Diseño de Mecanismos Análisis y Síntesis (George Sandor Cap 2)

7/22/2019 Diseo de Mecanismos Anlisis y Sntesis (George Sandor Cap 2)

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Captulo 2Proceso de diseo de un mecanismo

2.1 INTRODUCCINHay ms de una perspectiva con la que observar el campo del diseo de mecanismos. Un apar-tado ya ha sido presentado: la observacin de que todos los sistemas mecnicos contienentareas de generacin de movimiento, trayectoria y funcin. El presente captulo proporcionaotras maneras de organizar y asimilar esta disciplina. Estas perspectivas globales diferentesayudan al diseador en la adquisicin de habilidades para llevar a cabo los pasos de anlisisy sntesis del proceso de diseo. Estos mtodos diferentes proporcionarn tambin herramien-tas creativas para un tipo sntesis de sistemas complejos.Primero se presenta un proceso de siete etapas con el cual los ingenieros generan solu-ciones para tareas especficas. Luego se sugiere una estrategia para considerar la creacin desistemas mecnicos usando bloques constitutivos bsicos. La seccin 2.5 separa los retos deldiseo de mquinas en categorias cinemticas y dinmicas. Otra visin vlida del diseo demecanismos se muestra en la seccin 2.6: cmo son evaluados los requisitos por los ingenie-ros en la prctica de produccin y fabricacin. Dado que las computadoras han jugado unpapel tan importante en el diseo de mecanismos, la seccin final de este captulo repasa losdesarrollos notables del diseo de mecanismos con ayuda de computadora

2.2 LAS SIETE ETAPAS DEL DISEO EN INGENIERA CON AYUDADE COMPUTADORAQu es el diseo? Puede ensearse la creatividad? Cmo comenzamos el proceso de dise-o? En dnde interviene el anlisis y sntesis cinemticos en el diseo de ingeniera? Puederacionalizarse y sistematizarse el diseo de ingeniera? Cmo participa la computadora enel proceso de diseo? Puede formularse, practicarse y ensearse una metodologa del dise-o a los estudiantes de ingeniera? Pueden los conocimientos cientficos y la innata intuicinhumana ser aumentados por una disciplina de diseo para mejorar el desempeo creativo enla ingeniera?

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Seccin 2.2 Las siete etapas del diseo en ingeniera con ayuda de computadora 97

-

sis-

Estas y otras preguntas afines pueden responderse afirmativamente [18, 34, 79, 122,141]. La disciplina del diseo con ayuda de computadora ha alcanzado un grado de madureze importancia tal que se justifica su anlisis en un texto sobre cinemtica.El complejo proceso del diseo creativo en ingeniera est sometido a variantes infini-tas [16, 33, 91, 92, 131, 137, 165]. Uno de los propsitos aqu es presentar una gua generalen la forma de un diagrama de flujo sencillo, que puede recordarse fcilmente por los disea-dores y estudiantes y puede as servir como ayuda de amplia aplicabilidad, tanto en la prcticacomo en el aprendizaje. Otro propsito es mostrar qu tipo de software (programas para compu-tadora) es apropiado en las etapas sucesivas del proceso de diseo.Las Siete Etapas del Diseo en Ingeniera [142] (Fig. 2.1) fueron elaboradas hace algu-nos aos, en parte con base en trabajos publicados y en parte con base en la experienciaadquirida en la prctica y en la enseanza del diseo de ingeniera. No obstante que diferen-tes diseadores pueden usar terminologa distinta o aplicar ligeras variantes en la secuencia(dependiendo de en qu rama puedan tener experiencia), la mayor parte de ellos siguen esen-cialmente esos siete pasos. La secuencia se convierte rpidamente en una "segunda naturaleza"para el diseador en la prctica y le sirve como una gua siempre presente al enfrentarse a pro-blemas de diseo. Estos pasos son aplicables a las tareas ms simples del diseo de componentesas como al diseo de sistemas complejos y garantiza una completa cobertura de las fases sig-nificativas del proceso de diseo creativo.El diagrama de flujo en la figura 2.1 est dispuesto en forma de Y.1. Las dos ramas superiores de la Y representan, por una parte, la evolucin de la tareade diseo y, por otra, el desarrollo de los conocimientos de ingeniera disponibles yaplicables.2. La unin de los brazos de la Y representa la fusin de esas ramas: la generacin de losconceptos del diseo.3. La pierna de la Y es la gua hacia la terminacin del diseo, basado en el concepto se-leccionado.El diagrama de flujo implica, sin estar sobrecargado de ellas, las retroalimentaciones erreraciones que son esenciales e inevitables en el proceso creativo. Tal como se presenta, esrepresentacin posible del proceso de diseo que ha sido aplicado en los medios acad-. os y en la prctica profesional. Refirindonos por ahora slo a los ttulos de cada bloqueel diagrama y haciendo a un lado el resto del texto en cada bloque por el momento, encon-os las siguientes etapas.Etapa 1A: Confrontacin. La confrontacin no es un mero enunciado del proble-. o ms bien el encuentro del ingeniero con una necesidad de actuar. Usualmente contiene. formacin y demanda a menudo ms conocimientos bsicos y experiencia que las quee el ingeniero en ese momento. Adems, la necesidad real puede no ser obvia en el pri-encuentro con una situacin indeseable.o enEtapa 18: Fuentes de inf ormacin. Las fuentes de informacin disponibles para

ngeniero abarcan todo el conocimiento humano. Tal vez la mejor fuente sean otras perso-campos relacionados. La informacin proveniente de bases de datos es una til ayuda


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98 Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismoEtapa 1A

ConfrontacinSuperior a subordinado:"Disee la montura delmotor para esta mquina".

Etapa 2A +Formulacin del problemaLevantar el motor del piso,soportarlo sobre el bastidorde la mquina, conectarlo di-rectamente al eje principal,de ser posible.

Etapa 1BFuentes de informacin

Catlogos de motores; dibujosde la instalacin de la mquina,bases de datos o a rch ivos dedibujos almacenados;experiencia, manuales, textos.Etapa 28

Informacin aplicable ehifl.tesisEspecificaciones y dimensionesdel motor; ubicacin del ejeprincipal; dibujos del bastidor;cargas; acoplamiento entre eleje y el motor.

~ Etapa 3 ~, iConceptos de diseoCAD o croquis a lpiz de variasubicaciones del motor ymtodos de acoplamiento;criterios de seleccin:accesibilidad, facilidad demontaje, requisitos defabricacin y espacio, costode consolas, acoplamientoe instalacin.

Retroalimentacine iteraciones puedenocu rri r entrecualquiera de lasetapas

Etapa 4 +Sntesis

Trazo a escala de la monturadel motor; seleccin de loscomponentes del acoplamiento.

Figura 2.1 Las Siete Etapas del Diseo enIngeniera, tal como se aplica al diseo de com-ponentes. Componente considerada: consolapara el montaje del motor sobre una mquina.La confrontacin es simplemente una ordende un superior y las fuentes de informacinestn claramente al alcance de la mano. La in-formacin aplicable es fcilmente consultada;la formulacin del problema y la seleccin delconcepto del diseo puede implicar repetidasverificaciones con el superior. Para este ejem-plo, la sintesis es ms o menos rutinaria peroel modelo analizable, aun de un componentesimple, requiere algo de reflexin. El anlisises nuevamente rutinario, la experimentacines innecesaria y la optimizacin, en caso deque se requiera, es puramente intuitiva y sejustifica slo si estn implicadas grandes can-tidades. La presentacin puede hacer uso dela capacidad grfica de un sistema de CAD,incluyendo un modelado slido y/o sornbrea-.do a color para la exhibicin del esfuerzomximo.

Etapa 5 --.Modelo analizable

Viga en voladizo? Placarectangular? Estructuraapuntalada? Sujetadores?Etapa 6 +Anlisis, experimentacin,ofl.timizacinEsfuerzos y deformaciones enmontura y sujetadores;manipulacin de forma,dimensiones, tamao yubicacin de sujetadores porfacilidad y economa defabricacin y montaje.Considere la seguridad deoperadores y otros.

Etapa 7 Presentacin

Dibujo del conjunto; detallesde elementos del montaje yacoplamiento; lista de partes.


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Seccin 2.2 Las siete etapas del diseo en ingeniera con ayuda de computadora 99por parte de las computadoras en esta etapa. Los catlogos de partes e informacin de diseopueden obtenerse fcilmente en la computadora como parte de sistemas expertos.

Et ap a 2A: Formulacin del problema. Como la confrontacin suele ser muy in-definida, el ingeniero debe aclarar el problema que debe resolverse: Es necesario averiguar lanecesidad real y definida en trminos cuantitativos concretos adecuados a la accin de ingeniera.Etapa 2B: Preparacin de la informacin e hiptesis. De la vasta variedadde fuentes de informacin, el diseador debe seleccionar las reas aplicables, incluido el co-nocimiento terico y emprico y, donde falte informacin, suplir la carencia con hiptesis deingeniera razonables. En esto puede ser de ayuda la recuperacin de informacin de una basede datos o de un CD-ROM.Etapa 3: Generacin y seleccin de lo s c on ceptos de diseo. Aqu, los con-ceptos bsicos desarrollados por la preparacin anterior son aplicados al problema como fuejustamente formulado y todos los conceptos de diseo concebibles son preparados en esque-'leto en forma esquemtica, apoyndose uno tanto como es posible en campos relacionados.El compendio de diseos y bancos de componentes estndar, almacenados en forma grfica

y/o en bases de datos relacionados, son de utilidad aqu. Las grficas de computadora son muytiles para ensayar conceptos para una preseleccin.Debe recordarse que la creatividad depende en gran medida de la diligencia. Si el dise-ador elabora una lista de todas las ideas que pueden ser generadas o asimiladas, es muyposible que surjan alternativas de diseo realizables de las que, las ms promisorias puedenseleccionarse a la luz de los requisitos y restricciones.Etapa 4: Sntesis. El concepto seleccionado de diseo es un esqueleto. Debemosimprirnirle sustancia: llenar los espacios en blanco con parmetros concretos con el uso demtodos de diseo sistemticos, guiados por la intuicin. La compatibilidad con sistemas eninterfaz es esencial. En algunas reas, como en la sntesis cinemtica, se encuentran disponi-bles ahora mtodos analticos avanzados, grficos y combinados ayudados por computadora

[6,23,25,26,46,50,57-62,93,97-99,152,166]. Algoritrnos de sntesis, bibliotecas de pro-gramas para sntesis de eslabonamientos, diseos de resortes y amortiguadores, sntesis decircuitos elctricos y electrnicos, sntesis de sistemas de control analgico y digital, y otrosms estn disponibles en la literatura tcnica de software. Sin embargo, la intuicin, guiadapor la experiencia, es el procedimiento tradicional.Etapa 5: Modelo analizable. Aun el sistema o componente fsico ms simple esusualmente demasiado complejo para ser directamente analizable. ste debe representarse porun modelo susceptible de evaluacin analtica o emprica. Al abstraer tal modelo, el ingenie-ro debe tratar de representar tantas caractersticas significativas del sistema real como seanposibles, en proporcin con el tiempo y con los mtodos y medios de anlisis o tcnicas ex-perimentales disponibles. Entre los modelos tpicos se cuentan: versiones fsicas simplificadas,

analogas electromecnicas, modelos basados en equivalencia adimensional, modelos mate-mticos, diagrama s de cuerpo libre y diagramas cinemticos esquelticos. Ejemplos de tiles


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100 Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismoayudas de computadora son: modelos de computadora, como modelos slidos o en alambrede objetos sobre terminales grficas, tanto bidimensionales como tridimensionales; modelosmatemticos de mecanismos [20-22, 59, 60, 93,147,169-171]; patrones de flujo y mapeosconformes para flujo potencial de fluidos y para la transferencia de calor por conduccin.

Etapa 6: Experimento, anlisis, optimizacin. El objetivo aqu es determinary mejorar el desempeo esperado del diseo propuesto.1. El experimento orientado al diseo, ya sea sobre un modelo fsico o sobre su anlogo,debe tomar el lugar del anlisis cuando ste no es factible. Las ayudas de computado-ra en la experimentacin incluyen: adquisicin directa de datos, procesarnientos de datosen tiempo real mientras el experimento se lleva a cabo, representacin grfica y anli-sis computarizado de los resultados del experimento.2. El anlisis o prueba del modelo representativo tiene por objeto establecer la suficien-cia y respuestas del sistema fsico bajo el rango entero de condiciones de operacin.Como ayuda de computadora, existe software para el anlisis cinemtica y dinmicode mecanismos y estructuras, para el anlisis lineal y no lineal de sistemas de control,para el anlisis por elemento finito de esfuerzos y deformaciones en geometras com-plejas y para respuestas dinmicas en sistemas fsicos.3. Al optimizar un sistema o un componente, el ingeniero debe decidir de antemano trescuestiones: (a) Con respecto a qu criterio o combinacin de criterios ponderados debeel diseador optirnizar? (b) Qu parmetros del sistema pueden ser manipulados? (e)Cules son las lirnitantes de esos parmetros y a qu restricciones est sometido el sis-tema? Despus de tomar decisiones sobre estas cuestiones, pueden usarse varias ayudasde computadora para efectuar el trabajo numrico real. Entre stas se cuentan la pro-gramacin lineal y no lineal, elajuste de curvas y los mtodos clsicos de bsqueda deextremos de primero, segundo y tercer orden, para mencionar slo unos cuantos.Aunque tcnicas sistemticas de optimizacin han sido y estn siendo elaboradas (talescomo programacin lineal, no lineal y dinmica; mtodos digitales computacionales y heu-

risticos en la sntesis cinemtica) [65, 67-70,168], esta etapa depende principalmente de laintuicin y buen juicio del ingeniero. La cantidad de trabajo de optimizacin debe ser propor-cional a la importancia de la funcin o del componente del sistema y/o la cantidad implicada.La experimentacin, el anlisis y la optirnizacin forman una etapa de circuito cerradoen el proceso de diseo. El circuito mismo puede ser iterativo y los resultados pueden darlugar a retroalimentaciones e iteraciones que impliquen cualquiera o todas las etapas previas,incluyendo un posible cambio a otro concepto de diseo.Etapa 7: Presentacin. Ningn diseo puede considerarse completo hasta que hasido presentado a dos grupos de personas (y aceptado por ellos):

1. Quienes van a hacer uso de l, y2. Quienes van a fabricarlo.


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Seccin 2.3 Cmo se relacionan las siete etapas en este texto 101La presentacin del ingeniero debe entonces ser comprensible para los posibles usua-rios y contener todos los detalles necesarios para permitir la manufactura y construccin porel fabricante. La preparacin de documentos por computadora, tales como planos, versionesen perspectiva, modelos y animacin del sistema fisico y hojas de clculo, son ayudas tilesen esta etapa final.

rIteraciones. Est claro que el diseo creativo no es un esfuerzo en una sola direcciny de un solo paso. A menudo debe uno regresar sobre sus propios pasos: Retroalimentacio-nes e iteraciones pueden ocurrir en cualquier etapa. Si en la etapa de anlisis se descubrenrespuestas no deseadas y una resntesis no puede corregirlas, tal vez convenga elaborar unnuevo concepto. Si no puede generarse ningn concepto adecuado, tal vez el problema tengaque ser redefinido. El diseador no debe desanimarse frente a esas dificultades sino conside-rarlas ms bien como oportunidades para crear diseos superiores con base en una mejorinformacin. Las estructuras de datos bien pensadas permiten a uno guardar numerosos dise-os potenciales en la memoria de la computadora, los que ms tarde pueden ser de utilidad.Un aspecto de la iteracin (rediseo parcial o aun completo) puede resultar del anlisisde seguridad. Le toca al diseador considerar la seguridad del usuario, operador y pblico, noslo durante el uso normal del producto sino tambin frente a malos usos e incluso abusosprevisibles. Para descargar su responsabilidad, el diseador debe

es--

1. Tratar de identificar todo riesgo o peligro posible;2. Cambiar el diseo para eliminar el peligro;3. Si el paso 2 no es factible, vigilar el peligro;4. Advertir sobre el peligro por instructivos y letreros.Para satisfacer el aspecto de seguridad del diseo, el diseador debe familiarizarse conlas normas federales, estatales, locales e industriales y con las directrices aplicables al diseo.

esu-la-a.oar

2.3 CMO SERELACIONAN LAS SIETEETAPAS ENESTETEXTOEl propsito de este libro es servir de herramienta educativa y como fuente de consulta parael diseador de mecanismos. Se indican a continuacin algunas maneras en que este textopuede usarse en la implementacin de las siete etapas del diseo de ingeniera.1. Confrontacin y fuentes de informacin. La nomenclatura de los mecanismos y losejemplos tpicos del captulo 1 pueden aprovecharse para esta etapa.2. Formulacin del problema. Vea los captulos 1,2 Y 8 para tareas de sntesis y la tabla2.4 para una gua de resolucin de problemas.3. Generacin de los conceptos de diseo. Los numerosos ejemplos a lo largo de todo ellibro, como en el captulo 1, as como los tipo sntesis del captulo 8, son tiles en estaetapa.4. Sntesis. La fuente principal aqu es el captulo 8 sobre sntesis cinemtica, as comoporciones del captulo 6 sobre levas y el captulo 7 sobre trenes de engranes.5. Modelo analizable. Los captulos 3 al7 contienen todos informacin valiosa sobre estetema.


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102 Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismo6. Anlisis y experimento.a. Para anlisis, vense los captulos 3 al 7.b. Para experimento, vase el captulo 5.7. Presentacin. Los diagramas cinemticos simplificados del captulo 1 y la simulacinusando grficas por computadora (captulo 8) ayudarn a menudo a describir los mri-tos de un mecanismo propuesto.

2.4 LA NECESIDAD DE MECANISMOS*Los mecanismos son casi siempre impulsados por un solo actuador para producir una ampliavariedad de movimientos que van del muy simple respecto a un eje fijo, como el movimientoreciprocante u oscilatorio, hasta los movimientos tridimensionales sumamente complejos. Elmecanismo del tren de aterrizaje de un avin (Fig. P8.l1), el mecanismo de la cubierta de unautomvil convertible (Fig. P3.12) y el mecanismo para descanso de los pies y cabeza en unasilla de dentista (Fig. 8.69), sirven como ejemplos de mecanismos de simple entrada. La tabla2.1 proporciona una vista general de algunas de las fuentes de potencia comunes, de los tiposde mecanismos y de sus aplicaciones. En el caso del mecanismo de la silla de dentista, en res-puesta directa a la entrada de una manivela manual, el mecanismo dirige el descanso de los piesy cabeza a travs de una serie de orientaciones deseadas. Anlogamente, un mecanismo impul-sado por un solo actuador, gua la cubierta del convertible a travs de una serie de movimientos.Entender cmo funciona un mecanismo particular es bastante fcil, pero comprendercmo se origin y por qu se dise en esa forma especfica, es ms dificil. La tarea funda-mental de conceptualizar los mecanismos sigue siendo una combinacin de arte y ciencia.Existen actualmente muchos mtodos sistemticos para ayudar a crear mecanismos innova-dores. Un movimiento cinemtico deseado puede realizarse de muchas maneras diferentes.Lo importante es disear un mecanismo apropiado: uno que sea no slo de precio razonabley se ajuste al espacio disponible, sino que tambin sea confiable e insensible a cambios en lamanufactura y desgaste, que tenga una buena ventaja mecnica, etc. Disear un mecanismoapropiado implica lo siguiente:

Seleccionar el tipo apropiado de mecanismo, llamado tipo sntesis; escoger un tipo par-ticular de eslabonamiento, por ejemplo, un sistema de leva, un tren de engranes, undispositivo de movimiento intermitente, como una rueda de trinquete o una combina-cin de ellos . Determinar un conjunto de dimensiones apropiadas, o mejor an, ptimas, para las diver-sas partes que comprenden el tipo de mecanismo escogido (llamado sntesis dimensional).En vez de batallar a travs de las etapas de tipo sntesis y de sntesis dimensional, unopuede producir un movimiento deseado empleando un nmero de actuadores (motores) y coor-dinando sus movimientos electrnicamente. El proceso de diseo se simplificar entonces, yaque la mayora de los actuadores con controles integrados se encuentran disponibles en el mer-cado. Sin embargo, el resultado ser operacionalmente ineficiente y caro. A menos que la tareademande que el movimiento de salida sea ajustable dependiendo del ambiente operativo, noes conveniente ser prolijo con el nmero de entradas externas. Por ejemplo, imagine guiar la* Esta seccin ha sido preparada por sugerencia del Dr. S. Kota, University ofMichigan.


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ulacinlos mri-

amplia. Elta de unen unaLa tablas tiposen res-los piesimpul-

funda-iencia.nnova-.s en la

o par-, un

diver-.

, unocoor-, yal mer-tarea, noar la

TABLA 2.1

Seccin 2.4 La necesidad de mecanismos 103

Fuente de potenciaI~ ~ I Transmisin I ~ I Salida I

Tipos de mecanismos AplicacionesRotatorioMotor elctricoMotores CAMotor CD en derivacinde velocidad ajustableSerie CD - velocidad =(par de torsin)Motores engranadosMotores paso a paso (control de posicinde acuerdo con la entrada elctrica)Servomotores (dispositivos retroalimen-tadores y amplificadores)_.forores FHP (caballos de potenciafraccional)

Cilindro neumticoindro hidrulico-amillos de bola

ea. ela

amientoJliberacin de energalesesde huleos

Levas y seguidoresLevas de placaLeva cilndrica o de barrilCerrados por fuerzaCerrados por formaSeguidor de rodillo/de cara planaTraslacin/oscilacin

Trenes de engranesCilndrico, helicoidalExternos, internosPlanetariosTornillo sinfin y dobletornillo sinfinTransmisiones armnicas

Bandas, cuerdas y poleasTransmisiones de cadena y ruedadentada

EslabonamientosEslabonamiento de cuatro barrasMecanismo de pistn y manivelaEslabonamientos de seis barrasEslabonamiento de N barras

Mecanismos de trinquete y detencinMecanismos de tomilloCombinaciones de los anteriores

Tren de vlvulas automotricesMecanismo indexador (Fig.P4.40)Cronometracin de vlvula variableTransmisin de automvil (Fig.P7.6)Diferencial (Fig.7.20)Reductores de velocidad (Fig.7.22)Mecanismo del asiento de potenciaTransmisiones de velocidad variable (Fig.5.21)Acluadores de ventana (Figs.1.8, 8.83 a la8.101)Motor de carrera variable (Figs. 1.1O ,PU8)Mecanismo de limpiador de parabrisasMecanismo del tren de aterrizaje (Figs. P1.61,P1.62)

Mecanismo de alern de ala (Figs. P1.59,Pl.60)Dispositivos protticos (Figs. 1.16, 1.17)RiostrasMecanismo obturadorMecanismo de relojMecanismo de carga de la cinta VeR(videocasetera)Mecanismo de sujecin (Figs. 3.70, 3.71,P3.83)Cargador frontalMecanismo para corte continuo de papel

Prensa de tomillo/ gato de tornilloMecanismo formador (Fig. P3 .11)Prensa para embutido profundoMecanismo alimentador (Figs. P1.37, P1.39)Mecanismo de embrague (tabla 1.3)Mecanismo de freno (Figs.1.5, 1.6)Mecanismo de detencinMecanismo de la cubierta de un convertible(Fig.P3.12)Suspensin de ruedas (Fig. P1.10, PL95 ala P1.97)

cubierta de un automvil convertible a travs de posiciones sucesivas por medio de una seriede actuadores (motores rotatorios y cilindros lineales) en vez de usar los mecanismos de es-labones mltiples actualmente en uso. El sistema no resultara prctico debido a consideracionesde costo, peso, confiabilidad y tamao.El concepto de tarea fue presentado en el captulo 1; los mecanismos pueden c1asificar-se aqu en las siguientes categoras:a. Conduccin de cuerpo rgido (generacin de movimiento). Aqu la tarea implica con-ducir un cuerpo rgido a travs de un conjunto de posiciones y orientaciones deseadas.


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104 Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismoEn los ejemplos citados antes, la rueda del avin y la cubierta del convertible son loscuerpos rgidos cuyos movimientos son conducidos por el mecanismo que convierteuna entrada de movimiento rotatorio simple en movimientos deseados de salida. Encontraste con esos mecanismos impulsados por actuador, donde una fuente de potenciaactiva es requerida, hay aplicaciones donde se requiere la conduccin pasiva de un cuer-po rgido, como en el sistema de suspensin de un automvil que conduce la ruedarectilneamente o un mecanismo de riostra angular.

b. Movimiento coordinado entre la entrada y la salida, donde tanto la entrada como la sa-lida se mueven (rotacin o traslacin) con respecto a un eje fijo (generacin defoncin).Un ejemplo simple es el mecanismo de un aspersor para csped que transforma el mo-vimiento rotatorio de la manivela (impulsada por la presin del agua) en un movimientooscilante del tubo del aspersor (Fig. 1.2b). Este mecanismo tambin permite el ajuste delrango de oscilacin relocalizando simplemente una de las juntas del eslabonamiento. Lagua de un movimiento coordinado entre dos miembros diferentes de un mecanismo tam-bin queda en esta categora. El mecanismo de cierre de una cmara Polaroid mostradaen la cubierta de este libro es uno de tales ejemplos. Los mecanismos de este tipo sontambin tiles para el control de salidas mltiples con una sola entrada. En los sistemasde control del aire acondicionado de automviles, las salidas mltiples (puertas para di-rigir el aire a las ventilas, descongelador, piso, etc.) son controladas por un solo actuador.c. Conversin de un movimiento de entrada de rotacin simple en la generacin de una tra-yectoria deseada (generacin de trayectoria). Las aplicaciones. incluyen soldadura, aplicacinde selladores y corte de telas, donde la herramienta (aparato soldador, aplicador del sella-dor o aparato de corte) est directamente unida al miembro de salida del mecanismo.

Bloques constitutivosMuchos mecanismos aparentemente complicados son en realidad generados a partir de blo-ques constitutivos bsicos. Un mtodo para crear mecanismos nuevos es identificar y entenderel propsito especfico de cada uno de esos bloques constitutivos. Leonardo da Vinci fue elprimero en abogar por una ciencia de mecanismos y por la amplia aplicacin de mtodos ma-temticos en la construccin de mquinas. l tena la idea de que cualquier mquina podaconstruirse con un conjunto de mecanismos. Robert Willis en 1841 y Franz Reuleaux en 1876[133] fueron los primeros en clasificar los mecanismos en un mtodo sistemtico de sntesis.Desde entonces, muchos investigadores han presentado maneras diferentes de clasificar y es-tudiar los mecanismos. No existe un "mejor mtodo" para la clasificacin e identificacin debloques constitutivos bsicos. En esta subseccin presentamos una manera ms de identificarlos bloques constitutivos bsicos de diseo.Conscientes de que la mayor parte de las fuentes de potencia actuales son del tipo de mo-vimiento rotatorio puro, como en un motor elctrico o una manivela manual, o bien del tipotraslacional puro, como en un cilindro neumtico o hidrulico, clasificaremos los mecanismosde acuerdo con el tipo de movimiento de la entrada y la salida como R (rotacin), T (trasla-cin) o H (helicoidal; R y T coordinados). Las combinaciones de esos tres tipos diferentes demovimientos proporcionan la base para los bloques constitutivos funcionales, como se mues-tra en la tabla 2.2. Los bloques constitutivos funcionales representan lo que se logra o lo quenecesita lograrse, dependiendo del contexto, sin ninguna referencia a cmo exactamente selleva a cabo el movimiento. Por ejemplo, un bloque constitutivo R -7T puede corresponder acualquiera de las representaciones fisicas de la tabla 2.2 que transforman un movimiento rota-torio en uno traslacional o viceversa, como en los casos de los mecanismos de tornillo, de


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son losnviertelida. Enpotenciaun cuer-la ruedao la sa-el mo-mientouste del. Lamo tam-stradatipo sonsistemaspara di-ctuado!".una tra-

plicacindel sella-

de blo-entenderci fue eldos ma-a podaen 1876sntesis.r y es-n deentificardemo-del tipoismos(trasla-demues-o lo queente seer ato rota-llo, de

Seccin 2.4 La necesidad de mecanismosTABLA 2,2 BLOQUES CONSTITUTIVOS FSICOS ENUMERADOS DE ACUERDO CON LOS BLOQUESCONSTITUTIVOS FUNCIONALES DE: ROTACiN HROTACiN, ROTACiN HTRASLACiN,TRASLACiN HTRASLACiN, HELlCOIDAL HROTACiN Y HELlCOIDAL HTRASLACiN.

105

r:;,~~~;,r~~jO"1I

Seguidor deleva (paralelo)

(No lineal)

Rotacin RotacinPar de rodillos de friccin(paralelos)120(Lineal) (Lineal)

Engrane no circular(paralelo) Rueda de Ginebra(paralela)

Manivela doble(paralela)

Banda de polea(perpendicular)

Cadena articulada(perpendicular)

(No lineal)

- - - - -

(No lineal)

(No lineal)

Banda de poleaparalela}

Rueda dentada y cadena(paralela)eGC8

(Lineal) (Lineal)Ma nivela-osci lador(paralela)

(No lineal)Tornillo sin fin,perpendicular}

~~UO"'ISeguidor de leva cilndricaperpendicular}

Engranaje cnico(perpendicular)

~ (Lineal)

1 )o

(No lineal)

Contina

(Lineal)

(Lineal)

(Lineal)


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106 Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismoTABLA 2.2 (CONTINUACiN)

Traslacin ( TraslacinSeguidor de leva ycua (perpendicular)

'/;Seguidor de leva y cua(inclinada)

(Lineal)

(No lineal)

Seguidor de leva ycua (perpendicular)

- - - - /'(No lineal)

Seguidor de leva y cua(inclinada)

/Corredera doble(perpendicular)

(No lineal)

(Lineal)Deslizador doble(inclinado)

(No lineal)

Mecanismo de tornillo

Helicoidal ( TraslacinMecanismo de tornillo(paralelo)"" ~ ~+---+-

~- - - - - - - - - - - ~I~'~ \

(Lineal)

(Lineal)

Helicoidal ( ) RotacinEngranaje cnico detornillo (perpendicular)e

Engranaje cnico detornillo (perpendicular)-

(No lineal) (No lineal)


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l)

l)

)

Seccin 2.5 Categoras de diseo y parmetros de los mecanismos 107TABLA 2.2 (CONTINUACiN)

Rotacin ( IRotacinDoble oscilador (paralelo) Engrane helicoidal

(perpendicular)

(No lineal) (No lineal) (Lineal)Engrane helicoidal Engrane cnico Cadena articulada(inclinado) (inclinado) (inclinada)~-- " ' - - ,,_flY

(Lineal) I (Lineal) #3 (lineal)Junta universal Banda de polea Rotacin ( Traslacin(inclinada) (inclinada) D Seguidor de

leva acuada(perpendicular))1-- I- ~///////~(No lineal) I (Lineal) I (No lineal)

Continacorredera y manivela o de pin y cremallera. Correspondiente a cada bloque constitutivo fun-cional (por ejemplo, R ~ T), hemos identificado un conjunto genrico de uno o ms bloquesconstitutivos fisicos. Con base en un anlisis sistemtico de cientos de mecanismos ingeniososde la literatura tcnica [Artobolevsky en 1986, Chironis en 1978, vase la referencia 30], hemoscompilado un conjunto de 43 bloques constitutivos fisicos (tabla 2.2). La figura 2.2 ilustra unamquina de coser compleja construida a partir de un pequeo nmero de elementos construc-tivos. Los cuatro bloques constitutivos mecnicos bsicos mostrados en la figura 2.2 se encuentranen la mquina de coser. stos transfieren la energa (y rotacin) proporcionada por el motor aun movimiento complejo para resolver la tarea. El conocimiento de los bloques constitutivosmostrados en la tabla 2.2 puede ayudar al diseador a crear nuevas configuraciones de meca-nismos (tipo sntesis) para satisfacer un comportamiento deseado o funcin de salida (tarea).

2.5 CATEGORAS DE DISEO Y PARMETROS DE LOS MECANISMOSEl propsito de esta seccin es analizar el rango entero de los parmetros (variables) de dise-o posibles que pueden ser designados en la solucin de un problema particular. El anlisisque haremos aqu es aplicable a mecanismos en general aunque los parmetros comnmenterequeridos se ilustran en la figura 2.3 con el eslabonamiento plano de cuatro barras. El esla-


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108 Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismoTABLA 2.2 (CONTINUACiN)

Rotacin , ) TraslacinMecanismo de tornillo(paralelo)

((Lineal)

Seguidor de leva cilndrica(paralela)~ :LLLL

i

(No lineal)

Pin cremallera(perpendicular)~

(Lineal)Seguidor de leva(perpendicular)Deslizador-manivela(perpendicular]

(No lineal]- (No lineal)

Eslabonamiento de seis barrascon reposo (perpendicular)

(No lineal)Los trminos paralelo, perpendicular e inclinado se refieren a las orientaciones de los ejes de entrada y salida. El trmi-no no lineal indica una relacin no lineal entre la entrada y la salida.

bonamiento de cuatro barras en esta figura se usa tambin en esta seccin para describir lascategoras de diseo. .El anlisis y sntesis de mecanismos pueden c1asificarse en dos grupos principales: ci-nemticos y dinmicos, como se describen en la tabla 2.3. Las categoras Kl a la K4 soncinemticas mientras que las DI a la D5 se consideran dinmicas. En las categoras Kl a laD4, los eslabones se tratan como cuerpos rgidos y en D5 como cuerpos elsticos. En todaslas categoras, con excepcin de la D4, la sntesis se efecta suponiendo holguras desprecia-bles y en D4 con holguras no despreciables en las juntas. Como se muestra en la tabla 2.3, setiene disponible en cada paso un grupo distinto de parmetros de diseo, y en general, cadapaso sucesivo tiene algunos parmetros adicionales que no estaban disponibles y no afectanlos objetivos de los pasos anteriores.No todas las categoras son pertinentes a un problema particular de mecanismos. Si unano se requiere, simplemente se pasa de largo. A menudo, la consideracin de los objetivos ci-nemticos puede ser suficiente para completar el diseo de mecanismos de lenta operacincomo el eslabonamiento de los reguladores de automviles. Las categoras cinemticas tra-tan con los efectos de la geometra del mecanismo sobre las relaciones entre (1) los movimientosde entrada y salida (posicin, velocidad y aceleracin) sin considerar las fuerzas que genera-ron el movimiento supuesto de entrada, < /1 2 =j(t), (Fig. 2.2) Y(2) las fuerzas de entrada y saliday en las juntas internas, suponiendo que las fuerzas generadas por la masa inercial de los es-labones, son despreciables.Las categoras dinmicas tienen que ver con los efectos de la geometra del mecanismo ylas propiedades inerciales de las masas sobre (1) la respuesta movimiento-tiempo de entrada, < / 1 2 =j(t), creada por el par y la fuerza Tij y Fij' (Fig. 2.3) Ypor las fuerzas de friccin en las juntas; y (2)las fuerzas de sacudimiento y en las juntas, y las fuerzas de entrada-salida en las transmisiones.Como la geometra de un mecanismo influye en sus caractersticas dinmicas, las consideracionescinemticas son casi siempre una parte integral e inicial de un problema de sintesis dinmica.


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Seccin 2.5 Categoras de diseo y parmetros de los mecanismos

Lanzadera rotatoria Carrete

/:

ci-onlaasia-sedanDeslizador y manivela Manivela oscilador

ci-nra-sa-idaes-

(~ ,-"Seguidor de leva

Polea y banda

Figura 2.2

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110 Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismo

3/


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Seccin 2.5 Categoras de diseo y parmetros de los mecanismosEn todas las categoras, excepto la D5, las componentes de mecanismos (eslabones,levas, etc.) se consideran como miembros rgidos (es decir, como indeformables). En meca-nismos fuertemente cargados y/o de alta velocidad, las deflexiones de los miembros puedenllegar a ser suficientemente importantes y afectar adversamente la consecucin de los objeti-vos cinemticos y dinmicos; los miembros deben entonces considerarse como cuerpos elsticos.Como se muestra en la tabla 2.3, en general cada categora sucesiva ayuda a determi-. nar parrnetros adicionales de diseo. Por tanto, un procedimiento que descompone un problemade sntesis de diseo en pasos menores consiste en comenzar, por ejemplo, con una sntesiscinemtica para un nmero limitado de objetivos de diseo, ya sea una generacin de funcin,una conduccin de cuerpo rgido (generacin de movimiento) o una generacin de trayecto-ra, y luego determinar parmetros geomtrcos que satisfagan esos objetivos. Entonces, puedeuno pasar a una sntesis dinmica, por ejemplo, tomando en cuenta las fuerzas y determinan-do los parmetros adicionales desconocidos para satisfacer otros objetivos de diseo, comolmites en las cargas dinmicas. Sin embargo, debe estar claro que con los parmetros de di-seo fijos de pasos previos, puede resultar imposible cumplir los objetivos de diseo de unpaso subsecuente. Si esto ocurre o emergen objetivos adicionales, es necesaria una iteracinen el proceso de diseo. Esto puede implicar regresar a un paso previo para seleccionarun conjunto alternativo de parmetros que satisfagan los objetivos en ese paso as como enlos subsecuentes, o bien la iteracin podra implicar un nuevo tipo de mecanismo o una revi-sin de los objetivos. La probabilidad de alcanzar mejores diseos generalmente aumenta concada una de tales iteraciones.La tabla 2.3* cumple una funcin muy til en el proceso iterativo de diseo al mostrarqu parmetros afectan el alcanzar cada objetivo del diseo. Por ejemplo, si el balanceo es unproblema, la relocalizacin de los centros de masa Gpuede hacerse sin afectar la consecucinde los objetivos cinemticos, con la posible excepcin de K4. Sin embargo, cambiar la geome-tra del eslabn Z, afectar, en general, la consecucin de los objetivos cinemtica s y d e balanceo.

Categoras de diseo y los parmetros de la figura 2.3Las categoras "K" cinemtica y la "D" dinmica pueden ilustrarse con el eslabonamiento decuatro barras mostrado en la figura 2.3. Ttulos o palabras clave alternativas asociadas conuna categora, estn dadas en parntesis.

Kl Genera cin defu nci n (coordinacin de posicin, velocidad y/o aceleracin deentrada y salida)O bje tiv o: El ngulo 1/>4debe cambiar en una manera prescrita con respecto a laposicin de entrada 1/>2;s decir, la funcin 1/>4= (1 />2) debe ser generada.E jemplos : (a) eslabonamiento de un estrangulador de automvil; (b) el mecanis-mo levantavlvu1as transforma las rotaciones del eje de levas a posiciones deseadasde las vlvulas.K2 Conduccin de cuerpo rgido (generacin de movimiento)O bj etivo : Un cuerpo, eslabn 3, no unido directamente a tierra, debe pasar porposiciones y orentaciones especificadas.Ejemp los : (a) El cucharn de un cargador frontal; (b) compuerta trasera de po-tencia de un camin usado como plataforma elevadora; (e) puerta de garaje deuna sola pieza de paso rotatorio superor.

a-a

* Vea la seccin 5.5 para un estudio de caso que usa esta tabla.

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Captulo 2 Proceso de diseo de un mecanismo12TABLA 2.3 PARMETROS DESCONOCIDOS DE DISEO DETERMINABLES POR SNTESIS YANLISIS !~ ~4' 't? 't?' b ' 'b' r"~ S $ ~S! 't? ' b ' ' ' ' ,' sN.. "S'o ,.~ r 't? q f r , ,6 .1

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movimiento-tiempo X XD4 Efectos de bolguras X XD5 Dinmica de cuerpo elstico X X

XXX XX XX X X

X X

X X

X X X XX X X XX X X XX XX XX X

XXX

X X X* Slo los pesos de los componentes son importantes, no sus propiedades inerciales.

K3 Generacin de trayectoria (generacin de curva acopladora; posicin, velocidady/o aceleracin en puntos a lo largo de una trayectoria puntual).Objetivo: Algn punto sobre un eslabn, P3' debe trazar una trayectoria deseada,Q, sobre otro eslabn (usualmente el eslabn fijo).Ejemplos: (a) Curva en forma de D del mecanismo para el transporte de una pe-lcula de cine; eslabonamiento de Watt que produce movimiento en lnea recta desu pistn de mquina de vapor, reemplazado por la gua de pistn (vstago) enmotores de vapor modernos.K4 Fuerzas estticas (ngulo de transmisin, ventaja mecnica).Objetivos: (1) Alcanzar las magnitudes deseadas de l a fuerza de salida Fl4 en lasposiciones 1 / > 2 especificadas correspondientes de entrada; el par impulsor T ] 2 debetener un valor especfico; y/o (2) las fuerzas transmitidas a travs de las juntasdeben mantenerse por debajo de la capacidad de carga de los cojinetes.Ejemplos: (a) Gato de tijera; (b) diseo del cilindro hidrulico de un cargadorfrontal para crear-una capacidad de levantamiento deseada.DI Balanceo (fuerza y/o momento de sacudidas inerciales).Objetivo: Las fuerzas y momentos cclicos netos debido a la inercia de los esla-bones mviles, que se transmiten a la cimentacin y generan vibraciones, debenreducirse.Ejemplo: Localizar y dirnensionar los contrapesos para un motor o compresor al-ternativo.

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Seccin 2.6 Gua para la resolucin de problemas: sntomas, causas y fuentes 113

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D2 Fuerzas dinmicas (fuerzas de inercia, dinmica de mquinas, anlisis cinetoes-ttico).Objetivos: Los objetivos son los mismos que en K4, es decir, encontrar fuerzasestticas, pero con la adicin de que (1) las fuerzas de inercia se consideran im-portantes y (2) la velocidad angular, ~2' y la aceleracin angular, ( f i 2 ' del eslabnde entrada, se suponen tambin conocidas o especificadas.Ejemplo: Determinar (verbigracia) el par motriz requerido y las fuerzas resultan-tes en las juntas de una punzonadora.D3 Respuesta movimiento-tiempo (balanceo entrada-par de torsin, sntesis fuerza-sistema).Objetivo: Determinar un sistema de fuerzas aplicadas para un mecanismo, inclu-yendo las fuerzas y pares F ij Y Tij entre eslabones que resultan en una relacindeseada de entrada movimiento-tiempo, IP2=f(t) , y/o fuerzas especficas de sa-lida, F14' durante un periodo de tiempo especfico.Ejemplos: (a) Diseo de un volante o resorte para obtener una velocidad ms uni-formemente constante en el eje motriz de una punzonadora; (b) diseo de unresorte-absorbedor para un interruptor de circuito elctrico tal que el tiempo de cie-rre y de rebote sean minimizados y que se ejerza la fuerza de contacto deseada.D4 Efectos de holguras (y tolerancias).Objetivos: Limitar: (1) las inexactitudes en lograr los objetivos cinemticos, (2)los incrementos debido a impacto en las fuerzas de las juntas y (3) las vibracio-nes asociadas y ruido causado por holguras en las juntas.Ejemplo: Desalineacin en las prensas impresoras debido al juego entre engranesy holguras entre cojinetes.D5 Dinmica de cuerpo elstico (eslabn flexible, cinetoelastodinmica).Objetivo: Reducir los problemas de deformaciones en eslabones, pandeo, y "pr-dida" de los objetivos cinemticos limitando los esfuerzos y deflexiones elsticosdentro de los componentes a niveles aceptables.Ejemplo: En el diseo de mecanismos de alta velocidad, se tiene una transaccinentre la reduccin de las fuerzas inerciales por disminucin de la masa de los com-ponentes por un lado y, por otro, la mayor deformabilidad que resulta, generndoseuna distorsin de la trayectoria deseada del movimiento. Por ejemplo, la "mano"o tenazas de un mdulo autmata de alta velocidad pueden errar su objetivo.

en lasdebejuntas2.6 GUA PARA LA RESOLUCiNDE PROBLEMAS: SNTOMAS,CAUSAS Y FUENTESDEAYUDA

or al-

Un diseador en la prctica tal vez no reconozca un problema por uno de los nombres tcni-cos dados en la lista de la seccin anterior. Desafortunadamente, muchos de los desperfectosdinmicos mencionados en la tabla 2.3 son enfrentados slo despus de que ha ocurrido elproblema, ya sea en un dispositivo prototipo o en el campo. Un ingeniero puede recibir el en-cargo de resolver el problema del mecanismo con base en los sntomas de la falla. La tabla2.4 proporciona un medio para trasladar los sntomas percibidos fsicamente de "errar", "rup-tura", "exin", "trepidacin", "conduccin" y "ruido" a causas posibles, categoras de diseoy fuentes de ayuda. La seccin 5.5 proporciona un estudio de caso de diseo en el que se usa-ron las estrategias de esta tabla en una situacin industrial.

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Diseño de Mecanismos Análisis y Síntesis (George Sandor Cap 2)