Mecanismo Leva- Palpador . Engranajes

Mecanismo leva-palpador.
En muchas maquinas se quiere que una pieza determinada se desplace siguiendo una ley más o menos compleja. Son un ejemplo típico las válvulas de admisión y escape de los motores de combustión interna, que han de abrirse o cerrarse en función del giro del cigüeñal en unas posiciones determinadas, de acuerdo con el ciclo termodinámico del motor. Para conseguir este desplazamiento se podría recurrir a accionamientos de diversos tipos: electromagnético, hidráulico, etc., que, controlados por un microprocesador, permitirían funciones de desplazamiento totalmente arbitrarias. Ahora bien, una solución mucho más sencilla, económica y compacta es el clásico mecanismo leva-palpador.
En este capítulo se estudian en detalle las levas planas de rotación, porque son las más frecuentes y de análisis más sencillo, si bien la mayoría de los conceptos que se exponen son aplicables a cualquier tipo de leva.

Secuencia de diseño
La misión de un mecanismo leva-palpador consiste en impulsar el palpador según la ley de desplazamiento deseada, en función del ángulo _ girado por la leva –en el caso de Levas giratorias. Por tanto, la secuencia de diseño del mecanismo, en lo concerniente a aspectos geométricos y cinemáticos, es la siguiente:
1. Especificación de la ley de desplazamiento.
2. Obtención del perfil de la leva que impulsa un palpador determinado según la ley de desplazamiento especificada.
3. Comprobación de que el perfil obtenido no presente características que impidan un contacto levapalpador correcto.
Una ley arbitraria origina un perfil de leva que no es fácilmente calculable ni mecanizable sin la utilización de ordenadores y maquinas de control numérico; eso hace que antiguamente solo se pudiese proceder de manera inversa, estudiando primero perfiles de leva típicos, de mecanización fácil, y después se escogiese aquel que producía el desplazamiento más aproximado al que se pretendía.

Análisis del mecanismo leva-palpador
Objetivo. El análisis del mecanismo leva-palpador consiste en estudiar el movimiento de dos sólidos –la leva y el palpador– de perfiles conocidos, cada uno con un grado de libertad, que se ponen en contacto mediante un par superior. Este estudio permite determinar:
La ecuación geométrica de enlace –ley de desplazamiento–, que relaciona el desplazamiento o giro del palpador con el de la leva.
– La ecuación cinemática de enlace, que relaciona las velocidades de la leva y del palpador en una configuración dada.
– La velocidad de deslizamiento en el punto de contacto.
– El ángulo de presión, un índice del buen funcionamiento del mecanismo.

Características geométricas del perfil de la leva
Una vez obtenido el perfil de la leva, se ha de comprobar que este no presente características geométricas no deseadas que impidan un contacto leva-palpador correcto. Los problemas que se pueden presentar son básicamente de 2 tipos:
– Imposibilidad de acceso del palpador al punto teórico de contacto a causa de que el palpador invada otros tramos de la leva al intentar acceder a este punto.
– Existencia de degeneraciones en el perfil de la leva. A pesar de que la ley de desplazamiento sea continua y suave, es posible que el perfil de la leva presente vértices o autointersecciones.


Engranajes

En muchas maquinas, se hace necesaria la transmisión de movimiento de rotación entre dos ejes, y a menudo se quiere que la relación entre las velocidades angulares de estos ejes sea constante e independiente de la configuración. Para conseguirlo, se utilizan ruedas de fricción, correas, cadenas o engranajes.
En este capítulo, se estudian los engranajes desde el punto de vista cinemático, y las condiciones que se ha de imponer al perfil de los dientes de las ruedas dentadas para que el engranaje sea cinemáticamente correcto.

Transmisión de la rotación entre ejes

La transmisión de la rotación de un eje a otro es necesaria por motivos tales como:
– La existencia de ejes no coincidentes por razones funcionales. Este es el caso del diferencial de un vehículo con motor longitudinal, necesario para transmitir el movimiento de la salida de la caja de cambios a las ruedas.
– La necesidad de establecer una relación de velocidades precisa entre dos ejes. Por ejemplo, el ciclo termodinámico de un motor de 4 tiempos impone que el árbol de levas gire exactamente a la mitad de velocidad que el cigüeñal, o la aguja horaria de un reloj mecánico ha de girar a una velocidad angular 1/60 de la correspondiente a la minutera.
– La necesidad de invertir el sentido de giro de un eje. Es el caso del mecanismo que permite a una motonave invertir el sentido de giro de la hélice para maniobrar.
– La adecuación de la velocidad de un motor a las características de la carga. Por ejemplo, la turbina de un avión de turbohélice gira a una velocidad demasiado elevada para poderse conectar directamente con la hélice con un rendimiento aceptable, y se ha de interponer un reductor entre ellas. Otro ejemplo es el de un aerogenerador en que las palas giran demasiado lentamente para accionar el generador eléctrico y se ha de interponer un multiplicador.
En función de la disposición relativa de los ejes, se utilizan diversos tipos de engranajes:
– Ejes paralelos: engranajes cilíndricos, también denominados paralelos, con dientes rectos,
Helicoidales o dobles helicoidales.
– Ejes que se cortan: engranajes cónicos con dentado recto o espiral.
– Ejes que se cruzan: engranajes cilíndricos helicoidales cruzados o engranajes hipoidales

Otras aplicaciones de los engranajes. Se ha de decir que los engranajes también pueden utilizarse como elementos de bombas o compresores volumétricos. Este es el caso de la
bomba de aceite que se puede encontrar en un motor de explosión, o del compresor Roots.

Trenes de engranajes
Un sistema con más de un par de ruedas dentadas se denomina tren de engranajes. La necesidad de utilizar más de un engranaje puede quedar justificada por los motivos siguientes:
– Obtención de una relación de transmisión imposible de conseguir con un solo par de ruedas. Es el caso de un reductor 1/20 de ejes paralelos, relación de transmisión fuera del rango aconsejable con un único engranaje.
– Poder disponer de una gama de relaciones de transmisión. Es el caso de una caja de cambios de un vehículo.
– Limitaciones del espacio disponible. Por ejemplo, si se ha de transmitir el movimiento entre dos ejes paralelos muy alejados, con solo dos ruedas dentadas, estas tendrían un tamaño excesivo. Es el caso de un vehículo con motor transversal y tracción total. La transmisión a las ruedas posteriores se efectúa mediante un eje intermedio longitudinal y engranajes cónicos.
Transmisión del movimiento de un eje a diversos, simultáneamente. Por ejemplo, el motor paso a paso de un reloj mecánico ha de accionar simultáneamente las tres agujas que señalan los
segundos, los minutos y las horas.
– Obtención de mecanismos con mas de un grado de libertad. Es el caso del diferencial empleado en los automóviles.

EL ARTE DEL PROYECTO DE MÁQUINAS

El motivo por el que se crea una nueva maquina es la existencia de su necesidad presente o previsible. El proceso de creación se inicia con la concepción de un dispositivo, que sirva para una determinada finalidad. A la idea concebida sigue el estudio de la disposición de las diversas partes y de la posición y longitud de las conexiones, asi como los movimientos relativos o cinematica de estas ultimas y de la coloco¡acion de engranajes , pernos, resortes, levas y demás componentes de la maquina. Por modificaciones y perfeccionamiento s sucesivos de las ideas, lo probable es que llegue a varias soluciones, de las cuales se adoptara la que parezca preferible.
La practica real del proyecto consiste en la aplicación de una combinación de principios científicos y de conocimientos adquiridos por experiencia. Rara vez un problema de diseño tiene una sola solución correcta y esto suele poner en situación incomoda al proyectista de maquinas principiante. Aunque el arte del proyecto de maquinas solo se puede aprender con muchos año de practica, mucho de los problemas que plantea requieren tomar decisiones elementales por parte del estudiante.
Verdaderamente, es para él una contrariedad tener que tomar algunas decisiones sin poseer al principio todos los conocimientos necesarios, pero concentrando su atención en ellas adelantara paulitamente de modo considerable en el estudio.
También, es cierto que incluso los ingenieros tienen que adoptar frecuentemente decisiones sin un conocimiento completo de la materia, pero no es lo mismo decidir cuando se poseen todos los conocimientos existentes acerca de la cuestión que hacerlo cuando lo ignoran.

EFECTO CORIOLIS

El efecto Coriolis, descrito en 1835 por el científico francés Gaspard-Gustave Coriolis, es el efecto que se observa en un sistema de referencia en rotación (y por tanto no inercial) cuando un cuerpo se encuentra en movimiento respecto de dicho sistema de referencia. Este efecto consiste en la existencia de una aceleración relativa del cuerpo en dicho el sistema en rotación. Esta aceleración es siempre perpendicular al eje de rotación del sistema y a la velocidad del cuerpo.
El efecto Coriolis hace que un objeto que se mueve sobre el radio de un disco en rotación tienda a acelerarse con respecto a ese disco según si el movimiento es hacia el eje de giro o alejándose de éste. Por el mismo principio, en el caso de una esfera en rotación, el movimiento de un objeto sobre los meridianos también presenta este efecto, ya que dicho movimiento reduce o incrementa la distancia respecto al eje de giro de la esfera.
Debido a que el objeto sufre una aceleración desde el punto de vista del observador en rotación, es como si para éste existiera una fuerza sobre el objeto que lo acelera. A esta fuerza se la llama fuerza de Coriolis, y no es una fuerza real en el sentido de que no hay nada que la produzca. Se trata pues de una fuerza inercial o ficticia, que se introduce para explicar, desde el punto de vista del sistema en rotación, la aceleración del cuerpo, cuyo origen está en realidad, en el hecho de que el sistema de observación está rotando.
Un ejemplo canónico de efecto Coriolis es el experimento imaginario en el que disparamos un obús desde el Ecuador en dirección norte. El cañón está girando con la tierra hacia el este y, por tanto, imprime al obús esa velocidad (además de la velocidad hacia adelante de la carga de impulsión). Al viajar el obús hacia el norte, sobrevuela puntos de la tierra cuya velocidad líneal hacia el este va disminuyendo con la latitud creciente. La inercia del obús hacia el este hace que su velocidad angular aumente y que, por tanto, adelante a los puntos que sobrevuela. Si el vuelo es suficientemente largo (ver cálculos al final del artículo), el obús caerá en un meridiano situado al este de aquél desde el cual se disparó, a pesar de que la dirección del disparo fue exactamente hacia el norte. Análogamente, una masa de aire que se desplace hacia el este sobre el ecuador aumentará su velocidad de giro con respecto al suelo en caso de que su latitud disminuya. Finalmente, el efecto Coriolis, al actuar sobre masas de aire (o agua) en latitudes intermedias, induce un giro al desviar hacia el este o hacia el oeste las partes de esa masa que ganen o pierdan latitud.

publicado por. Alvaro Campos

Velocidad relativa en mecánica clásica

La velocidad relativa entre dos cuerpos es el valor de la velocidad de un cuerpo medida por el otro.

El cálculo de velocidades relativas en mecánica clásica es totalmente aditivo y encaja con la intuición común sobre velocidades; de esta propiedad de la aditividad surge el método de la velocidad relativa.
Las definiciones y propiedades anteriores para dos observadores en movimiento relativo se aplica también para el caso de dos partículas clásicas A y B, cuyas velocidades medidas por un observador dado sean y , respectivamente.

Cinemática del sólido rígido

El concepto de velocidad relativa es particularmente útil en la cinemática del sólido rígido. Si se acepta que las distancias entre los diversos puntos de un sólido no varían mientras este se está moviendo por el espacio, entonces el sólido es modelizable como sólido rígido y conocida la velocidad angular del sólido en cada instante y la velocidad de un punto O del sólido, podemos conocer la velocidad de cualquier otro punto P.

por: Alvaro Campos

Engranajes

Engranaje

Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina 'corona' y la menor 'piñón'. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido. Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina 'tren.

La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la relación de transmisión.

Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple y corriente que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.

• Diente de un engranaje: son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo.

• Módulo: el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. En los países anglosajones se emplea otra característica llamada Diametral Pitch, que es inversamente proporcional al módulo. El valor del módulo se fija mediante cálculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en función de la relación de transmisión que se establezca. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo.

• Circunferencia primitiva: es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes.

• Paso circular: es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos.

• Espesor del diente: es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo.

• Número de dientes: es el número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relación de transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25º.

• Diámetro exterior: es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del e ngranaje.
• Diámetro interior: es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente.
• Pie del diente: también se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva.
• Cabeza del diente: también se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo.
• Flanco: es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento.
• Altura del diente: es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura del pie (dedendum).
• Angulo de presión: el que forma la línea de acción con la tangente a la circunferencia de pas o, φ (20º ó 25º son los ángulos normalizados).
• Largo del diente: es la longitud que tiene el diente del engranaje
• Distancia entre centro de dos engranajes: es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de los engranajes.
• Relación de transmisión: es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda conducida. La R_t puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. La relación de transmisión recomendada tanto en caso de reducción como de multiplicación depende de la velocidad qu e tenga la transmisión.

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Antigua grúa accionada con engranajes ubicada en el puerto de Sevilla

Mecanismo piñón cadena

El mecanismo piñón cadena es un método de transmisión muy utilizado porque permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes paralelos, que estén bastante separados. Es el mecanismo de transmisión que utilizan las bicicletas, motos, y en muchas máquinas e instalaciones industriales. También se emplea en sustitución de los reductores de velocidad por poleas cuando lo importante sea evitar el deslizamiento entre la rueda conductora y el mecanismo de transmisión (en este caso una cadena).

El mecanismo consta de una cadena sin fin (cerrada) cuyos eslabones engranan con ruedas dentadas (piñones) que están unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido.

Las cadenas empleadas en esta transmisión suelen tener libertad de movimiento solo en una dirección y tienen que engranar de manera muy precisa con los dientes de los piñones. Las partes básicas de las cadenas son: placa lateral, rodillo y pasador. Las ruedas dentadas suelen ser una placa de acero sin cubo (aunque también las hay de materiales plásticos).

Eslabón de una cadena.

Juego de piñones de bicicleta.

Publicado por: ABNIEL CABALLERO