LEVAS

DEFINICION

Las levas son mecanismos que permiten convertir el movimiento de rotación uniforme de una leva, dispuesta en el contorno de un disco o sobre una sección cilíndrica, en otro movimiento previamente establecido, que se transmite a otro miembro de cadena cinemática; pudiendo ser una palanca, una corredera, un balancín, etc.

Es un elemento de maquinaria diseñado para generar un movimiento determinado a un seguidor por medio de contacto directo. Es general las levas se montan sobre ejes rotativos, aunque también se usan estacionariamente con un seguidor moviéndose alrededor de estas. Las levas también producen movimiento oscilatorio o pueden convertir movimientos de forma a otra.

Estos mecanismos se emplean en la maquinaria, por su facilidad de diseño para producir cualquier movimiento deseado, por lo que se usan para maquinaria de impresión, maquinaria para fabricar zapatos, tornos automáticos, tortilla doras siendo difícil encintrar maquinas denominadas “automáticas” sin un sistema de levas

TIPOS

. Levas de disco

En este tipo de leva, el perfil está tallado en un disco montado sobre un eje giratorio (árbol de levas). El pulsador puede ser un vástago que se desplaza verticalmente en línea recta y que termina en un disco que está en contacto con la leva. El pulsador suele estar comprimido por un muelle para mantener el contacto con la leva .

1.2.2. Levas cilíndricas

Se trata de un cilindro que gira alrededor de un eje y en el que la varilla se apoya en una de las caras no planas. El punto P se ve así obligado a seguir la trayectoria condicionado por la distinta longitud de las generatrices.

1.2.3. Levas de traslación

El contorno o forma de la leva de traslación se determina por el movimiento especifico del seguidor. Este tipo de leva es la forma básica, puesto que todas las superficies uniformes o, más frecuentemente, con inclinaciones variables. La desventaja de estas levas, es que se obtiene el mismo movimiento en el orden inverso durante el movimiento de retorno; esto se puede evitar si envolvemos la cuña alrededor del círculo para formas una leva de disco.

1.2.4. Levas de rodillo

En ésta, la leva roza contra un rodillo, que gira disminuyendo el rozamiento contra la leva

1.2.5. Levas de ranura

El perfil (o ranura) que define el movimiento está tallado en un disco giratorio. El pulsador o elemento guiado termina en un rodillo que se mueve de arriba hacia abajo siguiendo el perfil de la ranura practicada en el disco. En las figuras se observa que el movimiento del pulsador se puede modificar con facilidad para obtener una secuencia deseada cambiando la forma del perfil de la leva

1.2.6. Levas de glóbicas

Aquellas que, con una forma teórica, giran alrededor de un eje y sobre cuya superficie se han practicado unas ranuras que sirven de guías al otro miembro. El contacto entre la leva y la varilla ( puede asegurarse mediante cierres de forma o de fuerza.

1.2.7. Levas de tambor

La leva cilíndrica o de tambor en la que el palpador es un rodillo que se desplaza a lo largo de una ranura tallada en un cilindro concéntrico con el eje de la leva cilíndrica.

Clasificaciones de los seguidores

Por la manera de hacer contacto con la leva.

De cuchilla (varilla de punzón)

De carretilla o rodaja (varilla de rodaja)

De cara plana

De cara esférica

Por posición con respecto al eje de la leva.

Centrado.-Los seguidores representados en la (figura 35 a 38 son de este tipo)

Descentrado

Para leva cerrada

APLICACIONES

Aplicaciones convencionales de levas

3.1.1 Disco de levas

La tarea de accionamiento: Disco de levas

Hasta ahora, cuando era preciso coordinar los distintos procesos dinámicos complejos que tienen lugar en las máquinas de funcionamiento cíclico se utilizaban los discos de levas mecánicos.

El funcionamiento sincronizado de todos los discos de levas se garantizaba mediante un eje accionado de forma centralizada denominado eje principal. Mediante la velocidad de este eje principal es posible ajustar la velocidad de producción de la máquina. No obstante, esta solución mecánica ofrece pocos grados de libertad y no satisface los requerimientos de las modernas instalaciones de producción y transformación.

Ésta es la razón por la que en la construcción de instalaciones máquinas, los discos de levas mecánicos se sustituyen cada vez más a menudo por accionamientos con regulación electrónica denominados discos de levas electrónicos. Pueden encontrarse aplicaciones para el disco de levas en los siguientes sectores:

Industria del embalaje

Industria maderera

Técnica de transporte

Tecnología de manipulación

Tecnología de máquinas impresoras

La figura muestra un ejemplo típico de aplicación para el disco de levas electrónico. En ésta se muestra la transferencia de tarros de yogur recién rellenados desde el final de una cinta transportadora hasta la cinta transportadora situada al lado para su procesamiento posterior. Durante este proceso, un elemento captador se introduce entre los tarros de yogur, los levanta y los transporta. El disco de levas electrónico permite realizar una secuencia de movimiento que garantice una elevación de los tarros sin sacudidas.

En la industria existen numerosas aplicaciones que requieren vincular dos ejes en Movimiento en forma rígida.

A una posición angular de un eje principal (master) corresponde una posición mecánica definida de un segundo elemento (slave).

Otras Aplicaciones Mecánicas Tradicionales

-Cardanes,-cardanes y reductor,-ejes vinculados por poleas-correas

-Ejes vinculados por cadenas/piñones

-Levas mecánicas

Imposibilidad de modificar rápidamente los perfiles de movimiento master slave, que en muchos casos solo puede realizarse mediante

Cambio de piezas mecánicas con altos tiempos de detención de procesos

Limitaciones para su utilización:

-Espacios físicos necesarios para implementar la solución

-Integración a redes electrónicas de control o al resto de maquinas

-Desgaste

Las aplicaciones de las levas en la industria son muy variadas, desde las cerraduras de levas hasta máquinas más complejas como lo son los motores de combustión en cuyo accionamiento intervienen los árboles de levas. Así mismo, tiene gran aplicación en el diseño de máquinas herramienta como tornos, prensas, entre otras. A continuación se detallan algunas de las principales aplicaciones de las levas:

ARBOL DE LEVAS Y USOS

Recordando que una leva es un elemento mecánico hecho de algún material que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial, de tal forma que el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor.

En consecuencia, un árbol de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener distintas formas y tamaños y estar orientadas de diferente manera, siendo un programador mecánico. Los usos de los árboles de levas son muy variados, ya antes presentados, aunque su aplicación más desarrollada es la relacionada con los motores de combustión interna.

Por lo general se fabrican siempre mediante un proceso de forja, y luego suelen someterse a acabados superficiales como cementados, para endurecer la superficie del árbol, pero no su núcleo.

Aplicaciones De Árbol De Levas De Motor De Combustión Interna

En un motor de explosión o motor de combustión interna, la energía se obtiene por la expansión de una mezcla de aire y gasolina debido a una explosión. Tras ser introducida la mezcla en el cilindro, la combustión es prácticamente instantánea (comenzando por una chispa de alta tensión que provoca el sistema de encendido). A continuación presentamos la imagen de un árbol de levas de este tipo:

Árbol de levas de motor de combustión interna

Un motor de explosión desarrolla un ciclo de cuatro tiempos, estos son:

- Primer tiempo: Admisión. Donde el pistón baja, la válvula de admisión se abre cuando el pistón se encuentra en el Punto muerto superior (PMS) y se cierra cuando llega al Punto muerto inferior (PMI). El cilindro se llena de carga a través de la válvula de admisión.

- Segundo tiempo: Compresión. El pistón sube, las válvulas de admisión y escape están cerradas y la mezcla es comprimida en la cámara de compresión. En motores de gasolina la relación de compresión es, aproximadamente, de 10 y en los motores diesel es aproximadamente de 25.

- Tercer tiempo: Explosivo y Expansión. El pistón baja debido a la fuerza expansiva producida por la combustión de la mezcla. La onda de expansión empuja al pistón y éste mueve el cigüeñal. Ambas válvulas se encuentran cerradas. LA fuerza de un motor se obtiene en la carrera de expansión.

- Cuarto tiempo. Escape. El pistón sube y la válvula de escape se abre cuando el pistón está en el PMI y se cierra al alcanzar el PMS. A través de la válvula de escape se eliminan los gases quemados empujados por el pistón.

Fases del ciclo de cuatro tiempos

Aplicación de árbol de levas en bombas de inyección

En un motor Diesel, la energía se obtiene por la combustión de un combustible (gasóleo) en el aire comprimido y calentado en el interior del cilindro. Por lo tanto, la combustión ocurre debido a la fuerte compresión del aire, lo que eleva enormemente su temperatura y provoca la inflamación del combustible espontáneamente, según va penetrando en el cilindro.

Fig. Árbol de levas de bomba de inyección.

SOFWARE DE DISEÑO DE LEVAS

Actualmente, existe un software desarrollado por Robert L. Norton llamado Dynacam, que de acuerdo a los datos de subida, detenimiento y bajada permite seleccionar las ecuaciones de movimiento y hace el dibujo de la leva junto a los diagramas SVAJ, además de calcular las fuerzas dinámicas que actúan sobre la leva.

FRENOS

DEFINICION

es un dispositivo utilizado para detener o disminuir la velocidad de algún cuerpo, generalmente, un eje, Eje de transmisión o tambor. Los frenos son transformadores de energía, por lo cual pueden ser entendidos como unamáquina per se, ya que transforman la energía cinética de un cuerpo en calor o trabajo y en este sentido pueden visualizarse como “extractores“ de energía. A pesar de que los frenos son también máquinas, generalmente se les encuentra en la literatura del diseño como un elemento de máquina y en literaturas de teoría de control pueden encontrarse como actuadores.zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzd

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑOS

TIPOS

FRENO MECANICO

- El frenado que produce la separación de las zapatas por medios mecánicos, o sea, cuyo movimiento es <<mandado>> a la leva por el pedal del frenado, por un cable o similar, se llama frenado mecánico.

La acción mecánica de separación de las zapatas se consigue son una leva colocada entre los dos extremos libres de las mismas, sobre la que se apoyan.

Al hacer girar la leva, desde el pedal del freno, las zapatas se separan (abren) a la vez que se aprietan contra el tambor, progresivamente, cuando la leva se encuentra en posición horizontal, que es cuando se consigue el máximo efecto de la frenada.

La leva abre las zapatas y las aplica contra las paredes interiores del tambor por medio de una varilla.

FRENO HIDRAULICO

- Se trata del sistema de frenado utilizado prácticamente en todos los automóviles.

El freno hidráulico esta constituido por un cuerpo de bomba principal que lleva el pistón unido al pedal de freno. Su cilindro de mando esta sumergido en un liquido especial (a base de aceite o de alcohol y aceite o de glicerina), que contiene un deposito al efecto. Del cilindro sale una tubería que se ramifica a cada una de las ruedas.

En los platos del freno de cada rueda hay unos cuerpos de bomba de embolo doble, unidos a cada uno de los extremos libres de las zapatas.

Las partes más importantes son pues: deposito de liquido, bomba de émbolos y cilindro de mando.

Su funcionamiento consiste en que al accionar el pedal del freno, él embolo de la bomba principal comprime él liquido y la presión ejercida se transmite al existente en las conducciones y por él, a los cilindros de los frenos separando sus émbolos que, al ir unidos a las zapatas, producen su separación ejerciéndose fuerza sobre el tambor del freno.

Al dejar de pisar el pedal del freno cesa la presión del liquido y zapatas, recuperándose la situación inicial.

Las principales características de este sistema es la uniformidad de presión o fuerza que se ejerce en todas las ruedas, incluso con posibles deficiencias por desgaste de alguna zapata, pues su embolo tendrá mas recorrido haciendo que el contacto zapata-tambor sea el mismo en ambas zapatas.

El sistema de frenos hidráulicos tiene la ventaja de que su acción sobre las cuatro ruedas es perfectamente equilibrada, pero también tiene la desventaja de que si pierde liquido frena mal o nada.

Si se observa debilidad en el freno hidráulico, puede suceder que la causa sea generalmente por la presencia de aire en las canalizaciones por donde tiene que pasar él liquido de frenos.

La acción de extraer el aire de las canalizaciones recibe el nombre de purgado de frenos.

Si a pesar de todo se nota debilidad o desigualdad en la acción de los frenos, hay que purgar (sangrar) las canalizaciones por separado en cada uno de los frenos, hasta que él liquido salga sin burbujas, debiendo tener en cuenta que el juego entre el pedal de los frenos y el piso del vehiculo no sea alterado.

FRENOS DE AIRE COMPRIMIDO

Para los grandes vehículos el mando hidráulico o mecánico de los frenos requiere gran fuerza de aplicación, inconveniente que se resuelve con la utilización del aire comprimido aplicado al mando del sistema de frenado.

Su constitución es un compresor movido por el motor del vehículo que aspira el aire, lo comprime y lo envía a uno o dos depósitos (o calderines) donde queda almacenado a presión. Una válvula reguladora ( distribuidora) de presión, permite la salida de aire al exterior cuando la presión sobrepase los cinco kilogramos.

Los depósitos van unidos, por una tubería, a una válvula de corredera movida por el pedal, de cuya válvula parten unas canalizaciones a los cilindros de freno y un pistón unido a la leva que separa las zapatas. Un primer manómetro (antes de la válvula) indica la presión del aire en los depósitos y otro después, da la presión de trabajo en las tuberías y cilindros de freno.

Su funcionamiento consiste en que al pisar el pedal se desplaza la corredera de la válvula, poniendo en comunicación las canalizaciones del depósito con las de los cilindros, dejando pasar el aire a presión haciendo girar las levas separadoras de las zapatas, produciéndose la frenada. Al cesar la acción sobre el pedal se hace salir el aire comprimido al exterior recuperándose la posición inicial. Este sistema se caracteriza por el poco esfuerzo que se requiere para su accionamiento ( es como un servo-freno) y de fácil aplicación en los remolques.

FRENO ELECTRICO

Es, a igual que el freno motor, un freno continuo o retardador, que sólo funciona con el motor en marcha, no siendo utilizables como frenos de fricción, es decir, no es un freno de parada, aunque pueda llegar a hacerlo.

Se intercala en la transmisión, sujeto al chasis, empleando en vehículos pesados como tercer freno auxiliar, teniendo por misión mantener las revoluciones en la transmisión a un régimen determinado.

Funciona por corriente eléctrica suministrada por la batería, siendo más eficaz a mayor número de revoluciones de la transmisión. No existe roce entre roce entre sus elementos de frenado, ya que este efecto se produce por la reacción de las corrientes inducidas sobre el elemento móvil de un campo magnético inductor.

SERVO-FRENOS

Para que el esfuerzo aplicado sobre el pedal del freno tenga que ser considerable, sobre todo en grandes vehículos ( gran tonelaje) se usan los servo-frenos ( multiplicadores de fuerza) los cuales pueden ser: hidráulicos, de aire comprimido, eléctricos y de vacío.

- HIDRÁULICOS: Consiste en el envío de un líquido a presión por una bomba accionada por la transmisión del vehículo. Una válvula que se abre al presionar el pedal del freno deja paso al líquido adicional a las conducciones correspondientes.

- AIRE COMPRIMIDO: Se trata de una combinación del freno hidráulico y de aire comprimido. AL pisar el pedal del freno se abre una válvula que deja paso libre al aire comprimido a la parte anterior de la bomba, presionando sobre el émbolo ayudando la acción del conductor sobre e pedal del freno.

- ELÉCTRICO: Al pisar el pedal del freno se establece un circuito eléctrico permitiendo el paso de una corriente que activa unos electroimanes situados en los tambores del freno de cada rueda. El electroimán atrae a una leva que ayuda la acción del conductor sobre el pedal del freno. Más usado es el “ ralentizador “ eléctrico para grandes camiones. Para largas pendientes alivia el esfuerzo del motor, que puede ir en punto muerto, y el de los frenos.

- DE VACÍO: El servo-freno por vacío es similar al de aire comprimido, con la diferencia que lo que hace mover las zapatas, no es una presión ( aire comprimido), sino una depresión ( vacío). En el servo-freno de vacío existen tres cilindros con sus émbolos, cuyo principal envía el líquido a presión a los cilindros de los frenos. Otro secundario acciona una válvula que cierra o abre la comunicación con el aire exterior. En el tercer cilindro ( de mayor diámetro) actúa, sobre su pistón, el vacío de la admisión o la presión atmosférica.

Al pisar el pedal del freno se manda líquido a presión ( como sino existiera el servo). Una parte del líquido va al cilindro secundario accionando una válvula que deja pasar al aire exterior ( presión atmosférica), a una de las caras del émbolo del tercer cilindro a la vez que da paso al vacío de la admisión a su otra cara, produciéndose una diferencia de presión en ambas caras que obliga al émbolo a desplazarse, empujando al émbolo del cilindro principal ayudando con ello la acción del conductor.

Al cesar la acción sobre el pedal del freno se cierra la válvula de comunicación con el aire exterior y desaparece la presión atmosférica sobre el émbolo del tercer cilindro, restableciéndose el equilibrio.

FRENOS EN LOS REMOLQUES

El freno del remolque, si es accionado por el conductor, debe actuar antes que el del vehículo tractor y dejar de hacerlo momentos después. El freno del remolque puede ser de dos tipos: auto frenado y de aire comprimido.

- AUTOFRENADO: El sistema de autofrenado en los remolques ( usado en remolques pequeños) son independientes el freno del vehículo tractor y del remolque. En la acción del freno del remolque no interviene el conductor sino la barra de tracción del remolque. Si se frena el vehículo tractor al circular, el remolque tiende a conservar la misma velocidad aproximándose al tractor, momento en que la barra de tracción actúa. Sobre el sistema de frenado del remolque, cuando el tractor vuelve a tirar de él, la barra de tracción deja de actuar sobre la acción del freno quedando libres las ruedas.

- DE AIRE COMPRIMIDO: Este sistema de frenado se emplea en remolques grandes tirados por vehículos tractores que utilizan este mismo sistema de frenado. De los depósitos de aire

comprimido del vehículo tractor se deriva una conducción con válvula a otro depósito del remolque donde se almacena el aire a presión y se distribuye a los cilindros de los frenos de sus ruedas, al accionar el pedal

del freno del tractor.

FRENOS DE DISCO

En este sistema de frenado, el elemento de mando es igual al del sistema hidráulico. Lo que varía es el elemento frenante, constituido por un disco solidario a la rueda del vehículo y unas zapatas ( en forma de pastilla) que abrazan en forma de mordaza al disco de la rueda. Cada zapata contiene cilindros de empuje independientes, desplazándose sus émbolos por la presión del líquido que reciben a través de una bomba, momento en que actúan sobre las zapatas comprimiéndolas contra el disco produciéndose la frenada de las ruedas. El conjunto de la mordaza o pinza de freno va fijado al brazo porta manguetas. Sus principales características son:

- Se calientan menos que los de tambor, puesto que el disco va montado al aire estando mejor refrigerado.

- Se consigue una frenada más potente.

- Carece de resortes separadores de las zapatas y aunque se rocen un poco no es perjudicial.

- A manera que se calienta el disco mejora la frenada ( cuando se pisa el pedal durante mucho rato.

MANTENIMIENTO

Como el freno de disco tiene un ajuste automático no puede reconocerse el desgaste de las guarniciones por el mayor recorrido del pedal, sino por el descenso del nivel del líquido de frenos. En cada inspección es necesario revisar el nivel del líquido. Las guarniciones hay que renovarlas cuando su espesor sea menor de dos milímetros o se hayan desgastado irregularmente, debiendo realizarse siempre en ambas monturas del eje, para evitar comportamiento irregulares en el frenado. Hay que proceder a la evacuación del aire cuando las circunstancias lo exijan.

FRENO DE MANO

La misión del freno de mano es la de que un vehiculo estacionado no se ponga en movimiento por si solo, recibiendo el nombre de freno de estacionamiento, aun cuando se puede utilizar como freno de emergencia si es necesario durante la marcha del vehiculo.

Su constitución es una palanca de mando al alcance del conductor, que puede fijarse sobre un sector dentado por medio de un trinquete. La palanca va unida por unos cables a la leva de freno.

Si el sistema de frenado del vehiculo es hidráulico, una leva adicional separa las zapatas al accionar el freno de estacionamiento (de mano).

Al tirar de la palanca gira la leva que separa las zapatas y las comprime contra el tambor. Al quedar fija la palanca en el sector dentado, la leva permanece girada y las zapatas siguen actuando contra el tambor manteniéndose la frenada.

Al soltar la palanca las zapatas se separan del tambor desapareciendo la acción de la frenada.

La acción del freno de mano puede ejercerse sobre la transmisión, pero como resulta ser muy potente, al utilizarse sobre la marcha, perjudica mucho a las juntas universales, palieres y engranajes, de ahí que no este en uso.

El freno de mano puede estar situado en el otro extremo de la transmisión o a la salida de la caja de cambios, actuando generalmente sobre las ruedas traseras del vehiculo.

EMBRAGUES

DEFINICION

Es un dispositivo por medio del cual un elemento giratorio puede impartir rotación y transmitir un par de fuerza a otro elemento o suprimirlo a voluntad del operario. Los embragues se utilizan en todas las situaciones que implique la necesidad de conectar o desconectar una fuente de fuerza y una máquina impulsada por la fuente de fuerza en movimiento. Los embragues tienen aplicación universal en automóviles y tractores, máquinas herramientas, grúas dotadas de motores de combustión interna y maquinaria industrial, etc.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

TIPOS

Los embragues pueden ser de tres tipos:

• Embrague de dientes

• Embrague de fricción

• Embrague hidráulico

I. Embrague de dientes

En este tipo de engranajes, los árboles que se van a acoplar llevan en sus extremos dos piezas dentadas que encajan una en la otra. Para poder embragar y desembragar, es necesario que ambos árboles estén parados, ya que , si se intentan acoplar en movimiento, puede producirse la rotura de los dientes.

II. Embragues de fricción

Consta de dos discos cuyas superficies son lisas y tienen un alto poder de fricción cuando se ponen en contacto. Este rozamiento acopla ambos ejes, igualando sus velocidades. La fricción puede ser metal con metal o de metal con ferodo (un tipo de caucho). Tienen la particularidad de que el embragado y el desembragado con los árboles de transmisión pueden realizarse en movimiento, siendo el arranque suave y continuo. Un caso particular es el embrague de fricción de disco, cuya aplicación más característica es en automoción. Se utiliza para transmitir el movimiento del motor a las ruedas a voluntad del conductor. Para ello se dispone de un pedal (pedal del embrague) que al accionarlo mueve un mecanismo que se para los discos (posición de desembragado). Al soltar el pedal (progresivamente), el movimiento del motor se transmite a las ruedas (posición de embragado), porque los discos se acoplan.

II. Embrague hidráulico

Utilizan un fluido para transmitir el movimiento entre árboles conductores. Un símil de est tipo de embrague podría ser el efecto que produce un ventilador eléctrico conectado delante de otro: la corriente de aire que provoca el primero hace girar al segundo. Estos embragues constan de dos turbinas, solidarias cada una a un eje, sumergidas en un fluido dentro de una caja. Al girar el eje conductor, éste hace mover la turbina, impulsada el fluido hacia la otra turbina y le transmite el movimiento.