRICA
Tanto la excéntrica como el resto de operadores similares a ella: manivela, pedal, cigüeñal... derivan de la rueda y se comportan como una palanca.
Desde el punto de vista técnico la excéntrica es, básicamente, un disco (rueda) dotado de dos ejes: Eje de giro y el excéntrico. Por tanto, se distinguen en ella tres partes claramente diferenciadas:
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Al girar el disco, el Eje excéntrico describe una circunferencia alrededor del Eje de giro cuyo radio viene determinado por la distancia entre ambos.
El disco suele fabricarse en acero o fundición, macizo o no
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Utilidad
Su utilidad práctica se puede resumir en tres posibilidades básicas:
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| El mecanismo de excéntrica consta básicamente de dos elementos, la propia excéntrica y el seguidor. La excéntrica es un disco cilíndrico que tiene un eje de giro desplazado un valor "e", llamado alzada, respecto del centro del disco. El seguidor es una varilla que está en contacto permanente con la excéntrica y que recibe el movimiento de esta. Con este ingenio conseguimos transformar el movimiento circular de la excéntrica en movimiento rectilíneo alternativo del seguidor. El mecanismo no es reversible. La forma de la gráfica del movimiento descrito por el extremo del seguidor es la misma para cualquier excéntrica, solo varía la amplitud del movimiento, lo que llamamos alzada (e). | |
| EXPERIMENTA | |
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| RESUELVE | |
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Leva- excéntrica
Es un elemento que transforma el movimiento circular en un movimiento alternativo rectilíneo o circular.
Una excéntrica es un disco cuyo eje de giro no coincide con su centro geométrico. La distancia entre el centro del disco y el eje recibe el nombre de excentricidad.
Las excéntricas producen un movimiento continuo y suave, denominado movimiento armónico simple.
La leva es una pieza metálica o de plástico con una forma determinada, sujeta a un eje que al moverse produce el desplazamiento de una varilla.
Existen dos tipos de levas:
- Levas lineales (muy pocas aplicaciones).
- Levas rotativas (el desplazamiento máximo que sufre la varilla se conoce como alzada de leva). El retorno de la varilla se puede hacer por la gravedad o mediante un muelle. Dependiendo de la forma y del funcionamiento las levas rotativas se clasifican en los siguientes tipos:
– Periféricas, provocan un movimiento lineal alternativo dependiendo de la forma de la leva.
– Oscilantes, la varilla describe un movimiento circular alterenativo.
– De disco, son las más empleadas y se usan para la apertura y cierre de válvulas.
– Cilíndricas, a medida que giran provocan en la varilla un desplazamiento axial determinado.
– De caja, su fabricación es complicada por lo que resultan caras. Se usan en aplicaciones específicas.
LEVA
La leva es un elemento mecánico que permite la transformación de un movimiento circular a un movimiento rectilíneo mediante el contacto directo a un seguidor.1
En ingeniería mecánica, una leva es un elemento mecánico que está sujeto a un eje por un punto que no es su centro geométrico, sino un alzado de centro. En la mayoría de los casos es de forma ovoide. El giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte con una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores: de traslación y de rotación.
La unión de una leva se conoce como unión de punto en caso de un plano o unión de línea en caso del espacio.
Algunas levas tienen dientes que aumentan el contacto con el seguidor.
La forma de una leva depende del tipo de movimiento que se desea que imprima en el seguidor. Ejemplos: árbol de levas del motor de combustión interna, programador de lavadoras, etc.
Las levas se pueden clasificar en función de su naturaleza. Hay levas de revolución, de traslación, desmodrómicas (las que realizan una acción de doble efecto), etc.
El mecanismo de leva y seguidor se emplea para transformar el movimiento circular en un movimiento rectilíneo alternativo con unas características determinadas que dependen del perfil de la leva. La forma de la leva se diseña según el movimiento que se pretende para el seguidor. Para saber las características del movimiento del seguidor es necesario realizar una gráfica.
En los motores de combustión alternativos se emplean levas para efectuar la apertura y cierre de las válvulas que dejan entrar el combustible y salir los gases de la cámara de combustión.
Las levas pueden tener distintas formas, de disco, cilíndricas y de campana; la más común es la de disco
En los motores de combustión alternativos se emplean levas para efectuar la apertura y cierre de las válvulas que dejan entrar el combustible y salir los gases de la cámara de combustión.
Las levas pueden tener distintas formas, de disco, cilíndricas y de campana; la más común es la de disco
MANIVELA
La manivela es un elemento de un mecanismo de transmisión del movimiento que consiste en una barra fijada por un extremo y accionada por la otra con un movimiento de rotación.
Es una pieza normalmente de hierro, compuesta de dos ramas, una de las cuales se fija por un extremo al eje de una máquina, de una rueda, etc. y la otra se utiliza a modo de mango que sirve para hacer girar el eje, la máquina o la rueda. Puede servir también para efectuar la transformación inversa del movimiento circular en movimiento rectilíneo.1 Cuando se incorporan varias manivelas a un eje, éste se denomina cigüeñal.
El mecanismo de biela y manivela es extensamente empleado en diversas máquinas, fundamentalmente para transformar el movimiento alternativo de los pistones de un motor de combustión interna en movimiento rotatorio de otros componentes.
La ecuación de equilibrio de una manivela es:
El esfuerzo que transmite una manivela cumple la ecuación de equilibrio de las palancas; y se ve que en cada uno de los lados de la igualdad se obtiene un valor que resulta de multiplicar una fuerza por su distancia al punto de giro. Este proceso se denomina «movimiento».
Sistema cinemático que tiene la función de transformar un movimiento giratorio en uno rectilíneo alternativo y viceversa. Este mecanismo se aplica en todas las máquinas alternativas de pistones, tanto motrices (motores de vapor o de combustión interna) como operadoras o de trabajo (bombas y compresores de pistón).
El mecanismo biela-manivela está constituido por una parte giratoria (manivela) y por una guía rectilínea (generalmente el cilindro) unidas mediante una biela; en los motores de combustión interna con varios cilindros, las manivelas están situadas sobre un> solo cigüeñal. La guía rectilínea sirve para equilibrar los esfuerzos laterales que se crean a causa de la diferente dirección de la fuerza que actúa sobre el pistón (que es vertical dirigida hacia abajo) y las reacciones de la biela, orientadas según la recta que une la muñequilla con el bulón del pistón (son verticales, por tanto, sólo en correspondencia con los puntos muertos).
Para equilibrar las solicitaciones se emplean dos métodos diferentes: en los grandes motores marinos, el pistón está sujeto a una barra rígida, rectilínea y vertical, unido a la biela mediante una *cruceta, es decir, una corredera que absorbe sobre una guía los empujes laterales; otro método más sencillo consiste en descentrar el cilindro respecto al eje de rotación del cigüeñal, de modo que la inclinación de la biela respecto al cilindro sea mayor que lo normal durante una de las carreras y menor durante la otra. Puesto que la fuerza lateral es proporcional a la presión sobre el pistón y a la inclinación de la biela, manteniendo la biela menos inclinada durante la fase activa (expansión), se obtendrá una correspondiente disminución de dicha fuerza en el momento de mayor solicitación.
El movimiento del pistón no es regular, pues a rotaciones constantes del cigüeñal debería corresponder un movimiento armónico solamente si la biela fuese de longitud infinita, mientras que, en las construcciones prácticas, el movimiento del pistón se desvía del movimiento armónico en proporción al aumento de la relación X, entre el radio de manivela r y la longitud de la biela 1.
En un mecanismo biela-manivela con el cilindro centrado, a una rotación de a grados de la manivela corresponde un desplazamiento x del pistón según la ley:
x = r (1-cos a) + I (1-Vi-),2 sen2 a).
Obteniendo 1U ley de variación de la velocidad del pistón (siempre función de l) se comprueba que ésta es máxima cuando el brazo de manivela y la biela son perpendiculares; por tanto, cuanto más corta es una biela respecto al radio de manivela, tanto más elevada será la velocidad del pistón en la parte superior de su carrera y más baja en la parte inferior.
Por tanto, la longitud de una biela, aunque se establezca en función de los problemas de peso y de dimensiones, influye de manera esencial sobre muchas características de un motor alternativo (solicitaciones, puesta en fase, velocidad del pistón, etc.). Especialmente, las diferencias de velocidad que se producen entre los puntos simétricos de las dos mitades de la carrera y, por tanto, la diferente aceleración, crean fuerzas alternativas de orden superior (segundo, tercero, etc.). (*Equilibrado.)
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