Biela

Biela-manivela

frame|horario de biela y manivela en locomotoras de vapor. La biela recibe en (5) el movimiento lineal del pistón y lo transforma en rotación de las ruedas.|396x396px

Serrería romana de Hierápolis. Del siglo III de la Era como funciona, es la maestra más antigua del horario [biela]-[manivela].^1 2 3

El mecanismo de biela - 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 unido 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.

Elementos frisio-químicos

• 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.

• Biela

  

  Biela de un motor de combustión interna.

  Se puede denominar biela a un elemento mecánico que es sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la máquina. En un motor de combustión interna conectan el pistón al cigüeñal.

  Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustión interna y en los compresores alternativos. Se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal. Su sección transversal o perfil puede tener forma de H, I o + . El material del que se fabrican es de una aleación de acero, titanio o aluminio. En la industria automotor todas se fabrican por forja, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante mecanizado.

CigÜeñal

El cigüeñalPosted on 2 de mayo de 2009 by Antonio Pulido

El cigüeñal es un árbol de transmisión que junto con las bielas transforma el movimiento alternativo en circular, o viceversa. En realidad consiste en un conjunto de manivelas. Cada manivela consta de una parte llamada muñequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del cigüeñal. Cada muñequilla se une una biela, la cual a su vez está unida por el otro extremo a un pistón. Observa la imagen y lo entenderás inmediatamente…

Los cigüeñales se utilizan extensamente en los motores de combustión de los automóviles, donde el movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del cigüeñal que, a su vez, se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia. El cigüeñal es un elemento estructural del motor.

Manivela

MECANISMO BIELA-MANIVELA

El conjunto biela-manivela está formado por una manivela y una barra denominada biela. Esta se encuentra articulada por un extremo con dicha manivela y, por el otro, con un elemento que describe un movimiento alternativo.

Al girar la rueda, la manivela transmite el movimiento circular a la biela, que experimenta un movimiento de vaivén.

Este sistema es reversible, es decir, transforma el movimiento alternativo o de vaivén en movimiento de rotación.

Su importancia fue decisiva en el desarrollo de la locomotora de vapor,

 
y en la actualidad se utiliza en motores de combustión interna,

 limpiaparabrisas, maquinas herramientas, ect...

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...

Descripción

El sistema biela-manivela emplea, básicamente, una manivela, un soporte y una biela cuya cabeza se conecta con el eje excéntrico de la manivela(empuñadura).

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.

¿Cómo fabricar el mecanismo biela-manivela?

Este mecanismo se puede construir en el taller de tecnología usando los siguientes materiales:

• Cartón, para las poleas.
• Varilla roscada M4.
• Tuercas y arandelas M4.
• Casquillo metálico.
• Listón de madera 18x9 mm.
• Palito de barbacoa.
• Contrachapado de 3 mm.
• Contrachapado de 10 mm.
• Tinte para madera.

El resultado se puede observar en las siguientes imágenes:

Descripción de las piezas del mecanismo:

La biela y el pistón están fabricadas con contrachapado de 3 mm y los orificios han sido realizados utilizando una broca de 3 mm.

Al fabricar la biela hemos tenido en cuenta que su longitud debe debe de ser al menos 4 veces el radio de giro de la manivela a la que esta acoplada.

El pistón también se ha construido con contrachapado de 3 mm y su longitud depende del proyecto donde se quiera utilizar.

La guía se ha construido utilizando contrachapado de 3 mm.y el resultado se puede observar en la figura. Para el soporte de la guía se puede utilizar listón de pino.

La Excéntrica la hemos fabricado utilizando cartón, para el eje varilla roscada M4, para el soporte listón de pino y para la manivela contrachapado de 5 mm.

Funcionamiento del mecanismo

Proyectos realizado basados en este mecanismo:

• Balancín

• Carpintero

Excéntrica

Descripción

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:

El disco, sobre el que se sitúan los dos ejes. El eje de giro, que está situado en el punto central del disco (o rueda ) y es el que guía su movimiento giratorio . El eje excéntrico, que está situado paralelo al anterior pero a una cierta distancia (Radio) del mismo.

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

Utilidad

Su utilidad práctica se puede resumir en tres posibilidades básicas:

Imprimir un movimiento giratorio a un objeto. Esto se consigue simplemente con una excéntrica en la que el eje excéntrico hace de agarradera (molinos de mano, sistemas de rehabilitación de los brazos, manivelas...) y se le hace girar sobre su eje central.

Imprimir un movimiento giratorio a un eje empleando las manos o los píes. En ambos casos se recurre más a la manivela que a la excéntrica. Pero una aplicación que no ha renunciado a la excéntrica es la conversión en giratorio del movimiento alternativo producido por un pie (máquinas de coser antiguas). Esto se consigue con el sistema excéntrica-palanca-biela.

Transformar un movimiento giratorio en lineal alternativo (sistema excéntrica-biela) Con la ayuda de unabiela, transformar en lineal alternativo el movimiento giratorio de un eje (la conversión también puede hacerse a la inversa). Si se añade un émbolo se obtiene un movimiento lineal alternativo perfecto.

Tornillo sin fin

Descripción

Desde el punto de vista conceptual el sinfín es considerado una rueda dentada de un solo diente que ha sido tallado helicoidalmente (en forma de hélice). Este operador ha sido diseñado para la transmisión de movimientos giratorios, por lo que siempre trabaja unido a otro engranaje.

El perfil del hilo empleado en este operador es similar al que se usa para los engranajes.

Utilidad

El sinfín, acompañado de un piñón (mecanismo sinfín-piñón), se emplea para transmitir un movimiento giratorio entre ejes perpendiculares que se cruzan, obteniendo una gran reducción de velocidad. Podemos encontrarlo en limpiaparabrisas, clavijas de guitarra, reductores de velocidad para motores, manivelas para andamios colgantes...

Relación de transmisión Este mecanismo permite transmitir el movimiento entre árboles que se cruzan. El árbol motor coincide siempre con el tornillo sin fin, que comunica el movimiento de giro a la rueda dentada que engrana con él, llamada corona. Una vuelta completa del tornillo provoca el avance de un diente de la corona. En ningún caso puede usarse la corona como rueda motriz. Puede observarse un tornillo sin fin en el interior de muchos contadores mecánicos. Por cada vuelta de la corona, el tornillo completa tantas vueltas como número de dientes tenga la corona. Por lo tanto, la relación de transmisión del mecanismo es simplemente i = 1 / d corona donde: i : relación de transmisión d corona : número de dientes de la corona La relación de transmisión resulta ser inferior a la unidad, de manera que el mecanismo actúa siempre como reductor. Alternativamente, puede calcularse en función del diámetro primitivo de la corona y del paso de rosca del tornillo, definido como la distancia entre dos surcos consecutivos de la hélice. La expresión adecuada resulta ser i = p / (p D corona) donde: p = 3,1416 p : paso de rosca del tornillo D corona : diámetro primitivo de la corona

La cremallera

Descripción

En mecánica, una cremallera es un prisma rectangular con una de sus caras laterales tallada con dientes. Estos pueden ser rectos o curvados y estar dispuestos en posición transversal u oblicua.

Desde el punto de vista tecnológico podemos considerarla como un caso particular de la rueda dentada, pues puede suponerse que es un engranaje de radio infinito.

Utilidad

Se emplea, junto con un engranaje (piñón), para convertir un movimiento giratorio en longitudinal o viceversa. Tiene gran aplicación en apertura y cierre de puertas automáticas de corredera, desplazamiento de órganos de algunas máquinas herramientas (taladros, tornos, fresadoras...), cerraduras, microscopios, gatos de coche...

La cuña

Descripción

De forma sencilla se podría describir como un prisma triangular con un ángulo muy agudo. También podríamos decir que es una pieza terminada en una arista afilada que actúa como un plano inclinado móvil.

Se encuentra fabricada en madera, acero, aluminio, plásticos...

Estudio de las fuerzas

La cuña es un amplificador de fuerzas (tiene ganancia mecánica). Su forma de actuar es muy simple: transforma una fuerza aplicada en dirección al ángulo agudo (F) en dos fuerzas perpendiculares a los planos que forman la arista afilada (F1 y F2); la suma vectorial de estas fuerzas es igual a la fuerza aplicada.

Las fuerzas resultantes son mayores cuanto menor es el ángulo de la cuña.

Un poco de historia y evolución

• El hombre de Cromañón ya la empleaba bajo la forma de hacha, cuchillo y puntas de lanza.
• En el 3000 a.C ya se empleaba en las canteras egipcias para la separación de grandes bloques de piedra y para extraer tablas de los árboles. También por esta época se empieza a emplear en forma de sierra para madera.
• Hacia el 2900 a.C se empieza a emplear en Sumeria bajo la forma de arado de madera.
• Hacia el 1000 a.C. se aplica a las tijeras para trasquilar ovejas.
• En 1848 es empleada por Linus Yale para la fabricación de la llave de la primera cerradura de seguridad. Esa llave estaba dotada de dientes de sierra con alturas diferentes.
• En 1906 se patenta la cremallera formada por dientes que se engarzan entre sí por efecto de dos planos inclinados que los presionan. Una cuña introducida entre ellos permite separarlos.

Utilidad

La cuña es sumamente versatil y forma parte de multitud de mecanismo de uso cotidiano. Algunas de sus utilidades prácticas son:

Modificar la dirección de una fuerza. Pues convierte una fuerza longitudinal en dos fuerzas perpendiculares a los planos que forman el ángulo agudo. Esta utilidad es la empleada para abrir o separar cuerpos: obtener tablones de los árboles, partir piedras en canteras, cerrar o abrir los dientes de una cremallera...

Convertir un movimiento lineal en otro perpendicular. Si combinamos dos cuñas podemos convertir el movimiento lineal de una en el desplazamiento perpendicular de la otra creando una gran fuerza de apriete. Esta utilidad es especialmente apreciada en el ajuste de ensambles en madera, sujección de puertas, ajuste de postes en la construcción, llaves de cerraduras...

Herramienta de corte, bien haciendo uso de la arista afilada (cuchillo, abrelatas, tijeras, maquinilla eléctrica, cuchilla de torno...) o recurriendo al tallado de pequeñas cuñas (dientes de sierra) que en su movimiento de avance son capaces de arrancar pequeñas virutas (sierra para metales, serrucho, sierra mecánica, fresa, lima...).

El plano inclinado

Descripción

El plano inclinado es una superficie plana que forma con otra un ángulo muy agudo (mucho menor de 90º). En la naturaleza aparece en forma de rampa, pero el ser humano lo ha adaptado a sus necesidades haciéndolo móvil, como en el caso del hacha o del cuchillo.

Utilidad

El plano inclinado es el punto de partida de un nutrido grupo de operadores y mecanismos cuya utilidad tecnológica es indiscutible. Sus principales aplicaciones son tres:

Se emplea en forma de rampa para reducir el esfuerzo necesario para elevar una masa (carreteras, subir ganado a camiones, acceso a garajes subterráneos, escaleras...).

En forma de hélice para convertir un movimiento giratorio en lineal (tornillo de Arquímedes, tornillo, sinfín, hélice de barco, tobera...)

En forma de cuña para apretar (sujetar puertas para que no se cierren, ensamblar piezas de madera...), cortar (cuchillo, tijera, sierra, serrucho...) y separar o abrir (hacha, arado, formón, abrelatas...).La rampa es una superficie plana que forma un ángulo agudo con la horizontal. La rampa viene definida por su inclinación, que puede expresarse por el ángulo que forma con la horizontal o enporcentaje (relación entre la altura alcanzada respecto a lo que avanza horizontalmente, multiplicado por 100). Este último es el que se emplea usualmente para indicar la inclinación de las carreteras. Un poco de historia. Aunque el plano inclinado es un operador presente en la naturaleza (en forma de rampa o cuesta) y que ya había sido fabricado en forma de cuña (puntas de flecha y lanza, hachas...) por parte de las culturas prehistóricas, se supone que no empezaron a construirse rampas conscientemente hasta el nacimiento de las culturas megalíticas (4000 a.C.) y la consiguiente necesidad de desplazar y emplear grandes bloques de piedra. Con la aparición de los carros empezaron a construirse caminos que tenían que salvar grandes accidentes geográficos (sobre el 3000 a.C.) Hacia el 2800 a.C., en Mesopotamia, empieza a emplearse en forma de escalera de obra (adaptación de la rampa a la fisonomía del ser humano) en las viviendas y construcciones sociales. Después los romanos generalizaron su uso para el trazado de calzadas y la conducción de agua a las ciudades (acueductos). Utilidad La rampa es un plano inclinado cuya utilidad se centra en dos aspectos: reducir el esfuerzo necesario para elevar un peso y dirigir el descenso de objetos o líquidos. Reducción del esfuerzo. La rampa permite elevar objetos pesados de forma más sencilla que haciéndolo verticalmente. El recorrido es mayor (pues el tablero de la rampa siempre es más largo que la altura a salvar), pero el esfuerzo es menor. Podemos encontrar rampas con esta utilidad en carreteras, vías de tren, rampas para acceso a garajes, escaleras, acceso de minusválidos, puertos pesqueros, piscinas...   Dirigir el descenso de objetos o líquidos. Cuando se quiere canalizar el movimiento descendente de un objeto también se recurre a la rampa, pues añadiéndole unas simples guías (o empleando tubos inclinados) se puede conseguir que el camino seguido sea el que nosotros queremos, evitando desviaciones no deseadas. Con esta utilidad se emplea en tejados, canalones, toboganes, acueductos, boleras, parques acuáticos, máquinas expendedoras, teléfonos públicos (guía para las monedas)...