MÁQUINAS - ELEMENTOS DE MÁQUINAS

Acanalado se refiere a un patrón de crestas, trambalador o dientes en la superficie un eje de transmisión que encajan con surcos en una pieza de acoplamiento a la que transmite un torque mecánico, manteniendo la correspondencia angular entre ellos.¹​²​³​

Por ejemplo, una engranaje montado en un eje podría utilizar un acanalado macho en el eje que encaje en el acanalado hembra en el engranaje. El acanalado del eje mostrado en la figura encaja con el acanalado hembra en el centro de la pieza de encaje, mientras la punta lisa del eje se apoya en el rodamiento de volante. Una alternativo al acanalado es un perfil de chaveta, aunque el acanalado proporciona menor desgaste por fatiga del material.²​

Tipos[editar]

Hay varios tipos de acanalado:²​

Acanalado de dientes paralelos

con surcos regularmente espaciados, en éste los lados de cada surco son paralelos en las dos direcciones tanto radial como axial.

Acanalado en involuta o evolvente

con surcos regularmente espaciados, en éste los lados de cada surco siguen una curva involuta (evolvente), como en el caso de un engranaje con perfil de involuta pero no tan largo. Las curvas reducen las concentraciones de tensión aumentando así la resistencia de la pieza.

Acanalado de corona

con surcos regularmente espaciados y los lados como en el caso anterior tienen normalmente la forma de una involuta (evolvente), pero con los dientes machos modificados para permitir un cierto desalineamiento.

En diente de sierra

con surcos en forma de "V" regularmente espaciados. Estos se usan en ejes de pequeño diámetro.

Acanalado helicoidal

en éste los surcos trazan una hélice sobre el eje. Los lados pueden ser paralelos o en involuta. Este perfil puede usarse tanto para minimizar concentraciones de tensión en una junta estacionaria sometida a fuerte carga como para permitir desplazamientos y rotaciones relativos entre las partes.

De bola

En éste los dientes de la parte exterior alojan un rodamiento de bola que permite el desplazamiento relativo entre las partes incluso bajo un torque intenso.

acoplamiento mecánico a una serie de enlaces rígidos, con ligamentos que forman una cadena cerrada o una serie de cadenas cerradas. Cada ligamento tiene uno o más ligas, y éstas tienen diferentes grados de libertad que les permiten tener movilidad entre los ligamentos. Un acoplamiento mecánico se llama mecanismo si dos o más ligas se pueden mover con respecto a un ligamento fijo. Los acoplamientos mecánicos suelen diseñarse con una entrada y producen una salida, alteran el movimiento, la velocidad, la aceleración, y aplican una ventaja mecánica. Un acoplamiento mecánico que se diseña para ser estacionario se denomina estructura.

Un gobernador centrífugo para el control de fluido. Una turbina de aguagira el gobernador, el cual controla el fluido del agua, el cual alimenta la turbina, creando una máquina de velocidad regulada.

Los acoplamientos mecánicos son una parte fundamental del diseño de máquinas, y los más simples acoplamientos no fueron inventados o ni siquiera entendidos hasta el siglo XIX. Tomemos un simple palo: posee seis grados de libertad, tres de los cuales son las coordenadas de su centro en el espacio, los otros tres describen su rotación. Una vez unido entre un bloque de piedra y un punto de apoyo y es consignado a un movimiento particular, actuando como una palanca para mover el bloque. Cuantas más uniones son añadidas en varios mods su movimiento colectivo se define mayor precisión. Con un acoplamiento formado por sólo unas pocas partes, se pueden conseguir movimientos muy complejos y precisos.

La Revolución industrial fue la época de oro de los acoplamientos mecánicos. Los avances en matemáticas, ingeniería y manufactura proveyeron tanto la necesidad como la capacidad de crear nuevos mecanismos. Muchos mecanismos simples que parecen obvios hoy, requirieron algunas de las más brillantes mentes de la era para ser creados. Leonhard Euler fue uno de los primeros matemáticos en estudiar la síntesis de los acoplamientos, y James Watt trabajó arduamente para inventar el movimiento en paralelo que soporta el pistón de su máquina de vapor. Pafnuti Lvóvich Chebyshovtrabajó en el diseños de acoplamientos mecánicos durante más de treinta años, los cuales le guiraon a crear sus polinomios¹. Nuevas invenciones de acoplamientos mecánicos, diseñados por la necesidad, fueron un instrumento en la maquinaría de hilados, dando poder de conversión y regulando la velocidad. Inclusive la capacidad de un mecanismo para producir un movimiento lineal preciso, sin una guía de referencia, requirió años para solucionarse.

Científicos, mayormente alemanes, rusos e ingleses, han investigado este campo durante los últimos 200 años, así que el análisis tradicional o los problemas de síntesis (como los de movimiento planar) han sido resueltos (ver las bibliotecas en línea en los enlaces externos, en alemán e inglés).

La tecnología electrónica de hoy día, hace uso del acoplamiento mecánico en aplicaciones tales como la computación mecánica, el teclear y la maquinaria. De todos modos, los diseños modernos de acoplamiento mecánico continúan avanzando, y los diseños que ocupaban a un ingeniero durante días, hoy pueden ser optimizados por una computadora en segundos.

Inclusive los servomotores con un control digital son comunes, y a primera vista fáciles de usar, sin embargo algunos problemas de movimiento (especialmente para movimientos rápidos y precisos) aún son solamente resueltos por medio de acoplamientos mecánicos.

Actualmente, los acoplamientos mecánicos han retomado gran importancia en la construcción de robots, donde en Japón existe también una historia de desarrollo e investigación muy avanzada sobre acoplamientos mecánicos.

Teoría[editar]

Los acoplamientos más simples tienen un grado de libertad de uno, lo que significa que hay una entrada de movimiento ("input motion", en inglés) que produce una salida de movimiento ("output motion", en inglés). La mayoría de los acoplamientos son también planares, significando que todos los movimientos toman lugar en un sólo plano. Los acoplamientos espaciales (no-planar) son más difíciles de diseñar y por lo tanto, no tan comunes.

Para calcular los grados de libertad en los acoplamientos, se emplea la ecuación de Kutzbach-Gruebler. El número de grados de libertad de un acoplamiento es también llamado movilidad.

Una versión simplificada de la ecuación de Kutzbach-Gruebler para los acoplamientos planares es:

${\displaystyle m=3(n-1)-2j\,}$

${\displaystyle m\,}$= movilidad = grados de libertad

${\displaystyle n\,}$= número de uniones (incluyendo la unión a tierra)

${\displaystyle j\,}$= número de pares cinemáticos de un grado de libertad (pin o bola movible)

Una forma más general de la ecuación de Kutzbach-Gruebler para los acoplamientos planares conteniendo uniones más complejas:

${\displaystyle m=3(n-j-1)+\sum _{n=1}^{j}\ f_{i},}$

O, para acoplamientos espaciales (acoplamientos que se llevan a cabo en un movimiento en 3D):

${\displaystyle m=6(n-j-1)+\sum _{n=1}^{j}\ f_{i},}$

${\displaystyle m\,}$= movilidad (grados de libertad)

${\displaystyle n\,}$= número de uniones (incluyendo una unión a tierra)

${\displaystyle j\,}$= número total de uniones, sin tomar en cuenta la conectividad o los grados de libertad

${\displaystyle \sum _{n=1}^{j}\ f_{i}}$= suma de los grados de libertad de cada unión.

La movilidad de una máquina hidráulica puede ser fácilmente identificada contando el número de cilindros hidráulicos controlados independientemente.

Acoplamientos sencillos son capaces de producir un movimiento complicado.

Tipos de uniones:

• Pin, rotación de GDL (Grado De Libertad) de uno. Algunos ejemplos son: bujes, cojinetes, pernos, empalmes, remaches y bisagras.
• Semiesféricos, movimiento linear de GDL de uno o dos. cojinetes lineares, cilindros hidráulicos, rodillos y pistones.
• Bolla y socket, rotación de GDL de tres, usualmente restringido a un GDL de uno por las otras uniones en el mecanismo.

Los diseñadores sintetizarán un acoplamiento comenzando por un movimiento de salida requerido, una ventaja mecánica, velocidad y aceleración. Un tipo de acomplamiento es escogido y modificado para dar el desempleño requerido.

Cada unión es tratada como un vector, y los vectores pueden ser combinados en un sistema de ecuaciones, porque éstos forman un circuito. La matriz es resuelta para crear una ecuación de forma cerrada que relaciona las entradas de movimiento con los movimientos de salida. Lo mismo es hecho para la ventaja mecánica, o en otra cantidad importante. Las ecuaciones de movimiento son derivadascon respecto al tiempo para encontrar la velocidad y aceleración de las partes del mecanismo.

Tipos de acoplamientos[editar]

Los acoplamientos mecánicos pueden dividirse en acoplamientos rígidos, flexibles y especiales o articulados.

Acoplamientos rígidos[editar]

• acoplamientos rígidos de manguitos
• acoplamientos rígidos de platillos
• acoplamientos rígidos por sujeción cónica
• acoplamientos rígidos por sujeción cúrvica

Acoplamientos flexibles[editar]

• acoplamiento flexible de manguitos de goma
• acoplamiento flexible de disco flexible
• acoplamiento flexible de fuelle helicoidal
• acoplamiento flexible de quijada de goma
• acoplamiento flexible direccional de tipo Falk
• acoplamiento flexible de cadenas
• acoplamiento flexible de engrane
• acoplamiento flexible de muelle metálico

Acoplamientos especiales o articulados[editar]

• junta eslabonada de desplazamiento lateral
• junta universal (más bien conocida como cruceta o cardán)

Usos[editar]

Los acoplamientos tienen por función prolongar líneas de transmisión de ejes o conectar tramos de diferentes ejes, estén o no alineados entre sí.

 álabe es la paleta curva de una turbomáquina o máquina de fluidorotodinámica. Forma parte del rodete y, en su caso, también del difusor o del distribuidor. Los álabes desvían el flujo de corriente, bien para la transformación entre energía cinética y energía de presión por el principio de Bernoulli, o bien para intercambiar cantidad de movimientodel fluido con un momento de fuerza en el eje.

En el caso de las máquinas generadoras, esto es, bombas y compresores, los álabes del rodete transforman la energía mecánica del eje en entalpía. En las bombas y compresores con difusor, los álabes del estátor recuperan energía cinética del fluido que sale del rotor para aumentar la presión en la brida de impulsión. En las bombas, debido al encarecimiento de la máquina que ello conlleva, se dispone de difusor únicamente cuando obtener un alto rendimiento es muy importante, por ejemplo en máquinas de mucha potencia que funcionan muchas horas al año.

En las máquinas motoras, ya sean turbinas hidráulicas o térmicas, el rodete transforma parte de la entalpía del fluido en energía mecánica en el eje. Los álabes del distribuidor conducen la corriente fluida al rodete con una velocidad adecuada en módulo y dirección, transforman parte de la energía de presión en energía cinética y, en aquellos casos en que los álabes son orientables, también permiten regular el caudal.

Características según el grado de reacción[editar]

En las máquinas de acción, como es el caso de una turbina Pelton o una turbina Turgo, el fluido en el rodete se encuentra a una presión prácticamente constante que con frecuencia es la presión ambiental, por lo que en ellas, se utiliza solo la energía cinética del fluido que incide en los álabes, por lo que se utilizan toberas que previamente aumentan la velocidad del fluido y disminuyen la presión.

En las máquinas de reacción, como en una turbina Francis o en una turbina Kaplan, la sección de un álabe es similar a un perfil aerodinámico, lo que permite aprovechar también parte de la energía de presión o de la altura estática de la entrada.

Véase también: Grado de reacción

Fabricación y montaje[editar]

Los álabes operan solicitados a grandes esfuerzos de vibratorios para lo que requieren suficiente resistencia a fatiga. En particular, debe fabricarse con procesos cuidadosos para que soporte condiciones de desgaste y resonancia, así como funcionar óptimamente en función de las situaciones de presión, temperatura y viscosidad del fluido.

Para los álabes de turbinas de gas, los materiales más usados son las superaleaciones de titanio o de níquel y las aleaciones de wolframio-molibdeno.

Su montaje sobre el rotor requiere especial cuidado, prestando especial atención al ángulo óptimo. Los álabes se encuentran en turbinas de gas, turbinas de vapor, turbocompresores, ventiladores y otros equipos rotatorios.

Debido a que los álabes giran a grandes revoluciones se hace necesaria que la construcción y el montaje de los mismos se haga con mucha precisión para evitar vibraciones excesivas durante el funcionamiento.