TORNILLO TORNILLO SIN FIN
Trabajo Trabajo presentado presentado por: JUAN PABLO PABLO BARRERO BARRERO JOHN JAIME BELALCAZAR JUAN MANUEL EL!AO EL!AO BRA" BRA"AN !AL#EZ !AL#EZ #AS$UEZ
Trabajo Trabajo presentado presentado a !UILLERMO MONRA!ON CASTRO L%&en&%ado
INSTITUCI'N INSTITUC I'N EUCATI#A EUCATI#A LICEO EPART EPARTAMENTAL TECNOLO!(A TECNOLO!(A E INFORMATICA INFORMATICA SANTIA!O E CALI )*+,
INTROUCCI'N En el siguiente trabajo se pretende demostrar el significado, desarrollo, implementación, descripción y funcionamiento de un tornillo sinfín. Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados en madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento. Nadie sabe a ciencia cierta dónde ni cundo se inventaron los engranajes. !a literatura de la antigua "hina, #recia, $ur%uía $ur%uía y Damasco mencionan engranajes pero no aportan muchos detalles de los mismos. !os sistemas mecnicos se caracterizan por presentar elementos o piezas sólidas, con el objeto de realizar movimientos por acción o efecto de una fuerza. En ocasiones, pueden asociarse con sistemas eléctricos y producir movimiento a partir de un motor accionado por la energía eléctrica. En general la mayor cantidad de sistemas usados actualmente son propulsados por motores de combustión interna. En los sistemas mecnicos se utilizan distintos elementos relacionados para transmitir un movimiento. "omo el movimiento tiene una intensidad y una dirección, en ocasiones es necesario cambiar esa dirección y&o aumentar la intensidad, y para ello se utilizan estos mecanismos. E'isten muchos tipos de mecanismos %ue transforman la energía, (alivianndole) el trabajo al ser humano. *n ejemplo claro de ello son las poleas, engranajes, tornillo sin fin+corona, etc. En este informe nos centraremos principalmente en la investigación a fondo sobre el sistema mecnico denominado ($o ($ornillo sin fin+corona), %ue es un mecanismo %ue transmite el movimiento entre ejes %ue estn en ngulo recto, diseado para transmitir grandes esfuerzos, %ue también se utiliza como reductor de velocidad aumentando la potencia de transmisión. !o invitamos a conocer sobre este mecanismo a fondo, su historia, su evolución y los usos en %ue se aplica, haciendo ms fcil el esfuerzo cotidiano %ue realiza el trabajador.
OBJETIVOS
OBJETI#O !ENERAL •
-ealizar un trabajo de investigación de mantenimiento industrial cuyo objetivo es dar a conocer la importancia del tornillo sinfín, mediante el conocimiento técnico y fuentes alternas aprendidas en clase.
OBJETI#OS ESPEC(FICO •
• •
-econocer e identificar los conceptos bsicos para él clculo de mecanismos de tornillo sin fin. nalizar las fuerzas %ue act/an act/an en los mecanismos mecanismos de tornillos sinfín. fianzar los conocimientos conocimientos de elementos de m%uinas, m%uinas, para una buena aplicación de estos en el diseo de ingeniería.
HISTORIA !a invención de este tornillo se le atribuye al pensador griego r%uímedes de 0iracusa en el siglo tercero. El supuesto de %ue esta atribución fuera realizada en el siglo se'to antes de "risto por el rey babilonio Nabucodonosor, Nabucodonosor, por el Dalley asiriólogo o pre+Egipto helenístico fue refutada por la falta de evidencia literaria y ar%ueológica del tornillo antes del 123 a. ". *n tornillo de r%uímedes es una m%uina gravimétrica helicoidal utilizada para elevación de agua, harina, cereal o material e'cavado. 4ue inventado en el siglo 555 a. ". por r%uímedes, del %ue recibe su nombre, aun%ue e'isten hipótesis de %ue ya era utilizado en el ntiguo Egipto. 0e basa en un tornillo %ue se hace girar dentro de un cilindro hueco, situado sobre un plano inclinado, y %ue permite elevar el cuerpo o fluido situado por debajo del eje de giro. Desde su invención hasta ahora se ha utilizado para el bombeo. $ambién ambién es llamado tornillo sin fin por su circuito en infinito.
DISEÑO El tornillo de r%uímedes consiste en un tornillo dentro de un tubo. El movimiento de este aparato suele ser gracias a un molino o por trabajo manual. Debido a %ue el tornillo rota, éste hace %ue el lí%uido %ue se encuentra debajo ascienda por la superficie helicoidal %ue lo rodea. 0u uso fue principalmente para sistemas de irrigación y para sacar agua de minas u otros sitios siti os poco accesibles. 0i e'istiera agua %ue se cae de una sección, caer encima de la siguiente %ue probablemente haga %ue suba de nuevo, sin embargo este hecho reduciría la eficiencia del tornillo. En algunos diseos, el tubo %ue rodea al tornillo también rota a la vez %ue esté en vez de %uedarse fijo. El tornillo podría ser sellado con resina o alg/n otro adhesivo en su parte e'terior. $amb $ambién ién puede fundirse sobre una pieza de bronce. lgunos investigadores afirman %ue este sistema es el %ue se utilizaba para el riego ri ego de los jardines de 6abilonia, una de las siete maravillas del mundo antiguo. $enemos enemos descripción de los %ue usaban los griegos y romanos, ellos se valían de la fuerza humana para ponerlos en movimiento en la carcasa, de forma %ue todo era una pieza. En ingeniería mecnica se denomina tornillo sin fin a un dispositivo %ue transmite el movimiento entre ejes %ue son perpendiculares entre sí, mediante un sistema de dos piezas7 El 8tornillo8 9con dentado helicoidal:, y un engranaje circular denominado 8corona8.
PRINCIPIO Y FUNCIONAMIENTO En este mecanismo un tornillo sinfín ;. va montado en el eje motor, haciendo girar la corona %ue es el eje de salida 1. Este mecanismo no puede funcionar en sentido contrario, es decir, es irreversible. "ada vez %ue el tornillo sin fin da una vuelta completa, el engranaje avanza un n/mero de dientes igual al n/mero de entradas del sinfín. El tornillo sin fin puede ser un mecanismo irreversible o no, dependiendo del ngulo de la hélice, junto a otros factores. !a velocidad de giro del eje conducido depende del n/mero de entradas del tornillo y del n/mero de dientes de la rueda. 0e puede entender el n/mero de entradas del tornillo como el n/mero de hélices simples %ue lo forman. En la prctica la mayoría de tornillos son de una sola entrada, por lo %ue cada vez %ue éste dé una vuelta, el engranaje avanza un solo diente. !a e'presión por la %ue se rige este mecanismo es similar a la de las ruedas dentadas teniendo en cuenta el n/mero de entradas del tornillo como elemento motor en este caso7 Donde7 n< n/mero de vueltas. =< n/mero de dientes de la rueda conducida. e< n/mero de entradas del tornillo sin fin.
$eniendo eniendo en cuenta %ue e siempre es mucho menor %ue z, la relación de transmisión siempre ser menor por lo %ue actuar como un reductor. En el caso habitual de una sola entrada 9e<;:, el tornillo sin fin se hace e%uivalente a un engranaje %ue tuviese un sólo diente, siendo la relación de reducción directamente igual al n/mero de dientes del engranaje.
DIRECCIÓN DE LA TRANSMISIÓN l contrario %ue en los sistemas sistemas de pión y cremallera, en general general 9salvo casos especiales: la dirección de la transmisión del movimiento entre los dos ejes no es reversible, especialmente cuando se usan coeficientes de reducción grande con tornillos de una sola espiral7 es el tornillo el %ue hace girar al engranaje, y no al revés. Esto es debido a %ue la espiral del tornillo es notablemente perpendicular a los dientes de la rueda, dando un momento de giro prcticamente nulo cuando se intenta hacerla girar. 0e trata de una ventaja considerable cuando se desea eliminar cual%uier posibilidad de %ue los movimientos de la rueda se transmitan al tornillo. En cambio, en los tornillos de espirales m/ltiples, este efecto se reduce considerablemente, debiéndose tener en cuenta la reducción del efecto de frenado, fr enado, hasta el punto de %ue el engranaje puede ser capaz de hacer girar al tornillo.
MECANISMOS SIN FIN DE DISTINTO SENTIDO DE GIRO "onfiguraciones del sin fin en las %ue el e%uipo no puede transmitir movimientos al tornillo se dice %ue son autoblocantes, circunstancia %ue depende del ngulo de ata%ue entre engranajes y del coeficiente de fr icción entre ambos.
SENTIDO DE GIRO *n sin fin de'trógiro es a%uel en %ue las espirales del tornillo se inclinan hacia su lado iz%uierdo cuando se observa con su eje en posición horizontal, coincidiendo con los criterios habituales usados en física y en mecnica. Dos engranajes helicoidales e'ternos %ue operen sobre ejes paralelos deben ser de la mano contraria. En cambio, un tornillo helicoidal y su pión deben ser de la misma mano. *n sin fin levógiro es a%uel en %ue las espirales del tornillo se inclinan hacia su lado derecho cuando se observa con su eje en posición horizontal
TIPOS TORNILLOS SIN FIN En función de la geometría de los dientes del tornillo y del engranaje, hay tres tipos de configuraciones del sin fin
"Sin garganta" Es el tipo ms sencillo. En este caso, las caras e'teriores de los dientes coinciden con las superficies iniciales en las %ue se mecanizan7 la del cilindro en el %ue se inscribe el tornillo, y la de la banda e'terior del disco en el %ue se talla el engranaje. Es decir, son superficies regladas, con sección recta seg/n la dirección de las generatrices del cilindro y del disco.
!Cn #na garganta! En una operación adicional, se talla un surco de perfil circular en la cara e'terior de los dientes del engranaje 9parecido a la garganta con la %ue se disean las poleas para hacer encajar la sección de la cuerda en el perfil del disco:. "on esta disposición, los dientes del engranaje se hacen encajar en el dimetro interior de la hélice tallada en el tornillo, mejorando el contacto entre las dos piezas.
"D$ %&'$ garganta" "omo en el caso anterior, se dispone una garganta en los dientes del engranaje, y adems se adapta el contorno del tornillo al del engranaje con el %ue encaja, adoptando la característica forma de 8reloj de arena8 9el dimetro del tornillo y el tamao de sus dientes aumenta desde el centro a los e'tremos:, de forma %ue se incrementa notablemente la superficie de contacto entre las dos piezas dentadas. Este tipo de mecanismo es de
fabricación ms compleja, aun%ue tiene la ventaja de poder soportar cargas mecnicas ms altas. >or su especial geometría, también se denominan 8tornillos globulares8 o envolventes.
APLICACIONES En los automóviles de principios del siglo ??, antes de la introducción de la dirección asistida, el efecto de un plano o un reventón en una de las ruedas delanteras provocaba %ue el mecanismo de dirección se desviase hacia el lado del neumtico pinchado. El empleo de un sin fin en la columna de dirección reduce este efecto. El desarrollo posterior del sistema de husillo de bolas, permitió reducir a/n ms los rozamientos@ mejorando tanto el control del vehículo como la durabilidad y precisión del mecanismo de dirección. El sin fin es un medio compacto para reducir la velocidad y aumentar el par de giro especialmente en eléctricos pe%ueos, %ue generalmente son de alta velocidad y de bajo par. !a adición de un sin fin aumenta notablemente sus posibilidades de aplicación. $ornillos sin fin se utilizan en prensas, laminadores, cadenas de montaje, ma%uinaria en industrias de e'plotación minera, en timones de barco y en sierras circulares. dems, en fresadoras y m%uinas herramienta sirven para ubicar los /tiles de corte en la zona de trabajo con alta precisión, utilizando sistemas de doble tornillo con tolerancias estrictas. $ambién se utilizan en los mecanismos de control de muchos tipos de ascensores y de escaleras mecnicas, debido a su tamao compacto y a la no reversibilidad del movimiento. En la época de los barcos de vela, la introducción del sin fin para controlar el timón fue un avance significativo. Aasta entonces, el mecanismo utilizado consistía en una cuerda arrollada a un torno. Buchos barcos contaban con dos
ruedas de gran dimetro, por%ue en caso de marejada podían necesitarse hasta cuatro tripulantes para gobernar el timón. 0istemas de tornillo sin fin se han utilizado en algunos automóviles de tracción trasera anteriores a la aparición del mecanismo diferencial. "on posterioridad se vio %ue su uso tiene la ventaja de poderse ubicar en el punto alto o en el punto bajo de la corona del diferencial. En la década de ;C;3 era com/n ver el sinfín colocado en la parte de arriba del diferencial, mejorando la altura /til sobre el terreno de los camiones %ue se utilizaban para circular por caminos de tierra. En cambio, en la década de ;C13 la firma 0tutz Botor "ompany utilizaba este sistema en sus coches, en este caso, para tener un chasis ms bajo %ue sus competidores, por lo %ue se situaba el engranaje en la parte inferior del diferencial. *n ejemplo de alrededor de ;C3 fue el >eugeot 3. *n sin fin formando parte del diferencial, evita %ue el vehículo retroceda en una pendiente sin necesidad de utilizar el freno. Esta ventaja, sin embargo, no compensaba los problemas ligados a los e'cesivos coeficientes de reducción de giro resultantes. *na e'cepción reciente es el Diferencial $ors $orsen, en, %ue utiliza engranajes sin fin y engranajes planetarios en lugar del engranaje cónico de los diferenciales abiertos convencionales. convencionales. Diferenciales $ors $orsen en se utilizan en el vehículo militar mi litar Aumvee y en algunos modelos de Aummer. $ambién los incorporan algunos vehículos de tracción en las cuatro ruedas, como los udi Fuattro. lgunos camiones pesados, pesados, como los grandes dumpers utilizados en construcción y en minería, a menudo utilizan un sin fin diferencial para transmitir la potencia desde el motor a las ruedas. No es tan eficiente como un engranaje cónico, por lo %ue estos camiones suelen tener diferenciales voluminosos para alojar la gran cantidad de aceite necesaria para absorber y disipar el calor creado. sí mismo, se utilizan como mecanismo mecanismo para el tensado de de las cuerdas y su afinado en muchos instrumentos musicales, incluyendo guitarras, contrabajos, mandolinas, buzis y muchos banjos. Becanismos sin fin de plstico a menudo se utilizan con motores eléctricos pe%ueos, para obtener una salida con muchas menos revoluciones %ue el motor, %ue funciona mejor a una velocidad bastante alta. Este sistema se utiliza a menudo en juguetes y en otros aparatos eléctricos pe%ueos. !as abrazaderas para tubo utilizan para ajustar su tamao un tornillo sin fin %ue encaja en una serie de ranuras.
