Sistemes mecànics: estàtica de màquines i elements d'unió

Sistemes mecànics. Estàtica de màquines

Màquina: és un sistema format per un o més conjunts mecànics amb parts mòbils i eventualment per altres conjunts (elèctrics, electrònics, òptics, etc.), concebut per realitzar una tasca determinada, que normalment comporta la realització de treball o la transformació d'energia.

Mecanisme: és un conjunt d'elements mecànics que realitza funcions de guiatge i transmissió relacionades amb els moviments i les forces en el si d'una màquina. Un mecanisme, per tant, com ara una caixa de canvis o una transmissió.

Moment: el moment (M₀) d'una força (F) respecte d'un punt (0) es defineix com el producte vectorial del vector posició (r₀) de la força respecte del punt, per la força.

Màquines simples

Les màquines simples com la roda, la palanca i el pla inclinat s'utilitzen per amplificar forces, així s'aconsegueix elevar o desplaçar cossos o càrregues pesants fent petits esforços.

La palanca: és una barra rígida que recolza en un punt de suport o fulcre.

La suma de moments ha de ser = 0.

El torn: és una màquina destinada a l'elevació de càrregues. Consta d'un cilindre horitzontal recolzat en els seus extrems per dos coixinets. Dels extrems del cilindre surten dues barres en forma de manpalla que permeten fer girar el cilindre, on s'enrotlla una corda o cable en què se suspèn la càrrega.

Una variant és el torn diferencial, on se situen dos cilindres concèntrics de diferent diàmetre, de manera que quan se'n prem un per girar, el de més diàmetre enrotlla la corda i el de menys diàmetre la desenrotlla.

El pla inclinat: és una màquina utilitzada des de l'antiguitat per poder pujar els cossos més fàcilment.

El cargol: és una de les aplicacions més importants del pla inclinat. Efectivament, la rosca o cargol és un pla inclinat que rodeja una superfície cilíndrica.

Unions fixes i unions desmuntables

Unions fixes: soldadures i reblades.

Unions desmuntables: cargolades i unions d'elements de màquines: claus, passadors, coixinets, etc.

El reblat

Quan s'ha d'unir peces planes de poc gruix s'utilitza el reblat.

El reblló està provist d'un cap en un dels seus extrems i s'introdueix en uns forats fets prèviament en les peces a unir, de manera que se sobreposin els forats a fi de coincidir. Es pot fer automàticament.

• Unions per recobriments, on les dues peces se sobreposen.
• Unions per cobrejunts, on 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 dos cobrejunts, on les peces estan en el mateix pla, juntes i unides per mitjà de dues planxes reblonades.

Unions cargolades

Quan dues peces s'hagin d'unir d'una manera no permanent és quan pensem amb l'element d'unió roscat. El cargol fa funció de subjecció.

Les subjeccions amb cargols es componen dels següents elements: el cargol, que està format per un cilindre roscat o pern, una superfície llisa o tija i un cap; la femella i la volandera.

Característiques d'una rosca

Una rosca queda ben definida quan coneixem el seu pas, la inclinació i la seva geometria.

• Pas de rosca: format per una superfície solcada formant un filet que s'enrotlla helicoïdalment sobre un cilindre, anomenat cargol.
• Inclinació de la rosca: segons on comenci l'enrotllament del filet podrem saber si el cargol ha de girar cap a la dreta o cap a l'esquerra; rosca dreta o rosca esquerra.
• Geometria del filet: formes triangulars, formes trapezials i quadrades, formes arrodonides o formes tallants o autoroscants.

Roscs normalitzades. Rosca ISO mètrica

Les roscs també es troben sota normalització. La que es fa servir més en la unió d'elements de màquines és la rosca mètrica de geometria triangular que procedeix al sistema i fou adaptada per l'ISO. El filet té forma triangular i l'angle que formen els seus costats és de 60º.

Cargols, femelles i volanderes. Tipus i representació gràfica

Cargols i femelles: aquests elements serveixen per unir entre si dues peces, de manera que es puguin muntar i desmuntar.

La volandera: el seu diàmetre exterior sobresurt del vèrtex de la femella. És necessària en les següents situacions:

• El material que s'ha d'unir és molt tou i no es vol aixafar.
• Quan la superfície on ha de descansar la femella o el cap del cargol sigui irregular.
• Quan el forat del cargol sigui considerablement més gran que el diàmetre del cargol.
• Si es vol evitar que la femella ratlli la superfície que pressiona.
• Quan es vol augmentar la superfície de subjecció per evitar que el cargol s'aflluixi.

Tipus de cargols. Per anar a comprar cargols i femelles cal definir: el mètric del cargol, la forma del cap i la seva llargada.

Unions d'elements de màquines. Claus, entalls, clavilles i passadors

Les claus són peces, generalment d'acer, que van ubicades dins els rebaixos o entalls d'una geometria determinada fets a l'eix i al forat.

Claus transversals i passadors

Les claus transversals es fan servir per unir dues peces cilíndriques que han d'encaixar quan aquestes treballen a tracció o a compressió. Quan els esforços són petits es substitueixen per passadors o claus.

Claus longitudinals. La finalitat d'aquesta clau és la de transmetre un par de gir i al mateix temps assegurar la immobilitat axial de les peces que uneix l'eix.

Chavetes: de vegades les claus longitudinals han de permetre el desplaçament axial de les peces acoblades sense deixar de transmetre el par de gir; reben el nom de chavetes.

Molles i ballestes

Les molles i les ballestes es fan servir per absorbir energia o com a càrregues de xoc. Reben el nom de molles tots aquells elements en què el seu material té la propietat elàstica, és a dir, que el material té la capacitat de deformar-se.

Classificació de les molles

Les més importants són les molles de tracció, les de compressió, les de torsió, les d'espiral, les de ballesta i les de goma.

• Molles de tensió o tracció: estan fetes d'un fil de secció circular enrotllat helicoïdalment; els seus extrems es troben doblegats en forma de ganxo.
• Molles de compressió: estan pensades per aguantar esforços que intenten comprimir-les. Els seus extrems solen tenir forma plana per permetre un millor repartiment de la càrrega a suportar.
• Molles de ballesta: consisteix a muntar fulls d'acer corbats un sobre l'altre units pel mig per mitjà d'una brida. La seva aplicació més important es troba a la suspensió de vehicles.
• Molles d'espiral: la finalitat d'aquestes molles és acumular o amortir un moment de gir d'un eix que està unit per l'extrem interior de la molla, mentre que l'altre extrem es troba unit a una bancada o suport. S'apliquen en els recuperadors de les cintes mètriques o per acumular energia en els mecanismes amb corda com els rellotges o les joguines.
• Molles de goma: la goma s'utilitza en les suspensions de màquines, vehicles, aparells i sobretot es fa servir per amortir vibracions, xocs i soroll. També s'utilitza en articulacions que no requereixen manteniment i amb petites oscil·lacions angulars. Les molles de goma poden treballar a compressió i a cisallament, amb l'avantatge que es redueix considerablement el pes de la màquina en comparació amb una molla d'acer.

Rodaments i coixinets

El rodament, també conegut amb el nom de coixinet, és un element intermedi muntat entre dos òrgans d'un mecanisme que giren un respecte de l'altre per aconseguir que la fricció entre ells sigui mínima i, al mateix temps, assegurar que aquests dos òrgans quedin units.

Parts d'un rodament

Està constituït per quatre parts: un anell exterior, un anell interior, els cossos rodants i els separadors.

Lubricants

La lubricació consisteix en la col·locació d'unes substàncies, els lubricants, entre les superfícies de peces mòbils que llisquen en contacte mutu per tal de disminuir les pèrdues d'energia i el desgast que es produeix entre elles.

Un lubricant és aquella substància capaç de disminuir les friccions que existeixen entre els elements de màquines quan es mouen els uns respecte dels altres. Els més corrents són, però, els olis i els greixos.

Els objectius bàsics de la lubricació són els següents:

• Reduir sensiblement el fregament entre les superfícies en contacte.
• Reduir el desgast.
• Evitar la corrosió.
• Dissipar l'escalfor generada pel fregament (refrigerar).

Característiques dels lubricants

• Viscositat o resistència a fluir.
• Untuositat o capacitat d'adherència a les superfícies.
• Punts de combustió, inflamació i congelació alts.
• Poder anticorrosiu.
• Poder antiespumant.
• Poder detergent.
• Resistència a pressions elevades.

La lubricació amb olis. Es fan servir olis quan les temperatures i les velocitats dels elements són altes.

La lubricació amb greixos. Es fa servir generalment en la manutenció dels rodaments. L'elecció d'un determinat greix dependrà de la temperatura a dissipar, de la velocitat en què es mouen els components a greixar, de les vibracions de la màquina i de la càrrega de treball que ha de suportar l'element.