![4 TEORÍA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
Estática L Dirlámica ]
�I
Cinemática Cinéti���
Figura 1-2
de cada punto del cuerpo. Por lo tanto, esta investigación se referirá exclusivamente a la geo
metria o, más bien, a la estereotomía.
Es evidente que mediante la separación de esta parte de la cuestión, de la otra, que pertenece
más bien a la Mecánica, la determinación del movimiento basada en principios dinámicos se
facilitará de una manera más notable que si ambas partes se consideraran en forma conjunta.
Estos dos aspectos de la dinámica se reconocieron posteriormente como las
ciencias diferentes denominadas cinemática (del vocablo griego kinema, que sig
nifica movimiento) y cinética que se ocupan, respectivamente, del movimiento y de
las fuerzas que lo producen.
El problema inicial en el diseño de un sistema mecánico es, por consiguiente,
la comprensión de su cinemática. Cinemática es el estudio del movimiento, in
dependientemente de las fuerzas que lo producen. De manera más especifica, la
cinemática es el estudio de la posición, el desplazamiento, la rotación, la rapidez,
la velocidad y la aceleración. El estudio del movimiento planetario u orbital, pón
gase por caso, constituye también un problema de la cinemática; pero este libro se
concentrará en los aspectos cinemáticos que surgen en el diseño de sistemas me
cánicos. Como consecuencia, la cinemática de las máquinas y los mecanismos es el
foco de atención de los siguientes capítulos de este texto. No obstante, la estática y
la cinética son también partes vitales de una análisis de diseño completo, y se to
carán también en capítulos posteriores.
Es preciso observar con cuidado en la cita anterior, que Euler basó su división
de la dinámica en cinemática y cinética basándose en la suposición de que deben
tratar con cuerpos rígidos. Esta es una suposición de gran importancia que permite
que ambos aspectos se traten por separado. En el caso de cuerpos flexibles las for
mas mismas de los cuerpos y, por ende, sus movimientos, dependen de las fuerzas
ejercidas sobre ellos. En tal situación, el estudio de la fuerza y el movimiento se
debe realizar en forma simultánea, incrementando notablemente con ello la com
plejidad del análisis.
Por fortuna, aunque todas las piezas de máquinas reales son flexibles en cierto
grado, éstas se diseñan casi siempre con materiales más o menos rígidos y man
teniendo en un rnínimó sus deformaciones. Por lo tanto, al analizar el funcio
namiento cinemáticó de una máquina es práctica común suponer que las defle
xiones son despreciables y que las piezas son rígidas, y luego, una vez que se ha
realizado el análisis dinámico, cuando las cargas se conocen, se suele diseñar las
piezas de manera que esta suposición se justifique.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-20-2048.jpg)
+YRh [RBA • (Re x k)]2 Re
Re = [RBA • Re+yRh - [RBA • (Re x k)f]lle
(2-50)
(2-51)
Ejemplo 2·3 Úsense las ecuaciones de Chace para encontrar la posición de la corredera ilustrada
en la figura 2-1 2, siendo RB1 = 25 mm. RCB 75 mm. y 8, = 1 50°.
SOLUCIÓN Poniendo los datos en forma vectorial se tiene
Rs., = 25{cos 150)1 + 25(sen 1 50)j = -2 1 .71 + 12.5j
RCR = 75 Rc = i
Nótese que Rr x k = Asi pues, después de las sustituciones en la (2-51) da
Rc = {(-2 1 .7¡ + 12.�j) . ¡ + V(75)' - [(-21 .7¡ + 1 2.51> · Mí
= 50.21 mm Res
p.
El análisis del eslabonamiento de cuatro barras es un problema clásico cuya
solución data desde hace poco más de un siglo . La solución gráfica se ilustró en las
figuras 2-13 y 2-14. Este mismo problema se presenta aquí para ilustrar con mayor
amplitud las técnicas algebraicas de solución, y la notación utilizada se define en la
figura 2-19.
En esta ilustración se observa que s es la distancia diagonal BD. Se puede es
cribir la ley de los cosenos para el triángulo BAD y, una vez más, para el triángulo
BCD. En términos de las longitudes de los eslabones y los ángulos definidos en
dicha figura, se tiene](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-76-2048.jpg)
![VELOCIDAD 75
��----�-----------Xl
2'1 Figura 3-1 DesplazallÚento de una partícula móvil.
otro lado, el vector desplazamiento .1Rp y el velocidad Vp son independientes de
la ubicación inicial del sistema de coordenadas o de la posición del observador"
dentro de éste. No obstante, la velocidad Vp depende críticamente del movimiento
del observador o del sistema de coordenadas, en caso de haberlo; por esto se
supone que el observador es estacionario dentro del sistema de coordenadas. Si el
sistema de coordenadas que interviene es el absoluto, la velocidad se considera
velocidad absoluta y se denota con el símbolo VPI] o, sencillamente, Vp. Esto con
cuerda con la notación que se utiliza para el desplazamiento absoluto.
3-2 ROTACIÓN DE UN CUERPO RÍGIDO
Cuando un cuerpo rígido se traslada, como se vio en la sección 2-1 3, el movimien
to de cualquier partícula individual es igual al movimiento de todas las demás del
mismo cuerpo. Sin embargo, cuando el cuerpo gira, dos partículas arbitrariamente
escogidas P y Q no describen el mismo movimiento y un sistema de coordenadas
fijo al cuerpo no se mantiene paralelo a su orientación inicial; dicho de otra
manera, el cuerpo sufre cierto desplazamiento angular AlJ.
Los desplazamientos angulares no se estudiaron detalladamente en el ca
pítulo 2 porque, en general, no se pueden tratar corno vectores. La razón es que no
obedecen las reglas usuales de la adición vectorial; si se describen varios despla
zamientos angulares brutos en sucesión, en tres dimensiones, el resultado depende
del orden en que se producen.
Para ilustrar esto, considérese el rectángulo ABCO de la figura 3-20. El cuer
po rectangular se gira primero -900 en torno al eje y y luego se gira + 90° alre
dedor del eje x. Se ve que la posición final del cuerpo está en el plano yz. En la
figura 3-2b el cuerpo ocupa la misma posición inicial y se gira nuevamente alre
dedor de los mismos ejes, describiendo los mismos ángulos y en las mismas direc
ciones; no obstante, la primera rotación la desarrolla en torno al eje x y la segunda
alrededor del eje y. El orden de las rotaciones se invierte y la posición final del rec
tángulo ahora se ve que es en el plano xz y no en el plano yz, corno lo fue antes.
Puesto que esta característica no corresponde a la ley conmutativa de la adición](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-91-2048.jpg)
![100 TEORlA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
Por último, se resuelven estas dos ecuaciones simultáneas para úll y úl4.
RBA sen(tlz - tl4)
Wl
Res sen (84 - fh) (.ú
2
RBA sen(tl2- ti)
w4
RCD sen (8. - lM
w2 Resp.
(3-18)
(3-19)
Puesto que se conocen las soluciones para ti] y tl4 , p artiendo de las ecuaciones (2-59) y (2-58),
esta ecuación para "'4 se puede evaluar numéricamente y se considera una solución completa.
Obsérvese que en los dos problemas anteriores las ecuaciones simultáneas que
se resolvieron eran lineales. Esta no fue una coincidencia sino de algo que resulta
cierto en todas las soluciones relativas a la velocidad; se debe al hecho de que la
ecuación general (3-14) es lineal en las variables de velocidad. Cuando se toman las
componentes real e imaginaria, los coeficientes pueden hacerse complicados; pero
las ecuaciones siguen siendo lineales con respecto a las incógnitas de velocidad. Por
lo tanto, su solución es directa.
Otro indicio de la linealidad de las relaciones de velocidad es el que se observa
al recordar que en las soluciones gráficas para la velocidad de las secciones previas,
fue posible elegir un factor escalar arbitrario para un polígono de velocidades. Si
se duplica la velocidad de entrada de un mecanismo, el factor escalar del polígono
de velocidad se podría duplicar y el mismo polígono seguiría siendo válido. Esta es
una característica de las ecuaciones lineales.
También vale la pena hacer notar que tanto la (3-18) como la (3-19) incluyen a
sen (04- (3) en sus denominadores. En general, cualqnier problema de análisis de
la velocidad tendrá denominadores similares en la solución de cada una de las in
cógnitas de velocidad. Estos denominadores son el determinante de la matriz de los
coeficientes de las incógnitas de las ecuaciones lineales, como se reconocerá al
recordar la regla de Cramer. En el caso del eslabonamiento de cuatro barras, se
puede observar en la figura 2-13, que 04 - 03 es el ángulo de transmisión. Cuando
el ángulo de transmisión se hace pequeño, la razón de la velocidad de salida a la de
entrada se hace muy grande y se generan dificultades.
3-9 ANÁLISIS DE LA VELOCIDAD MEDIANTE
ÁLGEBRA VECTORIAL
Se expuso en la sección 2-9 el método de Chace para el análisis de posición. Aquí
se mostrará la manera en que tal planteamiento se aplica al análisis de velocidad de
los eslabonamientos. El método se ilustra resolviendo una vez más el mecanismo
invertido de corredera y manivela de la figura 3-15 .
El procedimiento se inicia escribiendo la ecuación de cierre del circuito
(a)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-116-2048.jpg)
![138 TEORlA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
tos, y aplicando la (4-6). En el caso de un movimiento plano el vector « es per
pendicular al plano del movimiento y su magnitud está dada por
(e)
Su sentido se puede determinar visualmente basándose en la figura 4-5d. Tomando
la perspectiva dcr un observador que no gira y se mueve con el punto A, la com
ponente tangencial AkA se puede concebir como la rotación del eslabón en tomo al
punto A, en la dirección de «, en este caso, en el mismo sentido del movimiento
de las manecillas del reloj. Se observa que si se hubiera encontrado AAB en lugar de
ABA. el sentido de A�B habría sido opuesto al de AkA. No obstante, se concebiría
como si indicara una rotación del eslabón en torno al punto B. Por consiguiente, el
sentido de « habría resultado ser de todos modos el mismo que el del movimiento
de las manecillas del reloj.
Ahora que se ha determinado « se está en posición de calcular la aceleración
absoluta del punto e, relacionándolo con los puntos A y B por medio de las
ecuaciones de la diferencia de aceleración
00 vv vV ov" Iv vV oV
Ac == AA+ACA+Ab AB+AcB+Ah (d)
Dado que los puntos A, B Y e están en el mismo eslabón, las componentes nor
males ACA y ACB tienen cada unaJa forma-w2R [Ec. (4-4)]. En vista de que se
conoce ro (o se encuentra partiendo de VBA), las dos magnitudes se pueden cal
cular utilizando RCA Y RcB• respectivamente, y resultan ser iguales a w2R. Estos se
suman después gráficamente a AA y AB, como se ilustra en la figura 4-5e. Nótese
que el signo menos de la (4-4) significa que ACA es paralelo a RCA, pero de sentido
opuesto y, análogamente, para ACB y RcB. Continuando con la ecuación (d), ahora
es preciso sumar las componentes tangenciales Ab y Ah, las que, por lo que es
tipula la ecuación (4-6), son perpendiculares a RCA Y RcB, respectivamente. Estas
dos rectas se tr�an como se indica en la figura 4-5e y se intersecan en el punto
identificado por la letra e. La ecuación (d) revela que la aceleración absoluta del
punto e está dada por el vector que va de OA a e en el poligono de aceleraciones.
En la figura 4-51 se presenta con la ubicación adecuada en el diagrama del eslabón.
Según el método que se acaba de explicar, no se utilizó el valor previamente
calculado de « . Un método alterno habría sido usar « y la (4-6) para calcular ya
sea A�A o Ah. Sólo habría sido necesaria una de las dos ecuaciones (d) con este
método para localizar el punto e y determinar Ac.
En la figura 4-5g se muestra el mismo poligono de aceleraciones con el trián
gulo ABe sombreado y en el que se han suprimido las componentes normal y tan
gencial de la diferencia de aceleración. Se observa una vez más que el triángulo
ABe del polígono de aceleraciones tiene una forma semejante a la del eslabón
original ABe. Se puede demostrar que, en efecto, este es el caso, escribiendo las
ecuaciones correspondientes a la magnitud de cada lado. Cada vector de diferencia
de aceleración está constituido por una componente normal y una tangencial, y los](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-154-2048.jpg)
![144 TEORíA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
que se mueve un punto, en relación con otro eslabón móvil; pero que no convenía
describir el movimiento absoluto del mismo punto. Investiguemos ahora la ace
leración de un punto de esta naturaleza.
Para hacer un repaso, en la figura 4-8 se ilustra un punto P3
se mueve siguiendo una trayectoria conocida, la ranura, en relación con el marco
de referencia móvil X2Y2Z2. El punto P2
tantáneamente con el P3•
aceleraciones de los puntos P3
sea factible calcular (o medir) en un sistema mecánico típico.
En la figura 4-9 se recuerda cómo percibiría esta misma situación un obser
vador móvil unido al eslabón 2. Para él, la trayectoria de P3, la ranura, parecería
estacionaria y le parecería que el punto P3
la velocidad aparente VP]/2.
Se recordará que en la sección 3-5 se definió otro sistema de coordenadas
móviles ¡ni!, en donde p se definió como un vector unitario en la dirección del
radio vector de curvatura de la trayectoria, T se definió como el vector unitario
tangente a la trayectoria en Py i! era normal al plano que contiene a p y T, for
mando así un sistema derecho de coordenadas cartesianas. Después de definir s
como una distancia escalar de arco que mide el desplazamiento de P3
la trayectoria curva, se dedujo la ecuación (3-9) para la velocidad aparente
(a)
Considérese la rotación del radio vector de curvatura; barre cierto ángulo
pequeño 1l<fJ conforme P3
Trayectoria trazada
por P3 sobre --'
el eslabón 2 '"
Z2
p
)-:---
_________....1 ---- x2
Figura 4-9 Desplazamiento aparente
°2 del punto p] como lo ve un obser
vador situado sobre el eslabón 2.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-160-2048.jpg)
![148 TEORÍA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
Ejemplo 4-3 En la figura 4-10 se representa un bloque, 3, que se desliza hacia afuera sobre el
eslabón 2, con una rapidez uniforme de 30 mIs, mientras que el eslabón 2 está girando con una
velocidad angular constante de 50 radls cmr. Determínese la aceleración absoluta del punto A del
bloque.
SOLUCIÓN En primer lugar calcúlese la aceleración absoluta del punto coincidente A� que éstá
inmediatamente debajo del bloque; pero perteneciente al eslabón 2,
A", =%0+ A�,o, +��
A�!o, =W�RA,o,=(50 rad/s)2(500mm) l 250 mis'
Se construye la gráfica de esta expresión, determinando el punto imagen de aceleración A,. Luego
se reconoce que el punto AJ está restringido a desplazarse sólo a lo largo del eje del eslabón 2.
Esto proporciona una trayectoria para la que se puede escribir la ecuación de la aceleración
aparente,
Los términos de esta ecuación se calculan como sigue y se suman gráficamente en el poligono de
aceleraciones,
AA)A,=2W2 VA,/2 = 2(50 rad/s)(30 mIs) 3000 m/s2
A
n _ V�)/2 (30 mIs)'
O
A,/2 - P 00
rapidez uniforme a lo largo de la trayectoria
Esto localiza el punto imagen de aceleración AJ y el resultado es
AA) 3 250 mIs' Resp.
Ejemplo 4-4 Hágase un análisis de aceleración del eslabonamiento ilustrado en la figura 4-11,
para la velocidad con$tante de entrada W2 = 18 rad/s mmr.
SoWCIÓN En primer lugar se realiza un análisis completo de velocidad, como se indica en la
figura. Esto da
VA= 12 pie/s VB,A =10.1 pie/s VBJ/4=6.5pie/s
w] W4 7.77 rad/s mmr
Para hallar las aceleraciones, primero se encuentra
AA =�O+A�o,+%,O
A�o, W�RAo, = (18 rad/s)2(�2
Pie)=216 pie/s2
y trácese la gráfica de esto para localizar el punto imagen de aceleración A. Luego escríbase la
ecuación de la diferencia de aceleración,
VV >Iv (IV
AH)= AA +A�)A +A�""
(l)
El término A¡,A está dirigido de B hacia A y se agregan al polígono de aceleraciones, como se in
dica. El término A�,A tiene magnitud desconocida, pero es perpendicular RBA•
Puesto que la (1) tiene tres incógnitas, no se puede resolver; de donde, se busca una segunda](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-164-2048.jpg)
![ACELERACIÓN 153
llamará aceleración de contacto por rodadura A�lI2. Por consiguiente, en el caso de
contacto por rodadura, la ecuación de la aceleración aparente se transforma en
(4-15)
y se sabe que el término Ah/2 tiene siempre una dirección perpendicular a las
superficies en el punto de contacto por rodadura.
Para entender mejor el método gráfico para el análisis de la aceleración de
mecanismos ,de contacto directo y de contacto por rodadura, se contrastarán las
soluciones de dos ejemplos muy similares.
Ejemplo4-6 Dado el dibujo a escala y el análisis de velocidad de la leva circular de contactodirec
to, con sistema de seguidor oscilante de cara plana, ilustrado en la figura 4-14a, determinese la
aceleración angular del seguidor en el instante que se muestra. La velocidad angular de la leva es
CtJ-¡ 10 rad/s mmr y su aceleración angular es a2 '" 25 rad/s2 mmr.
SOLUCIÚN En la figura 4-14c se ilustra el polígono de velocidades del sistema de leva y se·
guidor.
El poligono de aceleraciones, figura 4-14<1, se principia calculando la aceleración del punto
Bl y construyendo su gráfica, en relación con el punto A
AB2 AA+AB2A+A�2A
V]¡,A (30pulg/s)2
AB,A
R
300 pulg/s2
B,A
A�,A = a2RS,A '" (25 radfs2)(3 pulg) = 75 pulg/sl
(1)
Estas se representan gráficamente como se indica y se encuentra el punto imagen de aceleración
Cl construyendo la imagen de aceleración del triángulo ABlC2•
Si se procede como se hizo en la sección 3-7, se encontraría a continuación la velocidad del
punto Cl.Si se intenta este planteamiento al análisis de aceleración, la ecuación es
(2)
y se basa en la trayectoria que traza el punto Cl sobre el eslabón 3, presentada en la figura 4-14a.
No obstante, este método resulta inútil porque se desconoce el radio de curvatura de esta trayec
toria y, por ende, es imposible calcular A�2/3 • Para evitar este problema se toma un camino dis
tinto; es decir, se busca otro par de puntos coincidentes en donde se conozca la curvatura de la
trayectoria.
Si se considera la trayectoria trazada por el punto Bl sobre el eslabón 3 (extendido), se verá
que sigue estando a uua distancia constante de la superficie; es una recta. Este nuevo plantea
miento se concibe mejor si se considera el mecanismo ilustrado en la figura 4· 14b, y se observa
que posee un movimiento equivalente al original. Habiendo imaginado así una ranura en el
mecanismo equivalente como una trayectoria, queda perfectamente aclarado cómo se debe
proceder; la ecuación apropiada es
(3)
en donde Bl es un punto coincidente con B2 , pero situado en el eslabón 3 . En vista de que la
trayectoria es una recta,
o
Aíi¡Bl = 2"'l VB¡/l = 2( 10 rad/s)(50 pulg /s) 1000 pulgN](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-169-2048.jpg)
![154 TEORlA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
Trayectoria de C1 � ,..-
_
_
"
sobre el eslabón - . 3
(a)
Trayectoria de B2
sobre el eslabón 3
(el (d)
Fi�ura 4-14 Ejemplo 4-6.
Se puede hallar la aceleración de B3 a partir de
en donde
�O + AllJD + A�]D
V�JD (35.4pulg/s)"
3.58 puIg
I
-.... I
" I
, I
1
lc
J¡
1 I
,,/ I
_.... I
I
(b)
350 puIg/s2
3
(4)
Al hacer las sustitución de la ecuación (4) en la (3), y reacomodando los términos, se llega a una
ecuación que sólo tiene dos incógnitas,
vV Iv oV" 'l/v oY
AB, - A B,B, - A�2i3 A llJD + A�JD ( 5)
Esta ecuación se resuelve gráficamente como se ilustra en la figura 4-14d. Una vez que se ha en
contrado el punto imagen B3 , se encuentra con facilidad e" construyendo la imagen de ace-](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-170-2048.jpg)
![MÉTODOS NUMÉRICOS EN EL ANÁLISIS CINEMÁTlCO 183
SOLUCIÚN El desarrollo de las ecuaciones de posición, velocidad y aceleración para el mecanis
mo excéntrico de corredera y manivela se puede llevar a cabo por medio del método de Raven,
aplicando álgebra compleja, como se describió con todo detalle en las secciones 2-10, 3-8 Y 4-8.
Las ecuaciones finales son de la (4-17) a la (4-22). El algoritmo para evaluarlas con una calcula
dora programable podria ser como sigue:
Paso l. Recíbanse los datos numéricos para T10 T, Y Tl, Y almacénense en las memorias 1,2 Y 3,
respectivamente.
Pasa 2. Recíbanse los datos numéricos para82, t:.82 Y 82, Y almacénense en las memorias 4, 5 Y 6,
respectivamente.
Paso 3. Calc.llese T2 sen 82 y T2 cos 8" Y almacénense en las memorias 7 y 8, respectivamente.
Paso 4. Calcúlese y muéstrese en la pantalla 8} = sen -1 [(TI + T2 sen8;)/TJ].
Paso 5. Calcúlese T) senely T) cos 03, y almacénense en las memorias 9 y 10, respectivamente.
Pasa 6. Calcúlese y muéstrese en la pantalla T. T2 COS82 + T2 cos 8).
Paso 7. Calcúlese y muéstrese en la pantalla é} = - (é,T, cos (2)/(r2 cos el).
Paso 8. Calcúlese y muéstrese en la pantalla r. = - é2T, sen 82 - Ó)T) sen 8l.
Paso 9. Calcúlesey muestrese en la pantalla él = (¡ijT2 , sen 82 + ír3 sen (3)/(T3 COS �).
Paso 10. Calcúlese y muéstrese en la pantalla r4 = -(e3T)sen 8l + ¡ijT2COS 82 + éíT)cos 8).
Pasa 11. Súmese 1182 de la memoria 5 a 82 de la memoria 4.
Paso 12. Regrésese al paso 3 y repitase.
Como comprobación de la exactitud del programa, úsese: TI 0.150 m, T2 = 0.300 m, r3 = 0.900 m,
82 0, t:.82 = 90°, y Ó2 = 40 rad/s. Cuando se llega a la posición 82 = 2700 , el conjunto de resul
tados redondeados que se presenten deben ser 8) = 9.594°, T4 = 0.887 m, é3 = 0, '4 = 12 rt;tls,
83 = - 540.899 rad/s2, Y ;4 = 81.135 m/S
2
.
Este ejemplo pone en evidencia la cuestión de las unidades. Se considera
buena-, práctica obtener las ecuaciones para los programas de esta índole sin hacer
referencia alguna a un conjunto de unidades en particular. Luego, es factible
aplicar cualquier sistema de ellas con el programa, siempre y cuando sean coheren
tes. La alternativa es restringir el programa a un conjunto particular de uni
dades. En todo caso, la elección de las mismas se debe establecer con toda claridad
en la documentación. En el ejemplo anterior, el programa mismo es independiente
del conjunto de unidades empleado; sin embargo, puesto que los datos de prueba
se dieron en metros, los resultados tuvieron las unidades de metros por segundos y
metros por segundo al cuadrado.
El ejemplo revela también un caso típico de equilibrio necesario entre el uso
eficiente de las memorias y la velocidad mejorada de los cálculos. Las memorias 7
Figura 5-1 Ejemplo 5-2. Mecanismo excéntrico de
corredera-manivela.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-199-2048.jpg)
![196 TEORtA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
tantes por la misma matriz inversa almacenada, para dar los valores de las ace
leraciones dependientes desconocidas, r4 y 04• El análisis queda así concluido para
esta posición del mecanismo y se pueden imprimir los resultados.
Procediendo a analizar la siguiente posición, se puede incrementar el ángulo
de entrada de la manivela ()2 en !l(}z y se usan los datos de la última posición como
estimaciones iniciales para la siguiente, al repetir el proceso de iteración.
Repasemos el proceso una vez más estableciendo los pasos del algoritmo en el
orden apropiado para la programación. Suponiendo que el programa estuviera en
FORTRAN, se iniciaría definiendo las configuraciones de almacenamiento de los
datos. Estas incluyen una proposición COMMON similar a la de la función R, así
como las configuraciones para la matriz de los coeficientes, la columna de cons
tantes y su producto. Si se diseña el programa para máximos de, por ejemplo, 20
vectores con 10 variables dependientes (cinco circuitos) y una variable de entrada,
el almacenamiento de los datos iniciales se podría definir mediante las proposi
ciones
COMMON LEVEL,RM(20),RA(20),DRM(20),DRA(20),DDRM(20),DDRA(20)
DIMENSION COEFF( 10, 1O),CONST(] O),PROD( 1O)
El programa principal se escribiría según el algoritmo siguiente:
Paso 1. Póngase ceros en todas las configuraciones.
Paso 2. Recíbanse los datos para el número de vectores, el de circuitos y los
números y tipos (longitud o ángulo de los vectores) de las variables depen
dientes y la variable de entrada.
Paso 3. Recíbanse los datos para las magnitudes y los ángulos RM(I) y RA(I) de
todos los vectores.
Paso 4. Recíbanse los datos para el incremento de la variable de entrada, la po
sición final, la velocidad de entrada y la aceleración de entrada.
Paso 5. Imprímanse todos los datos de entrada. Si el programa es interactivo, per-
mítase que los usuarios modifiquen cualquier dato que deseen cambiar.
Paso 6. Conviértanse todos los ángulos a radianes.
Paso 7. Establézcase un contador de iteraciones, ITER = O.
Paso 8. Hágase LEVEL = O Y CALL LOo,pEQ(CONST).
Paso 9. Hágase LEVEL = 1 Y J = l .
Paso 10. Iguálense a cero todas las velocidades, DRM(I) y DRA(I).
Paso 1 1. Hágase la velocidad apropiada, DRM o DRA, igual a 1 para la J-ésima
variable dependiente.
Paso 12. CALL LOOPEQ(COEFF(J,l» para calcular la J-ésima columna de la
matriz de los coeficientes de la ecuación (5-5).
Paso 13. Increméntese J y repítanse los pasos 10 a 12 para cada variable depen
diente sucesivamente.
Paso 14. Utilícese un subprograma de biblioteca para invertir la matriz COEFF.
Paso 15. Compruébense las dificultades posibles (determinante cero) durante la](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-212-2048.jpg)
![que tiene las derivadas
y'=2AIJ+B
y"=2A
f y'" O
DISEI'IO DE LEVAS 217
(b)
(e)
(d)
Para igualar de manera apropiada la posición y la pendiente con las de la detención anterior,
en 1] '" O se tiene que y(O) = y'(O)=O. Por consiguiente, las ecuaciones (a) y (b) muestran que B
'" e O. A continuación, examinando el punto de inflexión, en 1] =f3/2 se desea que y L/2;
la (a) da
A
2L
-¡¡r
Así pues, para la primera mitad del movimiento parabólico, las ecuaciones son
y 2L
(�r
y'
4LIJ
f3f3
y"
4L
y'" O
La pendiente máxima ocurre en el punto de inflexión, en donde 1] =f3/2. Su valor es
2L
f3
(6-5)
(6-6)
(6-7)
(6-8)
(6-9)
Por lo que respecta a la segunda mitad del movimiento, se regresa a las ecuaciones generales
(a) a (d) para una parabola. Si se sustituyen las condiciones de que en 1] =f3, y '" L y y' O, se
tiene
L Af32+Bf3+ C (e)
O 2Af3+ B (f)
Puesto que la pendiente debe igualarse con la de la primera parábola en 1] f3/2, se tiene, partien
do de las ecuaciones (6-9) y (b),
Resolviendo simultaneamente las ecuaciones (e) o (g) da
2L
A=--r
f3
B
4L
f3
C=---L
Cuando estas constantes se sustituyen en las formas generales, se obtienen las ecuaciones para la
segunda mitad del movimiento parabólico
y L[1-2(1- �rJ
y' �(1- �)
(6-10)
(6-11)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-233-2048.jpg)
![222 TEORÍA DE MÁQUINAS y MECANISMOS
figura 6-14 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento armónico simple de subida
completa, ecuación (6-18).
(6-18d)
Contrariamente a lo que sucede con el movimiento parabólico, el armónico simple
no presenta discontinuh;l'ad en el punto de inflexión.
Las ecuaciones pata una subida con movimiento cicloidal y sus derivadas son
y = L(!i--
1
-sen
2?T(J
)
f3 2?T f3
y' = �(1-
cos
2
;(J
)
y" =
2?TL
sen
2?T(J
f3
y'"
4?T2L 2?T(J
cos
T
En la figura 6-15 se muestran las gráficas.
(6-19a)
(6-19b)
(6-19c)
(6-19d)
En la figura 6-16 se ilustra el diagrama de desplazamientos y las derivadas
para un movimiento de subida denominado movimiento armónico modificado.
Las ecuaciones son
y
y'
?T(J
)
cos {i 1
( 2?T(J
)]
¡ l-cos
T
?TL
( ?Te
2{3
sen f3 1 sen
2?T(J
)
2 (3
(6-20a)
(6-20b)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-238-2048.jpg)
![DlSE�O DE LEVAS 225
Figura 6-18 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento cicloidal de retorno com
pleto. ecuación (6-22).
y"'= (6-22d)
Las ecuaciones para el movimiento armónico modificado de retorno completo
son las siguientes:
y = �[(1+COS7) - l(t-coS
2
;6
)] (6-23a)
, 1TL( 1TO 1 21T
6)
Y = -2f3
sen7f+ '2 sen
T
(6-23b)
Figura 6-19 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento armónico modificado de
retorno completo, ecuación (6-23).](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-241-2048.jpg)
![DISEÑO DE LEVAS 235
Cuando se sustituyen las condiciones en la frontera, se obtienen las seis ecuaciones
que siguen
O=Co
L=Co+Cl + C2+Cl+C4+Cs
O=C¡
0=Cl+2C2+3C3+4C4+5Cs
O=2C2
0=2C2 + 6C3 + 12C4+20Cs
Cuando estas ecuaciones se resuelven simultáneamente, se obtiene
Co=O C¡=O C4=-15L Cs=6L
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i).
La ecuación de desplazamiento se obtiene sustituyendo estas constantes en la
ecuación (a),
(6-33a)
Esto recibe el nombre de movimiento polinomial 3-4-5 de subida completa, debido
a las potencias de los términos restantes. Sus derivadas son
y'=�[30(jr-60(jY+30(jYJ
y"=�2[60 j-180(jr+120(j)]
Y111=�[60-360 j+360(jr]
(6-33b)
(6-33c)
(6-33d)
En la figura 6-25, se tiene la gráfica del diagrama de desplazamientos y sus deri
vadas. Las propiedades son similares a las del movimiento cicloidal, empero
claramente diferentes.
Las ecuaciones para el movimiento polinomial 3-4-5 de retorno completo se
obtienen aplicando un procedimiento paralelo, y son
y=L[l-lO(jY+lS(jY-6(jYl
y'=-�[30(jr-60(jY+30(jYJ
(6-34a)
(6-34b)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-251-2048.jpg)
![236 TEORÍA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
+
I
L
Figura 6-25 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento polinomial 3-4-5 de subida
completa, ecuación (6-33).
y
"
= -�2[60�-180(�r+120(�y]
y
'"
= -�[60-360�+360(�rJ
(6-34c)
(6-34d)
En la figura 6-26 se muestra el diagrama de desplazamientos correspondientes y
sus derivadas.
Otro movimiento muy útil es el que se obtiene a partir de un polinomio de oc
tavo orden. Se obtuvo con el propósito de tener características de "aceleración"
Figura 6-26 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento polinomial 3-4-5 de retorno
completo, ecuación (6-34).](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-252-2048.jpg)
![238 TEORÍA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
y
'
= �[18.292 65(*r-103.902 OO(*r+160.389 30(*r
- 95.267 55(*r+ 20.487 60(*YJ
y
"
= �2[36.585 30(*)-415.608 OO(�y+801.946 50(*r
-571.605 30(*Y+143.413 20(*YJ
y
lll
= �[36.585 30 1246.824 OO(*r+3207.786 00(*/
2858.026 50(*r+860.479 20(*YJ
(6-35b)
(6-35c)
(6-35d)
Para los movimientos polinomiales de octavo orden de retorno completo de la
figura 6-28, las ecuaciones son
y = L[1.000 00 - 2.634 15(*r+2.780 55(�y
+3.170 60(�r-6.877 95(�y+2.560 95(�r]
y
'
= - �[5.268 30 *-13.902 75(�r-19.023 6O(�y
+48.145 65(*r-20.487 60(�YJ
y
" = -
�2[5.268 30 -55.611 OO(�r 95.118 00(�)4
+288.873 9O(�y-143.413 20(�rJ
y �3[166.833 OO(�r+380.472 OO(�y
1444.369 50(*r+860.479 20(*YJ
(6-36a)
(6-36b)
(6-36c)
(6-36d)
También son de uso común ecuaciones polinomiales de desplazamiento de un
orden mucho más elevado y que satisfacen muchas más condiciones que las aquí
presentadas. Stoddartt desarrolló procedimientos automatizados para determinar
t D.A. Stoddart, "Polydyne Carn Design", Mach. Des., vol. 25, no. 1, pp. 121-135; vol. 25,
no. 2, pp. 146-154; vol. 25, no. 3, pp. 149-164, 1953.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-254-2048.jpg)
![280 TEORIA DE MAQUINAS Y MECANISMOS
Del mismo modo, basandose en el triangulo OlAe, se tiene
Ur =: [(r2+ a)2 d2]1/2- rz senq, (7-9)
Entonces la razon de contacto se obtiene al sustituir las ecuaciones (7-8) y (7-9) en
la (7-7). Sin embargo, se podria observar que las ecuaciones (7-8) y (7-9) solo son
vaIidas para las condiciones
(7-10)
porque el contacto no se puede iniciar antes del punto A (Fig. 7-15) 0 conduir
despues del punto D. Por tanto, si el valor de Ua 0 u" como se calculan mediante
la (7-8)0 la (7-9) no satisface las desigualdades de la (710), sera preciso utilizar la
(7-10) para calcular Ua 0 u" segim sea el caso, usando el signo de igualdad.
La razon de contacto mas grande posible se obtiene ajustando los addenda de
cada engrane, de tal suerte que se utilice la distancia AD completa (Fig. 7-15).
Luego, la accion se define mediante los trilmgulos OlAD y 03AD. Por10 tanto,
a2= [d2 + (r2 + r3)2sen2 q,]112 - r2
a3= [r�, + (rz + r3)2 sen2 q,]1/2 - r3
(7-11)
(7-12)
como los addenda az Y a3, respectivamente, de los engranes 2 y 3. Si se excede
cualquiera de estos addenda, 0 ambos, se producira socavacion durante la gene
racion de los perfiles.
7-9 VARIACION DE LA DISTANCIA ENTRE CENTROS
En la figura 7-16a se ilustra un par de engranes acoplados que tienen dientes de in
voluta, a un angulo de presion de 20°. Puesto que ambos lados de los dientes estan
en contacto, no se puede acortar la distancia entre los centros 0
2
03 sin trabarlos 0
deformarlos.
En la figura 7-16b, se han separado el mismo par de engranes incrementando
ligeramente la distancia entre los centr�s. Ahora, como se indica, existe una hol
gura0juegoentrelos dientes. Cuandose aumentaladistanciaentreloscentros, secrean
nuevos circulos de paso que tienen radios mayores, en virtud de que tales circulos
son siempre tangentes el uno al otro. No obstante, los circulos de base son una
caracteristica constante y fundamental de los engranes. Esto significa que un
aumento en la distancia entre los centros cambia la inclinaci6n de la linea de acci6n
y da por resultado un angulo de presi6n mas grande. Se observara tambien que un
punto trazador de la nueva linea de presion todavia generara las mismas involutas
que se presentaron en la figura 7-16a, la normal a los perfiles de los dientes aiin
pasa por el mismo punto de paso y, por ende, la ley del engranaje se satisface para
cualquier distancia entre los centros.'
Para corroborar que la raz6n de velocidades no ha cambiado de magnitud, se
observa que los triangulos 02AP y 03BP son semejantes. Asimismo, puesto que](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-296-2048.jpg)
![ENGRANES RECTOS 0 CILINDRICOS 281
02A Y O,B son distancias fijas y no varian al alterarse las distancias entre los cen
tros, la raz6n de los radios de paso, 02P y o)p, se mantendra fija tambien.
Otro de los efectos que se originan al aumentar la distancia entre los centros,
que se puede observar en la figura 7-16, es el acortamiento de la trayectoria de
contacto. La trayectoria original de contacto CD se ha acortado hasta C'D'. La
raz6n de contacto [Ec. (7-7)]se puede definir como la raz6n de la longitud de la
trayectoria de contacto al paso de base. El valor limite de esta raz6n es la unidad;
de 10 contrario, se presentarian periodos en los que no existiria contacto en 10 ab
soluto. Asi pues, la distancia entre los centros no puede ser mayor que la que
corresponde a una raz6n de contacto igual a la unidad.
Resulta interesante conduir, en virtud de la exposici6n anterior, que se pueden
montar sobre el mismo eje dos engranes con numeros de dientes ligeramente di
ferentes (aunque no fijos entre si 0 at eje) y acoplarse con el mismo pifi6n 0 la mis
ma cremallera, a condici6n de que no se excedan las limitaciones analizadas.
7·10INVOLUTOMETRIA
El estudio de la geometria de 1a involuta recibe el nombre de involutometria. En la
figura 7-17 se utiliza un circu10 de base, cuyo centro se localiza en 0, para generar
la invo1uta BC. AT es la linea generadora, p e1 radio instantaneo de curvatura de
la involuta y r el radio a cualquier punto T de la curva. Si el radio de circulo
de base se designa como rb, la recta generadora AT dene la misma longitud que
el arco AB; de donde,
(a)
en donde a es el angulo comprendido entre los radiovectores que definen e1 origen
de la involuta y cualquier punto, como por ejemplo, T, sobre la involuta, y if' es
el angulo comprendido entre los radiovectores que definen a cualquier punto T de
la involuta y el origen A en el circulo de base de la linea generadora correspon-
o
x
Figura 7-17](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-297-2048.jpg)
![284 TEORlA DE MAQUINAS Y MECANISMOS
EI espesor del diente en el circulo de paso es
tp �==
1.;7 1
0.785 4 pulg
Al convertir el ailgulo de presion de 20° del diente a radianes da </1 0.349 rad.Luego,
inv </1 tan 0.349 - 0.349 == 0.015 rad
En el circulo de base, If'b = O, de manera que inv <Pb == O. Segun la (7-16), el espesor del wente en el
circulo de base es
tb = 2fb (t;+ inv '" - inv If'b)== (2)(5. 168)[(�(��;�)+ 0.015 - 0]= 0.886 pulg
EI radio del circulo de addendum es f
a = 6.000 pulg. Segun la (7-15), el {mgulo de presion de la
involuta correspondiente a este radio es
De donde,
<P. cos'-I 2. = COS-I
5.168
= 0.532 fad
f
a 6.000
inv <Pa = tan 0.532 - 0.532 = 0.058 rad
y la ecuacion (7-16) da el espesor del diente en el circulo de addendum como
7-11 DIENTES NO ESTANDAR DE ENGRANES
En esta secci6n se investiganm los efectos provocados al modificar aspectos tales
como el angulo de presi6n, la altura del diente, el addendum 0 la distancia entre
los centros. Algunas de estas modificaciones no anulan la intercambiabilidad;
todas elIas se realizan con el prop6sito de obtener un funcionamiento mejorado 0
una producci6n mas econ6mica.
Hay tres razones principales para utilizar dientes no estandar. Sucede muy a
menudo que el disenador se encuentra bajo gran presi6n para producir disenos
de engranes pequenos y, al mismo tiempo, que transmitan grandes cantidades de
potencia. Por ejemplo, considerese una combinaci6n de engranes que deba tener
una raz6n de velocidades 4:1. Si el pin6n mas pequeno que llevara la carga tiene un
diametro de paso de 2 pulg, el engrane tendra un diametro de paso de 8 pulg, 10
que hace que el espacio global necesario para los dos engranes sea ligeramente
mayor que 10 pulg . Por otro lado, si el diametro de paso del pin6n se puede re
ducir en s610 1/4 pulg, el diametro de paso del engrane se reduce en una pulgada
completa y el tamafio global de la combinaci6n de engranes se reduce en 1 Hpulg.
Esta reducci6n adquiere una importancia considerable cuando uno se percata de
que las dimensiones de los elementos de maquina asociados, tales como ejes,
cojinetes y cubiertas se reducen tambil�n. Si necesita un diente de un paso en par
ticular para transmitir la carga, el unico metodo para reducir el diametro del pifi6n
es emplear menos dientes. Se vio con anterioridad que se presentan problemas](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-300-2048.jpg)
![288 TEORiA DE MAQUINAR Y MECANT'SMOS
Figura 7-20 Engrane estandar de altura compJeja de 20° y 12 dientes. presentando socavacion.
Ahara han desarrollado todas las relaciones necesarias para crear engranes no
estfmdar con cambios en la distancia entre los centros. La utilidad de e,<;tas rela
ciones se ilustra mejor par medio de un ejemplo.
En la figura 7-20 se presenta un dibujo de un pii16n de 20°, de paso 1 y 12
dientes, generado con un cortador de cremallera que tiene una holgura esUmdar de
0.250IP. En el sistema de altura completa de 20°, la interferencia es severa siempre
que el mimero de dientes sea menor que 14. La socavacion resultante es evidente en
el propio dibujo. Si este pifi6n se acoplara con un engrane estfmdar de 40 dientes,
la raz6n de contacto seria 1 .41 , 10 que puede verificarse con facilidad aplicando la
ecuaci6n (8-7).
Para tratar de eliminar la socavaci6n, mejorar la acci6n de los dientes y au
mentar la razon de contacto, supongase que se corta el pifi6n de 1 2 dientes partien
do de un disco en blanco mas grande. Luego, el pifi6n resultante se acoplara una
vez mas con el engrane estandar de 40 dientes, can el fin de determinar el grado de
mejora. Si se designa el pifi6n con el subindice 2 y el engrane con el 3, se encon
traran los siguientes valores:
t.P 20° r2 = 6 pulg r3 = 20 pulg P = 1
Pc = 3.1416 pulg t3 ] .5708 pulg N2 12 teeth N3 = 40 teeth
EI cortador de cremallera se descentrara de tal modo que su linea de adden
dum pase por el punto de interferencia del pifion, es decir, el punto de tangencia de
la linea de presi6n de 20° y el circulo de base, como se ilustra en la figura 7-21.
Basfmdose en la ecuacion (7-15), se tiene
(e)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-304-2048.jpg)
![ENGRANES RECTOS 0 cILlNDRICOS 291
Figura 7-22
Luego, se tiene que
Ua = [(rj + a)2 dl]1I2 - rj sen</J'
= [(20.9879l - (l8.7938)2]112 20.220 sen21.65 1 1°
= 1 .8826 pulg
Ur = [(r2 + af - dz]1I2 r2 sen</J'
= [(7.2860)2 - (5.6381)2]112 6.0662 sen 21.65 1 1<>
== 2.3247 pulg
Por ultimo, segUn la (7-7), la raz6n de contacto es
== Ua + Ur
=
1.8826 + 2.3247
== 1 425
me
Pb 2.9521
.
Por ende, la raz6n de contacto se ha incrementado sOlo ligeramente. No obstante,
la modificaci6n se justifica porque se elimina la socavaci6n y se produce una
mejora sustancial en la resistencia del diente.
Sistemas de addendum largo y corto En el diseiio de maquinaria sucede con fre
cuencia que la distancia entre los centros, entre un par de engranes, la fija otra
caracteristica de la maquina. En tales casos es imposible hacer modificaciones para
obtener un mejor funcionamiento . alterando la distancia entre los centros.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-307-2048.jpg)
![ENGRANES HELICOIDALES, DE GUSANO Y CONICOS 303
cos
'" == tan <Pn
tan <Pt (8-4)
Al aplicar estas ecuaciones conviene recordar que todas las ecuaciones y relaciones
que son v{llidas para los engranes rectos, se aplican de la misma manera para el
plano transversal de un engrane helicoidal.
Se puede lograr una mejor imagen de las relaciones entre los dientes a traves
de un examen minucioso de la figura 8-3. Con el fin de obtener las relaciones
geometricas, se ha cortado un engrane helicoidal mediante el plano oblicuo AA
que forma un angulo '" con una secci6n transversal normal. Para mayor conve
niencia s610 se muestra el cilindro de paso de radio r. La figura muestra que la in
tersecci6n del plano y el cilindro de paso produce una elipse cuyo radio en el punto
de paso Pes reo Este se conoce con el nombre de radio de paso equivalente, y es el
radio de curvatura de la superficie de paso en la secci6n transversal normaL Para
la condid6n de que I/J == 0, este radio de curvatura es r. Si se piensa en que el lin
gulo I/J aumenta lentamente desde 0 hasta 90°, se ve que 'e principia en un valor
de r y se incrementa hasta que re = 00. cuando
'"
= 90°.
Se puede demostrar t que
,
r ----
•
-
cos2 '"
(8-5)
en donde r es el radio de paso del engrane helicoidal Y 'e es el radio de paso de un
engrane recto equivalente. Este engrane equivalente se toma sobre la secci6n nor
mal del engrane helicoidal. Definamos el niimero de dientes en el engrane heli
coidal como Ny en el engrane recto equivalente, como Ne• Por 10 tanto,
(d)
t La ecuaci6n de una elipse can su centro en el origen de un sistema xy, siendo a y b el se
mieje mayor y el semieje menor, respectivamente, es
(a)
Asimismo, la f6rmula para el radio de curvatura es
[1 + (dyldx)2]312
P
= d2yldx2 (b)
Si se usan estas dos ecuaciones, no es dificil hallar el radio de curvatura correspondiente a x = 0 y
y b. EI resultado es
Ahora, can referencia a la figura 8-3, se sustituye a r /(cos "') y b = r en la ecuaci6n (c) y se
obtiene la ecuaci6n (8-5).](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-319-2048.jpg)
![368 TEOR1A DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
Al resolver las ecuaciones (e) para r2 da
-1 1
O W3 W4
O W3 +j6)� W4 +j6)¡
r2
1 1 (f)
6)2 w3 W4
U2 + jw� u3 +jwi U4 +jwa
Se obtendrán expresiones similares para r3 Y r4. Resulta que los denominadores
para las tres expresiones, es decir, para r2, r3 Y r4, son números complejos e
iguales. En la división, se dividen las magnitudes y se restan los ángulos. Puesto
que estos denominadores son todos semejantes, el efecto de la división sería cam
biar las magnitudes de r2, r3 Y r4 en el mismo factor, y desplazar todas las direc
ciones en el mismo ángulo. Por esta razón, se hace que todos los denominadores
sean la unidad; las soluciones dan en tal caso vectores adimensionales para los
eslabones. Cuando los determinantes se evalúan, se encuentra
r2 = W4(U3 +jwj) W3(U4 +jw¡)
r3 = W2(U4 +jw¡) W4(U2+j6)D
r4 W3(U2+jw�) - W2(U3 +jwD
(10-7)
Ejemplo 10-1 Sintetícese un eslabonamiento de cuatro barras que dé los siguientes valores para las
velocidades y aceleraciones angulares:
w-¿ 200radls
az = Orad/s2
WJ = 85rad/s
aJ = -1000rad/s2
W4 130rad/s
a4 -16000 rad/s2
SOLUCiÓN Después de sustituir los valores dados en las ecuaciones (
10.7
f2 130[-1000+j(8!¡2
)] 85[-16000+j{ 1 3W]
1 230000-j497 000= 1 330000/-27: unidades
f3 = 200[- 1 6000+j(130)21
= - 3 200000 -j 1 8 20000= 3 690 000/-150.4° unidades
f. = 8 5 [0+j(200
)2] 200[- 1000+j(8Wl
200000+ji 95
5000= 1 965000/84. 15° unidades
f¡ -(1 230000-j4970(0)
-(200000+ji 9550(0)
= 1 770000+j 36
2 000= 1810OOO� unidades
En la figura 10.
pulgada. Para hacer que f¡ sea horizontal y esté en la dirección -x se debe hacer girar todo el
sistema vectorial en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj 1
8 0.11.6
Entonces se puede construir el eslabonamiento resultante utilizando T¡ para el eslabón1, fZ para
el eslabón 2, etc., como se ilustra en la figura 10.26b.
en pulgadas y, si se analiza, se encontrará que se han satisfecho las condiciones del ejemplo.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-384-2048.jpg)
![394 TEORíA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
k
I
3.70
13.07
A�A =a3 xr3
Ii
j k
I
1- .I Y Z
12 aJ al al
10 2.71 10.89
-2151 58)-234k
= (0.908a;-0.226anl+(0.8330:]-0.9080:))
+(0.2260:3-0.8330:;)k
1-;
0
�
16.8 B.I
� -0.658a.1+0.514a""
7.89
Estas cantidades se sustituyen en la ecuación de diferencia de aceleración
(11)
(12)
(l3)
(14)
(15)
y, junto con la condición al • f3 O para el giro de la libertad no esencial, los resultado se pueden
obtener exactamente igual que antes:
a, -5691+623j+368k rad/s2 Resp.
a. =-9371rad/52 Ans.
AB =AlIo.+A�o, 304j 88lk pie/s Resp.
La determinación de las velocidades y las aceleraciones de un mecanismo es
pacial por medios gráficos, se conduce en la misma forma que para un mecanismo
de movimiento plano. Sin embargo, los vectores velocidad y aceleración que
aparecen en las vistas estándar de frente, superior y de perfil, por lo general no se
contemplan en su longitud verdadera, es decir, se escorzan. Esto significa que el úl
timo paso de la construcción del polígono vectorial se debe completar en una vista
auxiliar en la que el vector incógnita aparezca en su longitud verdadera.
Las direcciones de los vectores dependen de las direcciones de los elementos
del mecanismo; por esta razón, es necesario proyectar también uno de los esla
bones del mecanismo en la vista o vistas auxiliares. Asimismo, por esta razón, se
decide conectar los polos de los polígonos vectoriales a un punto sobre uno de los
eslabones, de tal modo que la relación entre los vectores y uno de los eslabones sea
evidente en todas las vistas.
Una vez que se obtienen el vector o vectores desconocidos en las vistas
auxiliares, se pueden proyectar de regreso al sistema ortogonal estándar de tres vis
tas y se miden directamente las longitudes de las proyecciones x, y y z. El proce
dimiento quedará mejor ilustrado con un ejemplo.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-410-2048.jpg)
![FUERZAS ESTÁTIC
AS 423
7. En la figura 12-5e se construyó el diagrama de cuerpo libre del eslabón 3, observando que
F2) -F4) = F34•
8. El diagrama de cuerpo libre del eslabón 2 se muestra en la figura 12-5f. En este caso, se tie
neF)2 ·-FDyF'2 -Fn. Cuando se mide el brazo de momentode F'2 alrededor de 01 seob
tienen 5.54 pulg; de donde,
Mil -33.1(5.54) -183lb . pulg Resp.
en donde el signo negativo indica que el momento es en el mIsmo sentido del movimiento de
las manecillas del reloj.
9. En la ilustración no se incluye un diagrama de cuerpo libre del marco, eslabón 1. Si se trazara,
se mostrarían una fuerza F2! = -F!2 en O2, una fuerza F4I -F!4 en O•. y un momento M2! =
-M12•
SOLUCION ANALincA Se hace primero un análisis de posición del eslabonamiento con el fin
de determinar la ubicación angular de cada eslabón. En la figura 12-6a se muestran los resulta
dos. Con referencia a la figura 12-6b, se principia por sumar momentos en torno a un eje que pase
por O•. Por consiguiente,
Los vectores en la (1) son
Ro = 5/68.4° = 1.841 + 4.65j
P= 120/220° = -91.91 -77.1j
R¡¡ 12/68.4° 4.421 + 11.16j
F34 F34/22.4° (0.9241 + 0.381j)F",
(1)
Al realizar la operación de producto vectorial. se encuentra que el primer término de (1) es Ro x P
285.5k. El segundo término es Re x F'4 = -8.63F34k. Al sustituir estos términos en (1) y
despejar, se obtiene 1<34 = 33.1 lb; de manera que
F34 = 33.1/22.4° = 30.61+ 12.61 lb Resp.
La reacción del marco se encuentra entonces partiendo de la ecuación
2: F = F34+ P+ F'4 = (3(}.61+ 12.6]) + (-91.91-77 .1j) + F!4 = O
La solución da
F!4 6I.3i + 64.51 89.0/46.5" lb Resp.
A continuación, partiendo de la figura 12-6c, para el eslabón 2 se escribe
(2)
Puesto que RA 6� = -4.24i + 4.24j Y Fn = -FJ4 -30.6i- 12.61. se encuentra RA xF32
183.2k lb·pulg.
Por tanto
M!2 = -183.2k lb . pulg Resp.
En el ejemplo anterior se supuso que todas las fuerzas actúan en el mismo
plano. Para el eslabón de conexión 3 se supuso también que la linea de acción de las
fuerzas y la línea de los centros del eslabón coincidían. Un diseñador de máquinas](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-439-2048.jpg)
![FUERZAS DINÁMICAS 453
Figura 13-5
Ahora se usa la ecuación (13-14) para hacer la transferencia al eje que pasa por O. A�í, pues,
lo = la+md2 914+(0.702)(25Of 44800 kg' mm
'
o bien, en unidades básicas,
1
l
o = (44800)
(l 000 mm/m)2
0.0448 kg . m' Resp.
Ejemplo 13-2 En la figura 13-5 se presenta una biela de fundición hierro. Encuéntrese el momento
de inercia de masa de la biela en torno al eje z en unidades gravitacionales ips. Úsese w = 0.260
Ib/pulg3 como unidad de peso de la fundición de hierro.
SoLUCIÓN El problema se resuelve hallando el momento de inercia de cada uno de los cilindros
de los extremos y del prisma central en torno a sus propios centros de masa. Luego se aplican las
fórmulas de transferencia para pasarlos al eje z.
La masa de cada cilindro es
1Tlw(
d
2
lTI,;,yl = 4g
o d
?
) = 1'l{0.75)(0.260)[(3)2 - (l)2J
,
4(386)
0.003 17lh . s2/pulg
Según la tabla S del apéndice, se encuentra que el momento de inercia de cada cilindro es
la.cyl.= i"<d;+dr>
0.00
;17
[(3)2 + (1)2) 0.003 96 lb . 52 . pulg
La masa del prisma central es
nIp,
=
ab;w=
0.75(1)��(0.260) =
0.00657 lb . s2/pulg
Luego, el momento de jnercia del prisma en torno a su centro de masa es
m 0.00657
la.p, =
12
(b2+el) = -
1
- +(3?1 = 0.005 48 lb . 52 • pulg
Al aplicar la fórmula de transferencia, se obtiene finalmente
1, = le.eyl+(la.eyl+lTI,;,yld�yl)+(la.p,+fflprd�,)
= 0.003 96 + [0.003 96+(0.003 l7)(l6fJ + [0.005 48 + (0.00657)(8)2]
1.25 lb . 52 . pulg Resp.
134 FUERZAS DE INERCIA Y PRINCIPIO DE D'ALEMBERT
Considérese un cuerpo rígido en movimiento de masa m que recibe la acción de
cualquier sistema de fuerzas, por ejemplo, F" F2 Y F3, como se ilustra en la figura](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-469-2048.jpg)
![470 TEORÍA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
Las dos fuerzas de inercia son
y
-m3AG:J
l.i�2)
/-73.2 + 180" -0.070{ + 0.233j kN
5(104) A '
-m4Aa,=
1000
/233 lsoo=0.313i+0.415jkN
Por supuesto, Fe= -0.8j kN. Se necesitan los siguientes vectores de posición (véase la Fig.
13-16; nótese que las dimensiones están en milimetros):
RA 60� -25.41 + 54.4j
RG:JA = 90/48.7°=59.41 + 67.6j
RBA=220/18.7° = 2081 + 70.5j
RB 150/56.4° = 83.0{ + 125j
Ro,=90/20.4° 84.41 + 31.4]
Re =120/5 1°=1201 + 10.7j
El análisis se principia con el eslabón 4 y se determinan las fuerzas F. Éstas se deben a Fe Y
-m.AG, haciendo caso omiso de los efectos de -mlAG, Y -[¡al. Si se toman momentos en torno
a 04, se obtiene la ecuación
Se encuentra que los tres primeros términos son
Ro,o, x (-m.Aa.) 25.2k
-1.ex. = -0.054( -625k) = 33.8k
Reo. x Fe = -95.6k
La fuerza Fl4 tiene la misma dirección que el eslabón 3; de donde
Entonces
F;" F;..lJt8.7°=(0.9471+0.32Ij)F�
RBo,xF}. -91.7F�
(1)
Ahora se deben sustituir estos cuatro términos en la (1). Después de resolverla, se encuentra que
F�=-0.400 kN. Por tanto,
F� -0.400/18.7° -0.378f -0.128j = 0.400[198.7° kN
A continuación, al sumar las fuerzas sobre el eslabón 4 se obtiene la ecuación
Ahora se conocen todos los términos, excepto Fí•. Después de resolver, se encuentra
Fí. 0.06551 + 0.513j 0.517/82.7° kN
(2)
Pasando al eslabÓn 3, se supone que las fuerzas F' se deben únicamente a -mlAo,. Por tanto,
se hace caso omiso de los efectos de Fe, -14a, y ·-m.Ao. Al tomar momentos en torno a A se ob
tiene
(3)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-486-2048.jpg)
![474 TEORíA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
catetos de un triángulo rectángulo en donde se toma a rj como la hipotenusa
y a 05 como uno de los ángulos. Si el problema se está resolviendo en calcula
dora. úsese la tecla de conversión polar-rectangular para obtener 85 y rj.
Paso 2. Resuélvase la ecuación (3), !/I cos-'[(d + rJ - d)/2r3rS].
Paso 3. Resuélvase la ecuación (4), Á = cos-1 [(rs - r3 cos !/I)/r4]; la ecuación (5) ,
8" = 8s - Á. y 83 = !/I + 85 180.
Paso 4. Resuélvase la ecuación (6), ú13 = [r2w2 sen(02 - (4)J/[r3sen (84 - (3)].
Paso 5. Resuélvase de la ecuación (7), W4 [r2w2sen(82 - (3)]/[r4sen (94 - (3)].
Paso 6. Resuélvase la ecuación (8) , a3 [r2w� cos (92 - (4) + r3w5 cos (93 - (4)
- r4w¡]! [r3 sen(84- (3)],
Paso 7. Resuélvase la ecuación (9) a4 = [r2w� cos (82 - (3) - r4w¡ cos (03 - (4)
+ r3Wm fr4sen (84 - (3)].
Paso 8. Resuélvase la ecuación (lO) , AbJ = r2w� cos (02 + 180) + Ra,Aa3 cos (83 + a
+ 90) + RGJAW� cos(63 + a + 180).
Paso 9. Resuélvase la ecuación (11), A� = r2w� sen( 82 + 180) + �Aa3 sen(63 + a
+ 90) + R�AW� sen (63 + a + 180).
Paso 10. Resuélvase la ecuación (12), Abó = Ro4a4 cos (64 + (3 + 90) + Ro
.w¡ COS
(84+ (3 + 180).
Paso 11. Resuélvase la ecuación (13), A�4 = R04a" sen(84 + (3 + 90) + R04Wa sen(84
+ (3 + 180).
Este paso pone fin al análisis cinemático.
Paso 12. Resuélvase la ecuación (14), IF�I = /I (A x B)IIIRB x F�I, en donde
I (A x B) = RG4 x m.AG4- RD x FD + 14et4, y F� = cos 831 + senO)J.
Paso 13. Resuélvase la ecuación (15), F�4 = -F� + m.Ao4 - F1)o
Paso 14. Resuélvase la ecuación (16), IF�I = II (A x B)I!/RBA x F�I. en donde
I lA X B) = �A x (-m3A� + RcA x Fc 13et) y F� cos 9.1 + sen84j.
Paso 15. Resuélvase la ecuación (17), F� = F� cos lh + F� cos 8•. F� F� sen (h
+ F� sen 84; Eq. (l8), Fi4 = -F� COS 83 - F� cos 84, Fi. -F� sen (h
F� sen8•.
Paso 16. Resuélvase la ecuación (19), F23 -Fe + m3Aa, - F43•
Paso 17. Resuélvase la ecuación (20), T2 = r2 x F23•
Paso 18. Resuélvase la ecuación (21), 62 = (h + Ll62, Y regrésese al paso 1.
PROBLEMAS
13-1 La palanca angular de acero que se ilustra en la figura se usa como un seguidor oscilante para leva.
Hállase el momento de inercia de la masa de la palanca en tomo al eje que pasa por O. Úsese w
O.282 1b/pulgl como peso unitario del acero.
13-2 Una barra .de acero de 5 por-50 por 300 mm tiene dos discos de acero redondos cada uno con 50
mm de diámetro y 20 mm de longitud, soldados en uno de los extremos, como se indica. Se hace una](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-490-2048.jpg)
![DINÁMICA DE LOS MOTORES DE PISTONES 493
Haciendo las derivadas sucesivas para obtener la velocidad y la aceleración se ob
tiene
x=::;-rCtJ(senCtJt + ;, sen 2CtJt ) (14-10)
.i =-ra(senCtJt + �sen2CtJt)- rCtJ2(COS CtJt + Ícos 2CtJt) (14-11)
Con referencia una vez más a la figura 14-13, se designa un vector fuerza de
los gases como P, se define, o se obtiene, utilizando los métodos de la sección 14-2.
Las reacciones debidas a esta fuerza se designan con un solo apóstrofo; de donde
Fí4 es la fuerza de la pared del cilindro que actúa contra el pistón. F34es la fuerza
de la biela que actúa contra el pistón en su pasador. El poligono de fuerzas de la
figura 14-13 muestra la relación entre P, Fí4. Y F34. Por consiguiente, se tiene
Fí4 = P tan <b J (14-12)
La cantidad tan <b aparece con frecuencia en las expresiones de este capítulo;
por tanto, resulta conveniente desarrollar una expresión en términos del ángulo
de la manivela CtJt. En consecuencia,
tan <b =::;
senCtJt
cos <b
(r/l) senCtJt
y1 - [(rll) senCtJt]2
Ahora, aplicando una vez más el teorema del binomio, se encuentra que
1
= 1 + � sen2 CtJt
v'1- [(r/l) sen CtJt]2 2[2
(d)
(e)
en donde sólo se han conservado los dos primeros términos. La ecuación (d) se
convierte ahora en
r
( ,2 2
)
tan <b
T
senCtJt 1 +
2P
sen CtJt ' (14-13)
La trigonometría de la figura 14-13 muestra que la fuerza en el cojinete del
pasador de articulación (pasador del pistón) tiene una magnitud de
F34=�=
p
cos <b Yl- [(rll) senCtJt]2
o bien, en notación vectorial.
F34=pi - F4J =::; pi- P tan <b J
(f)
(14-14)
Si se toman momentos en torno al centro de la manivela, se encuentra que el
momento de torsión Tíl entregado por la manivela al eje es el producto de la fuer-](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-509-2048.jpg)
![DINAMICA DE LOS MOTORES DE PISTONES 495
manivela y el pasador de articulación, y su movimiento es más complicado y, por
ende, más difícil de determinar en forma algebraica.
Se supone que la masa de la biela m] está concentrada en el centro de gravedad
G3• Esta masa se divide en dos partes; una de ellas, m3B. se concentra entonces en
el pasador de articulación B; la otra, m3P, se concentra en el centro depercusión P
para la oscilación de la biela en torno a B. Esta disposición de la masa de la biela
es dinámicamente equivalente a la biela original, si la masa total es la misma, si la
posición del centro de gravedad 03 se mantiene invariable y si el momento de iner
cia no cambia. Al escribir estas tres condiciones, respectivamente, en forma de
ecuación produce
m3BlB == m3plp
la = m3Bn + m3pl�
(a)
(b'
(e)
Al resolver simultáneamente las ecuaciones (a) y (b) da la porción de la masa que
se debe concentrar en cada punto.
Después de sustituir las ecuaciones (14-16) en la (e), da
l
lp 12 lB [2 [ I
G= m] lB + lp
B + m3lB + lp
p = m] ¡>lB (d)
o bien, (14-17)
La (14-17) muestra que las dos distancias lp y lB son mutuamente dependientes.
Por tanto, si se especifica lB por adelantado, la longitud de 'p queda fija mediante
la (14-17).
En la biela común, el centro de percusión está cerca del pasador de la manivela
y se supone que son coincidentes. Por tanto, haciendo que lA =
[p, las (14-16) se
reducen a
(14-18)
Se observa una vez más que las masas equivalentes, obtenidas por las ecuaciones
(14-18), no son exactas debido a la suposición hecha; pero son bastante aproxi
madas para las bielas comunes. Por ejemplo, la aproximación no es válida para la
biela maestra de un motor radial, porque el extremo del pasador de la manivela
tiene cojinetes para todas las otras bielas, así como su propio cojinete.
Para los fines de estimación y verificación, aproximadamente dos tercios de la
masa deben concentrarse en A y la porción restante en B.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-511-2048.jpg)
![498 TEORlA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
Figura 14-17
Se acostumbra referirse a la porción de la fuerza que ocurre a la frecuencia angular
w rad/s, como lafuerza de inercia primaria, y a la porción que ocurre a 2 w rad/s,
como la fuerza de inercia secundaria. Se observa que la componente vertical sólo
tiene una parte primaria y que, por tanto, varia directamente con la velocidad del
cigüefial. Por otro lado, la componente horizontal, que se encuentra en la direc
ción del eje del cilindro, posee una parte primaria que varía directamente con la
velocidad del cigüefial, y una parte secundaria que se desplaza al doble de la ve
locidad del cigüefial.
Ahora se procederá a una determinación del momento de torsión de inercia.
Como se muestra en la figura 14-17, la fuerza de inercia debida a la masa en A no
tiene brazo de momento en torno a O2 y, por ende, no produce momento de tor
sión. Como consecuencia, sólo es necesario considerar la fuerza de inercia dada
por la (14-27), debida a la porción con movimiento alternativo de la masa. Par
tiendo del polígono de fuerzas de lá figura 14-17, el momento de torsión de inercia
ejercido por el motor sobre el cigüefial es
(b)
En la sección 14-4 aparecen expresiones para x, i, y tan</>. Después de hacer las
sustituciones apropiadas por estas cantidades, se obtiene 10 siguiente para el
momento de torsión:
T�l - mBrw2(cos wt + Ícos 2wt)
[1 �;+ r(coswt + :/ cos 2wt)] Ísenwt(1 + ;;2sen2 wt)k (c)
Se pueden despreciar los términos que son proporcionales a la segunda potencia o
potencias superiores de r/[ al efectuar ía multiplicación indicada. Entonces la (c) se
puede escribir
T"
21
1 -
(r 3r
)A
-mBr w" senwt
21
+ cos wt +
2
/ cos 2wt k (d)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-514-2048.jpg)
![DINÁMICA DE LOS MOTORES DE PISTONES 503
que F�'q sea cero. Por ende, existe la fuerza en el pasador de la manivela, ya sea que
la masa giratoria de la biela esté equilibrada o no. E�!� fuerza es
(14-39)
El último paso es sumar estas expresiones para obtener las cargas resultantes
sobre el cojinete. Por ejemplo, la fuerza total del pistón contra la pared del cilin
dro se encuentra sumando las ecuaciones (14-12), (14-31) Y (14-35), considerando
debidamente los subíndices y los signos. Cuando se simplifica, la respuesta es
(14-40)
Las fuerzas sobre el pasador del pistón, el pasador de la manivela y el cigüefíal se
encuentran en forma similar, y son
F34 = (m� + p)i [(m3 B+ m4)x + P] tan <f> j
F32= [m3Ara/ cos wt - (m3B+ m4)x -p]i
+ {m3Arw
2
sen wt + [(m3B + m4}x + P] tan <f>}j
F21 = F32
14-8 MOMENTO DE TORSIÓN DEL CIGUEÑAL
(14-41)
(14-42)
(14-43)
El momento de torsión entregado por el cigüefíal a la carga recibe el nombre de
momento de torsi6n opar motor, del cigüeñal y es el negativo del momento del par
formado por las fuerzas F41 y F21. Por tanto, se obtiene a partir de la ecuación
(14-44)
14-9 F UERZAS DE SACUDIMIENTO DEL MOTOR
En la figura 14-21a se muestra la fuerza de inercia debida a las masas con mo
vimiento alternativo actuando en la dirección positiva. En la figura 14-21b se
sefialan las fuerzas que actúan sobre el bloque del motor debido a estas fuerzas de
inercia. Las fuerzas resultantes son F2h la ejercida por el cigüefial sobre los coji
netes principales, y un par positivo formado por F41 y F�l' La fuerza F;, = -mBAB
se denomina con frecuencia fuerza de sacudimiento, y el par T = XF41 par de sa
cudimiento. Como lo indican las ecuaciones (14-27) y (14-30), la magnitud y direc
ción de esta fuerza y el par cambian con wt; en consecuencia, la fuerza de sacu
dimiento induce una vibración lineal del bloque en la dIrección x, y el par de sa
cudimiento, una vibración de torsión del bloque en torno al centro del cigüefial.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-519-2048.jpg)
![m3 = 10kg
Figura 15-11
F,=m,r¡w2=1 2(0.2)(78.5)2(10)-
3
14.8 kN
F2= m
2
r
2
w2= 3(0.3)(78.5)2(10)-
3
5.55 kN
F3=m3r3w2=10(0.15)(78.5)2(10)-3 9.24 kN
En forma vectorial, estas fuerzas son
FJ =14.8/0°=14.81 F2=5.55� -3.921 + 3.92j
Fl=9.2
4/-150" -8.001 4.621
BALANCEO 521
Para hallar la reacción en el cojinete en B, se toman momentos en torno al cojinete en A. Esta
ecuación se escribe
L MA =O.3k x [(l4.8b + (-3.921 + 3.92j) + (-8.001-4.62j)] +O.5k x Fa=O
Al tomar los productos vectoriales y reordenar da
O.5k X Fa =-0.211-O.864j
Cuando se resuelve esta ecuación para Fa, se obtiene
Fa =1.731 +0.42j y FB 1.78 kN Resp.
Se puede encontrar la reacción en A sumando las fuerzas. De donde,
y
FA=-F¡- F¡ F3 Fa
=-14.81 - (-3.921+3.92j)- (-8.001-4.621> -(1.731 +0.42j)
=-4.61 1 +0.281
FA =4.62 kN Resp.
b) Sea Fe la fuerza correctora. Entonces , para tener reacciones cero en los cojinetes,
Por lo tanto Fe=-14.81 - (-3.921 + 3.92]) - (-8.001 -4.621>
=-2.881 +0.71 2.96/166' kN](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-537-2048.jpg)
![538 TEORíA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
balanceo que se produce a lo largo del eje del cilindro será la suma de las tres úl
timas entradas. Del mismo modo, el único desbalanceo a través del eje del cilindro
será el valor en el cuarto renglón. Se pueden predeterminar los valores máximos
del desbalanceo en estas dos direcciones, en cualquier razón deseada entre sí, como
se indicó con anterioridad, y obtenerse una solución para mBC en el radio rc.
Si se utiliza este método para incluir el efecto de la cuarta armónica, se tendrá
una masa adicional de mBr3/1613 con movimiento alternativo a una velocidad de
2w, y una masa de -mBrJ/6413 con movimiento alternativo a una velocidad de 4w,
ilustrando la importancia decreciente de las armónicas superiores.
15-10 BALANCEO DE MOTORES CON
VARIOS CILINDROS
Para lograr una comprensión básica del problema de balanceo en motores con
varios cilindros, consideremos un motor de dos cilindros en línea cuyas manivelas
tienen una separación de 1800 y las partes giratorias ya balanceadas mediante con
trapesos. Este tipo de motor aparece ilustrado en la figura 1 5-22. Al aplicar el
método de la masa imaginaria para las primeras armónicas se obtiene el diagrama
de la figura 15-22a. En ella se muestra que las masas + 1 Y + 2, que giran en el
mismo sentido del movimiento de manecillas del reloj, se balancean entre sí, como
lo hacen las masas - ] y -2, que giran en sentido opuesto al movimiento de las
manecillas del reloj . Por consiguiente, las fuerzas de las primeras armónicas están
inherentemente balanceadas para esta disposición de la manivela. Sin embargo, en
la figura 1 5-22b se muestra que estas fuerzas no están en el mismo plano. Por esta
x
íI
----+--y
(al
z
íbl
Figura 15-22 a) Primeras ar
mónicas; b) cigüefíal de dos codos
con tres cojinetes principales.](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-554-2048.jpg)
![S46 TEORíA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS
(i)
Pero la (h) se puede simplificar localizando G3 respecto al punto B, en lugar de
hacerlo en relación con el punto A (Fig. 1 5-27). Así, pues,
Con esta sustitución, la ecuación (h) se convierte en
(j)
Se deben satisfacer las ecuaciones (1) y (¡) para obtener el balance total de las fuer
zas. Estas ecuaciones conducen a los dos conjuntos de condiciones:
, r2
y tP2 = tP3
m2a2 = m3a3 -
r3
( 15-17)
r4
m4a4 == m3a3 - Y tP4 == tP3 + 7T
r3
Un estudio de estas condiciones mostrará que se pueden especificar de antemano la
masa y su ubicación para cualquier eslabón individual; y luego se puede obtener el
balance completo reacomodando la masa de los otros dos eslabones.
El problema usual en el balanceo de un eslabonamiento de cuatro barras es que
las longitudes de los eslabones r¡ se especifican con anticipación en términos de la
función por efectuarse. Para esta situación, se pueden agregar contrapesos a los
eslabones de entrada y salida, con el objeto de redistribuir sus masas, en tanto que
no se altera la geometría del tercer eslabón móviL
Cuando se agregan contrapesos se deben satisfacer las siguientes relaciones:
/ ..#.. o O / ..#.. Q * * /..#.. *
m¡a¡&== m ¡a¡ !..ti + m ¡ a¡ t..Y.L ( 15-1 8)
en donde m�, a?, tP? son los parámetros del eslabonamiento no balanceado, m r,
ar, ep r son los parámetros del contrapeso y mi, a¡, tP¡ son los parámetros que se
obtienen de las ecuaciones ( 15-17). Una segunda condición que es preciso satisfacer
en general es
m¡ = m? + mr ( 15-19)
Si la solución para un problema de balanceo puede permanecer como el producto
masa-distancia mtar, no es necesario usar la ecuación (15-19), y se puede resolver
la (15-18) para llegar a
m rar = Y(m¡a¡)2+ (m?a?)2 - 2(m¡a¡)m?a?)[cos (Q>¡ - tP?)]
<pr = tan
- 1 m¡a¡ senepi - f!l�a sen Q>?o
mja¡ cos Q>¡ m ¡.el COS epi
(15-20)
(15-21)](https://image.slidesharecdn.com/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-230928145126-4384f938/75/teoria-de-maquinas-y-mecanismos-joseph-edard-shigley-pdf-562-2048.jpg)
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- 5. TRADUCCION: Jng. Hortensia C.de Contin Universidad de Berkeley REVISION TÉCNICA: José H. Pérez Castellanos Ingeniero Industrial Profesor Titular en la ESIME, I.P.N. TEORíA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS Joseph Edward Shigley Professor Emerítus of Mechanícal Engineering The University of Michigan McGRAW-HILL John Joseph Uicker Jr. Professor of Mechanical Engineering University of Wisconsin, Madison MÉXICO - BUENOS AIRES - CARACAS - GUATEMALA -USBOA. MAORIO_ NUEVA YORK SAN JUAN_ SANTAFÉ DE BOGOTÁ_ SANTIAGO_ sAo PAULO. AUCKLAND LONDRES. MILÁN. MONTREAle NUEVA DElHI_ SAN FRANCISCO_ SINGAPUR STo LOUIS. SIDNEY _ TORONTO
- 6. 71(,'0 TEORIA DE MAaUINASy MECANISMOS Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio. sin autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 1988. respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE MEXICO, S.A. DE C.V. Atlacomulco 499-501, Fracc. Industrial San Andrés Atoto 53500 Naucalpan de Juárez. Edo. de México Miembro de la Cámara Nacional de la IndustriaEditorial. Reg. Núm. 1890 ISBN 968·451·297·X Traducido de la primera edición en inglés de THEORY OF MACHINES ANO MECHANISMS Copyrigth © MCMLXXX, by McGraw-Hil l Book Co., U. S. A. ISBN 0-07-056884-7 22013456789 F.I.-82 Impreso en México Esta obra se termin6 de imprimir en Enero del 2001 en Litográfica ingramex Centeno Núm. 162-1 Col. Granjas Esmeralda Delegación Iztapalapa 09810 México, O_F. Se tiraron 1.000 ejemplares 09876543201 Printed in Mexico
- 7. Capítulo 1 Capítulo 2 Capítulo3 CONTENIDO Prefacio Geometria del movimiento 1-1 introducción 1-2 Análisis y sintesis 1-3 Ciencia de la mecánica 1-4 rerminología. definiciones e hipótesis 1-5 Mecanismos planos esféricos y espaciales 1-6 Movilidad 1-7 Inversi4m cinemática 1-8 Ley de Grashof 1-9 Ventaja mecánica 1-10 Curvas del acoplador 1-11 Mecanismos de linea recta 1-12 Mecanismos de retorno rápido Posición y desplazamiento 2-1 Sistemas de coordenadas 2-2 Posición de un punto 2-3 Diferencia de posición entre dos puntos 2-4 Posición aparente de un punto 2-5 Posición absoluta de un punto 2-6 Ecuación de cierre del circuito 2-7 Análisis gráfico de la posició.n mecanismos planos 2-8 Soluciones de álgebra compleja de ecuaciones vectoriales en el plano 2-9 Soluciones de Chace para ecuaciones vectoriales en el plano 2-10 Análisis algebraico de la posición de eslabonamientos planos 2-11 Desplazamiento de un punto en movimiento 2-12 Diferencia de desplazamientos entre dos puntos 2-13 Rotación y translación 2-140 Desplazamiento aparente 2-15 Desplazamiento absoluto Velocidad 3-1 Definición de velocidad 3-2 Rotación de un cuerpo rigido 3-3 Diferencia de velocidades entre puntos del mismo cuerpo rlgido 3-4 Análisis gráfico de la velocidad; poligonos de velocidades 3-5 Velocidadaparente de un punto en un sistema de coordenadas en Xl 29 74
- 8. VI CO:'llU::'IilDO Capítulo 4 Capítulo5 Capitulo 6 Capítulo 7 movimiento 3-6 Velocidad angular aparente 3-7 Contacto directo y contacto por rodadura 3-8 Análisis de la velocidad utilizando álgebra compleja 3-9 Análisis de la velocidad mediante álgebra vectorial 3-10 Centro instantáneo de velocidad 3-11 Teorema de Aronhold-Kennedy de los tres centros 3-12 Localización de centros instantáneos de velocidad 3-13 Análisis de la velocidad usando centros instantáneos 3-14 Teorema de la razón de velocidades angulares 3-15 Teorema de Freudenstein 3-16 Índices de mérito; v entaja mecánica 3-17 Centrodas Aceleración 4-1 Definición de aceleración 4-2 Aceleración angular de un cuerpo rígido 4-3 Diferencia de aceleraciones entre puntos de un cuerpo rígido 4-4 Análisis gráfico de la aceleración; polígonos de aceleraciones 4-5 Aceleración aparente de un punto en un sistema de coordenadas en movimiento 4-6 Aceleración angular aparente 4-7 Contacto directo y contacto por rodadura 4-8 Métodos analíticos del análisis de la aceleración 4-9 Centro instantáneo de aceleración 4-10 Ecuaciones de Euler-Savary 4-11 Construcciones de Bobillier 4-12 Cúbica de curvatura estacionaria Métodos numéricos en el análisis cinemático 5-1 Introducción 5-2 Programación de una calculadora electrónica 5-3 Programación de las ecuaciones de Chace 5-4 Un programa de computadora para mecanismos planos 5-5 Programas generalizados para análisis de mecanismos Disefio de levas 6-1 Clasificación de las levas y los seguidores 6-2 Diagramas desplazamientos 6-3 Diseño gráfico de perfiles de levas 6-4 Derivadas del movimiento del seguidor 6-5 Levas de gran velocidad 6-6 Movimientos estándar de las levas 6-7 Igualación de las derivadas de los diagramas de desplazamientos 6-8 Diseño polinomial de levas 6-9 Leva de placa con seguidor oscilante de cara plana 6-10 Leva de placa con seguidor oscilante con rodillo Engranes rectos o cilíndricos 7-1 Terminología y definiciones 7-2 Ley fundamental del engranaje 7-3 Propiedades de l:¡ involuta 7-4 Engranes intercambiables; Normas AGMA 7-5 Fundamentos de la acción de los dientes de engranes 7-6 Formación de los dientes de engranes 7-7 Interferencia y socavación 7-8 Razón de contacto 7-9 Variaci6n de la distancia entre centros 7-10 Involuciones 7-11 Dientes no estándar de engranes 7-12 El perfIl cicloidal 130 178 204 258
- 9. CONTENIDO VII Capitulo 8Engranes helicoidales, de gusano y cónicos 300 8-1 Engranes helicoidales de ejes paralelos 8-2 Relaciones entre los dientes de engranes helicoidales 8-3 8-3 Proporciones de los dientes en los engranes helicoidales 8-4 Contacto de los dientes en los engranes helicoidales 8-5 Engranes de espina de pescado 8-6 Engranes helicoidales de ejes cruzados 8-7 Engranaje de gusano 8-8 Engranes cónicos de dientes rectos 8-9 Proporciones de los dientes en los engranes cónicos 8-10 -8-10 Corona dentada y engranes de cara 8-11 Engranes cónicos espirales 8-12 Engranes hípoidales Capítulo 9 Trenes de mecanismos 325 9-1 Trenes de engranes de ejes paralelos y definiciones 9-2 Ejemplos de trenes de engranes 9-3 Determinación del número de dientes 9-4 Trenes de engranes epicíclicos 9-5 Trenes epicíclicos de engranes cónicos 9-6 Solución de trenes planetarios mediante fórmula 9-7 Análisis tabular de trenes planetarios 9-8 Diferenciales Capítulo 10 Síntesis de eslabonamientos 343 10- 1 Sintesis del tipo, del número y dimensional 10-2 Generación de la función, generación de la trayectoria y guia del cuerpo 10-3 Posiciones de presición; espaciamiento de Chebychev 10-4 Síntesis de posición del mecanismo general de corredera y ma- nivela 10-5 Síntesis de mecanismos de manivela y oscilador 10-6 Mecanismos de manivela-oscilador con ángulo óptimo de transmisión 10-7 Síntesis de tres posiciones 10-8 Reducción de la posición del punto; cuatro puntos de presición 10-9 Método de la figura sobrepuesta 10-10 Síntesis de la curva del acoplador 10- 11 Eslabonamientos afines; teorema de Roberts-Chebychev 10-12 Síntesis analítica utilizando álgebra compleja 10-13 Ecuación de Freudenstein 10-14 Sintesís de los mecanismos de dretención 10-15 Movimiento rotatorio intermitente Capítulo 11 Mecanismos espaciales 382 11-1 Introducción a los eslabonamientos espaciales 11-2 Mecanismos especiales 11-3 Problemas de la posición 1 1-4 Análisis de la posición del mecanismo RGGR 11-5 Análisi de la velocidad y la aceleración del eslabonamiento RGGR 11-6 Ángulos eulerianos 11-7 Un teorema sobre velocidades y aceleraciones angulares 11-8 Articulación universal de Hooke Capítulo 12 Fuerzas estáticas 409 12-1 Introducción 12-2 Sistemas de unidades 12-3 Fuerzas aplicadas y de restricción 12-4 Condiciones para el equilibrio
- 10. VIII CONTENIDO 12-5 Diagramasde cuerpo libre 12-6 Programas del cálculo 12-7 Elementos de dos y tres fuerzas 12-8 Elementos de cuatro fuerzas 12-9 Análisis de fuerzas en engranes rectos y helicoidales 12-10 Engranes cónicos rectos 12-11 Modelos de fuerza de fricci6n 12-12 Análisis de fuerzas estáticas con fricción Capítulo 13 Fuerzas dinámicas 13-1 Análisis de fuerzas en cuerpos rigidos y elásticos 13-2 Centroides y centros de masa 13-3 Momento de inercia 13-4 Fuerzas de inerci3. y el principiO de D'Alembert 13-5 Principio de superposición 13-6 Un ejemplo de análisis gráfico 13-7 Rotación alrededor de un centro fijo 13-8 Medición del momento de inercia 13-9 Análisis de un mecanismo de cuatro barras _ 13-10 Fuerzas y momentos de sacudimiento 13-11 Análisis .por computadora Capítulo 14 Dinámica de los motores de pistones 14-1 Tipos de motores 14-2 Diagramas del indicador 14-3 Análisis dinámico; generalidades 14-4 Fuerzas de los gases 14-5 Masas equivalentes 14-6 Fuerzas de inercia14-7 Cargas sobre los cojinetel', en el motor de un solo cilindro 14-8 Momento de torsión del cigüeñal 14-9 Fuerzas de sacudimiento del motor 14- 14-10 Sugerenéias acerca de los cálculos de maquinas por computadora Capítulo 15 Balanceo 15-1 Desbalanceo estático 15-2 Ecuación del movimiento 15-3 Máquinas de balanceo estático 15-4 Desbalanceo dinámico 15-5 Análisis del desbalanceo 15-6 Balanceo dinámico 15-7 Balanceo .¡;le máquinas 15-8 Balanceo de campo con la calculadora programable 15-9 Balanceo del motor de un solo cilindro 15-10 Balan�eo de motores con varios cilindros 15-11 Balanceo de eslabonamientos 15-12 Balanceo de máquinas Capítulo 16 Dinámica de las levas 16-1 Sistemas de levas de cuerpos rígidos y elásticos 16-2 Análisis de una leva excéntrica 16-3 Efecto de la fricción de deslizamiento 16-4 Análisis de una leva de disco con seguidor oscilante de rodillo 16-5 Programación para soluciones en computadora o calculadora 16-6 Análisis de sistemas elásticos de levas 16-7 Desbalanceo, sobretensión del resorte y arrollado Capítulo 17 Dinámica de máquinas 17-1 Volantes 17-2 Giróscopos 17-3 Reguladores automáticos 17-4 Medición de la respuesta dinámica 17-5 Cimentaciones para máquinas 448 480 509 554 571
- 11. CONTENIDO IX Respuestas deproblemas selectos 590 Apéndice 595 Tabla ¡ Prefijos estándar del SI Tabla 2 Conversión de unidades usuales en E.U. a unidades del SI Tabla 3 Conversión de unidades usuales en E.U. a unidades del SI Tabla 4 Propiedades de áreas Tabla 5 Momentos de inercia de masas Tabla 6 Funciones de ¡nvoíuta Índice 603
- 13. PREFACIO El propósito deeste libro es presentar una exposición que abarque ese campo de la teoría, el análisis, el diseño y la práctica de la ingeniería que generalmente se describe bajo el encabezado de mecanismos y cinemática y dinámica de máquinas. Aunque esta obra se escribió primordialmente para estudiantes de in geniería, contiene mucho material de gran valor para ingenieros que ya ejercen su profesión. Después de todo, un buen ingeniero sabe que seguirá siendo un estudiante en todo el desarrollo de su carrera profesional. El crecimiento continuo e impresionante de los conocimientos sobre ci nemática y dinámica de las máquinas en la década pasada ha venido a reforzar el programa de estudios de ingeniería en muchas escuelas mediante la substi tución de temas más débiles con éstos más sobresalientes, y generó la necesidad de un libro de texto para satisfacer los requisitos de estas nuevas estructuras de cursos. Gran parte de estos conocimientos nuevos existe en una amplia variedad de publicaciones técnicas, en las que aparecen con su singular lenguaje y no menclatura propios, requiriendo cada uno de ellos de conocimientos previos para su comprensión. Se pueden usar estas contribuciones individuales para reforzar la estructura del curso de ingeniería, proporcionando los fundamentos necesarios y estableciendo una notación y nomenclatura comunes. Estos nuevos desarrollos se pueden integrar después al cuerpo de conocimientos ya existente, con el propósito de ofrecer un estudio lógico, moderno y de mayor extensión. En resumen, este es el objetivo de la presente obra. Con el fin de desarrollar una comprensión amplia y básica, se emplean todos los métodos de análisis y desarrollos comunes a las publicaciones aso ciadas con el tema. Hemos utilizado con amplitud los métodos gráficos de análisis y síntesis en todo el libro porque estamos convencidos de que el cálculo gráfico es básico y fácil de ensefíar. Además. casi siempre resulta el método más rápido para verificar los resultados del cálculo de máquinas. También s usan el análisis vectorial convencional y el método de Chase del análisis vectorial, en razón de su brevedad, porque se emplean con gran frecuencia en mucha" publicaciones de investigación y debido a que se prestan enormemente para
- 14. XII programar los análisisen computadora. Por las mismas razones, se usa el método de Raven, sobre todo en los capítulos básicos. Por último, en toda la obra se usan de manera irrestricfa los métodos de números complejos, tanto polares como rectangulares, al igual que los algebraicos. Con ciertas excepciones, nos hemos esforzado por usar unidades inglesas y del SI en casi la misma proporción. El Sistema Internacional de Unidades (SI) se presenta y utiliza en este libro obedeciendo las reglas y las recomendaciones sugeridas en la publicación especial 330 de la Oficina Nacional de Estándares (National Bureau of Standards), revisada en agosto de 1977. Uno de los dilemas a los que se enfrentan todos los escritores de este tema es la manera de distinguir entre el movimiento de dos puntos distintos sobre el mismo cuerpo en movimiento, y el de dos puntos diferentes sobre dos cuerpos móviles. Este dilema se presenta siempre con el problema del punto coincidente en el que ocurren ambas clases de movimiento. En el pasado se acostumbraba describir a los dos movimientos como "movimiento relativo"; pero en vista de que existen dos clases, al estudiante le resulta difícil establecer una diferencia clara entre ambos. Creemos que este problema ha quedado resuelto introducien do los términos diferencia de movimientos y movimiento aparente. Por ende, el libro contiene, por ejemplo, los términos diferencia de velocidades y velocidad aparente en lugar del término "velocidad relativa" que no se encontrará en ab soluto. Este planteamiento se introdujo principiando con los conceptos de posición y desplazamiento, se usa en forma extensa en el capítulo que trata de la velocidad y se lleva a su culminación en el estudio del problema del punto coincidente, en el capítulo de la aceleración, en donde se presenta la componen te de Coriolis. El uso frecuente de los métodos de computación por medio de máquinas, sobre todo para los ingenieros en ejercicio, ha hecho necesaria la inclusión de un capítulo sobre métodos numéricos. Las computadoras caseras y de oficina tal,s como las calculadoras programables y las microcomputadoras son tan útiles para resolver ciclos completos de movimiento que su uso ya es muy di fundido. Además, los métodos de diseño computarizados con terminales de presentación gráfica que se utilizan en combinación con computadoras de gran capacidad, están demostrando tener un gran valor para la resolución de muchos problemas complejos del análisis y síntesis de mecanismos y máquinas. En este y otros capítulos del libro en Jos que se examinan métodos de análisis COn com putadora, tomamos precauciones especiales para evitar la presentación de programas y lenguajes de computadora específicos. La programación es un es fuerzo intrínsecamente individual y la mayoría de la.s sus propios programas empleando un lenguaje de computadora de su preferen cia. Por estas razones presentamos los pasos de programa necesarios para resol ver muchos problemas analíticos que ocurren a menudo, y se agregaron su gerencias que creemos serán de gran utilidad. Un método de esta íno....le no llegará a la bbsolescencia conforme las computadoras y los lenguajes usados en ellas sufran los cambios esperados.
- 15. XIII Los métodos dedisefio de levas necesarios para producir un movimiento especificado, y el comportamiento cinemática y dinámico de los sistemas de levas, se estudian en forma minuciosa aplicando métodos gráficos, analíticos y de computación en máquinas. También se presenta un nueva conjunto de gráficas par� el disefio de levas que acortan notablemente el tiempo requerido para el diseño cinemático. Además, los métodos de análisis dinámico usados facilitan, por ejemplo, la elección de un resorte de retención del seguidor para evitar que éste salte o se levante y para calcular las fuerzas sobre los cojinetes del eje de las levas y de contacto. El análisis cinemático y dinámico de los engranes y trenes de engranes se trata de una manera minuciosa. Las doce variaciones de Lévai y su notación, que se incluyen aquí, tienen una utilidad particular para el análisis de trenes planetarios. Las publicaciones de investigaciones referentes al disefio o la síntesis de eslabonamientos para fines específicos son tan numerosas que una persona requeriría muchos meses para compendiarlas todas. Creemos que el capítulo 10, Síntesis de eslabonamientos, contiene suficientes técnicas como para que cual quiera resuelva la mayor parte de los problemas de síntesis que se presentan en la ingeniería; se aplican tanto métodos gráficos como analíticos. Se analiza con amplitud la síntesis de posición y trayectoria de los mecanismos de corredera manivela y de manivela-oscilador. El capítulo sobre mecanismos espaciales contiene todo el material necesario para una introducción completa del tema y sus problemas. De hecho, los problemas tridimensionales constituyen una extensión natural y obvia para el lector, y no un caso especial. Se usan métodos gráficos y analíticos en el análisis cinemático de la posición, la velocidad y la aceleración en esta clase de mecanismos. Los dos capítulos que se ocupan del análisis de estática y dinámica de las fuerzas en sistemas de máquinas definen la terminología y los métodos em pleados en los capítúlos restantes de esta obra. Los métodos de computación, gráficos, vectoriales y de máquina, se aplican en proporciones más o menos i�uales. Estos capítulos incluyen material sobre el concepto de momento de inercia de una masa y su medición experimentat. Aunque la mayoría de los lec- ' tores ya habrán tenido previamente alguna introducción al concepto de momen to de inercia, la experiencia didáctica ha demostrado que es importante hacer hincapié en este tema durante el estudio de la dinámica. También es importante incluir material sobre la dinámica de los motores de pistones en el curso de un estudio de dinámica de las maquinarias. El mecanis mo de los motores es un ejemplo simple y apropiado acerca de la necesidad del análisis de las fuerzas sobre cojinetes y correderas, y la exigencia de balancear los sistemas de máquinas y sus componentes, así como de 'usar volantes en las máquinas. El estudio del balanceo se inicia con una explicación de las causas y los efectos de un desequilibrio rotatorio junto con un breVe análisis del balanceo de
- 16. XIV las máquinas. Elproblema del balanceo de campo de dos planos para rotores grandes se analiza detalladamente porque constituye un ejemplo excelente de problemas que pueden resolverse mediante una calculadora programable. El balanceo de motores de uno y varios cilindros se explica utilizando el método de masa imaginaria o rotor imaginario. El volumen de las publicaciones refe rentes al balanceo de eslabonamientos, como por ejemplo el mecanismo de cuatro barras, es tan grande que es difícil hacer una selección totalmente' satis factoria. Decidimos presentar el método de Berkof-Lowen para balancear eslabonamientos, en virtud de que es bastante general, completo y se puede aplicar a cualquier sistema de eslabonamiento y porque emplea los fundamentos que ya se introdujeron en el libro, El problema del balanceo de fuerzas de máquinas completas, así como el del momento de sacudimiento, se estudian también en el capítulo sobre balanceo. Nos sentimos profundamente agradecidos por la colaboración prestada por los profesores George N. Sandor de la Universidad de Florida, Sanjay G. Dhande de la misma universidad, Dennis A. Guenther de la Universidad Estatal de Ohio. Glenn C. Tolle de la Universidad A & M de Texas. Robert A. Lucas de la Universidad Lehigh, Edward N. Stevensen, Jr., de la Universidad de Hart ford y Robert J. Williams de la Universidad Estatal de Pennsylvania, durante la planeacíón y revisión de este libro, y por su asesoría en el manuscrito y bos quejo preliminares. Sus análisis críticos y comentarios cuidadosos nos ayudaron enormemente a organizar los métodos y el contenido de esta obra. El manuscrito final fue revisado con todo detalle por los profesores Robert W. Adamson de la Universidad Politécnica Estatal de California, Ferdinand Freudenstein de la Universidad de Columbia y Edward N. Stevensen, Jr., de la Universidad de Hartford. Nos sentimos sumamente reconocidos por el tiempo y esfuerzo invertidos por estas personas para ayudarnos a darle el toque final al manuscrito. Por último, deseamos expresar nuestra gratitud imperecedera a nuestra editora, Julienne V. Brown, porque el entusiasmo y la buena voluntad de esta dama que estuvo dispuesta siempre a recorrer la segunda milla para ayudarnos a resolver los problemas más dificiles, es algo que apreciamos sinceramente. foseph Edward Shigley fohn foseph Uicker, fr.
- 17. CAPiTULO UNO GEOMETRÍA DEL MOVIMIENTO 1-1INTRODUCCIÓN La teoría de los mecanismos y las máquinas es una ciencia aplicada que sirve para comprender las relaciones entre la geometría y los movimientos de las piezas de una máquina o un mecanismo, y las fuerzas que generan tales movimientos. El tema y, por ende, esta obra, se divide naturalmente en tres partes. Los capitulos 1 al 5 se refieren a la cinemática, que es el análisis de los movimientos de las piezas de las máquinas. Esto constituye la base para los capítulos 6 a 1 1 en donde se es tudian métodos de diseí'io de mecanismos y componentes de máquinas. Por último, los capitulos 12 a 17 se ocupan del estudio de la cinética, las fuerzas en las má quinas que varían en el tiempo y los fenómenos dinámicos resultantes que deben considerarse en su diseí'io. Como se ilustra en la figura 1-1, el diseí'io de una máquina moderna es a menudo muy complejo. Por ejemplo, para diseí'iar un nuevo motor, el ingeniero en automovilismo debe dar respuesta a muchas preguntas interrelacionadas. ¿Cuál es la relación entre el movimiento del pistón y el del cigüeí'ial? ¿Cuáles serán las velocidades de deslizamiento y las cargas en las superficies lubricadas y qué lu bricantes existen para este fin? ¿Qué cantidad de calor se generará y cómo se en friará el motor? ¿Cuáles son los requisitos de sincronización y control, y cómo se satisfarán? ¿Cuál será el costo para el consumidor, tanto por lo que respecta a la compra inicial como en lo referente al funcionamiento y mantenimiento conti nuos? ¿Qué materiales y métodos de fabricación se emplearán? ¿Qué economía de combustible se tendrá? ¿Cuál será el ruido y cuáles las emisiones de salida o es cape? ¿Satisfarán estos últimos los requisitos legales? Aunque éstas y muchas otras preguntas importantes se deben responder antes de que el diseí'io llegue a su etapa
- 18. 1 TEoRíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 1-1 Una grua flotante Figee con una pluma con configuración de lemniscata (B. V Ma chine-fabriek Figee. Haarlem, Holanda.) final, es obvio que no todo se puede incluir en un libro de esta magnitud. Así como es necesario reunir personas de las más diversas especialidades para producir un diseño adecuado, también es preciso hacer acopio de muchas ramas de la ciencia. Este libro reúne material perteneciente a la ciencia de la mecánica en lo que se refiere a su relación con el diseño de mecanismos y máquinas. 1-2 ANÁLISIS Y SíNTESIS El diseño y el análisis son dos aspectos completamente distintos en el estudio de los sistemas mecánicos. El concepto comprendido en el término "diseño" podría llamarse más correctamente sintesis, o sea, el proceso de idear un patrón o método para lograr un propósito dado. Diseño es el proceso de establecer tamaños, for mas, composiciones de los materiales y disposiciones de las piezas de tal modo que la máquina resultante desempeñe las tareas prescritas. Aunque existen muchas fases dentro del proceso del diseño que es factible plantear de un modo científico y bien ordenado, el proceso en conjunto es por su propia naturaleza, tanto un arte como una ciencia. Requiere imaginación, intui-
- 19. GEOMETRíA DEL MOVIMIENTO3 ción, creatividad, sentido común y experiencia. El papel de la ciencia dentro del proceso de disefio sirve sencillamente para proveer las herramientas que utilizarán los diseñadores para poner en práctica su arte. Es precisamente en el proceso de evaluación de varias alternativas interactuan tes que los diseñadores se enfrentan a la necesidad de un gran número de instru mentos matemáticos y científicos. Cuando éstos se aplican en forma correcta ofrecen información más exacta y digna de confianza para juzgar un disefio que se pueda lograr a través de la intuición o el cálculo. Por ende, suelen constituir un auxiliar extraordinario para decidir entre varias alternativas. Sin embargo, las herramientas cientificas no pueden tomar decisiones suplantando a los disefia dores; éstos tienen todo el derecho de poner en práctica su imaginación y capa cidad creativa, induso al grado de pasar por encima de las predicciones mate máticas. Es probable que el conjunto más abundante de métodos científicos de que dis pone el disefiador quede dentro de la categoría denominada análisis. Se trata de técnicas que permiten que el disefiador examine en forma critica un disefio ya exis tente o propuesto con el fin de determinar si es adecuado para el trabajo de que se trate. Por ende, el análisis, por si solo, no es una ciencia creativa sino más bien de evaluaciÓn y clasificación de cosas ya concebidas. Es preciso tener siempre en mente que aunque la mayor parte de los esfuerzos realizados se dediquen al análisis, la meta real es la síntesis, es decir, el diseño de una máquina o un sistema. El análisis es una simple herramienta y, sin embargo, es tan vital que se usará inevitablemente como uno de los pasos en el proceso de diseño. 1-3 CIENCIA DE LA MECÁNICA. Mecánica es la rama del análisis cientifico que se ocupa de. los movimientos, el tiempo y las fuerzas, y se divide en dos partes, estática y �inámica. La estática trata del análisis de sistemas estacionarios, es decir, de aquellos en que el tiempo no es un factor determinante. y la dinámica se refiere a los sistemas que cambian con el tiempo. Como se ilustra en la figura 1-2. la dinámica también está constituida por dos disciplinas generales que Euler fue el primero en reconocer como entidades se paradas, en 1775:t La investigación del movimiento dt. un cuerpo rigido se puede separar de manora conveniente en dos partes, una geométrica y la otra mecánica. En la primera de ellas, se debe investigar la.trans ferencia del cuerpo de una poskión dada a cualquier otra sin hacer mención de las cauSas del movimiento, y es preciso representarla mediante f6rmulas anaiticas, las que definirán la p'dIici6n t NOVl comment, Acall. Petrop., vol. lO, 177S; también en "1beoria motus corporum", 1790. La traducción fue realizada por Wilüs, "Principies of Mechanism", la. ed. p. viii, 1870.
- 20. 4 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Estática L Dirlámica ] �I Cinemática Cinéti��� Figura 1-2 de cada punto del cuerpo. Por lo tanto, esta investigación se referirá exclusivamente a la geo metria o, más bien, a la estereotomía. Es evidente que mediante la separación de esta parte de la cuestión, de la otra, que pertenece más bien a la Mecánica, la determinación del movimiento basada en principios dinámicos se facilitará de una manera más notable que si ambas partes se consideraran en forma conjunta. Estos dos aspectos de la dinámica se reconocieron posteriormente como las ciencias diferentes denominadas cinemática (del vocablo griego kinema, que sig nifica movimiento) y cinética que se ocupan, respectivamente, del movimiento y de las fuerzas que lo producen. El problema inicial en el diseño de un sistema mecánico es, por consiguiente, la comprensión de su cinemática. Cinemática es el estudio del movimiento, in dependientemente de las fuerzas que lo producen. De manera más especifica, la cinemática es el estudio de la posición, el desplazamiento, la rotación, la rapidez, la velocidad y la aceleración. El estudio del movimiento planetario u orbital, pón gase por caso, constituye también un problema de la cinemática; pero este libro se concentrará en los aspectos cinemáticos que surgen en el diseño de sistemas me cánicos. Como consecuencia, la cinemática de las máquinas y los mecanismos es el foco de atención de los siguientes capítulos de este texto. No obstante, la estática y la cinética son también partes vitales de una análisis de diseño completo, y se to carán también en capítulos posteriores. Es preciso observar con cuidado en la cita anterior, que Euler basó su división de la dinámica en cinemática y cinética basándose en la suposición de que deben tratar con cuerpos rígidos. Esta es una suposición de gran importancia que permite que ambos aspectos se traten por separado. En el caso de cuerpos flexibles las for mas mismas de los cuerpos y, por ende, sus movimientos, dependen de las fuerzas ejercidas sobre ellos. En tal situación, el estudio de la fuerza y el movimiento se debe realizar en forma simultánea, incrementando notablemente con ello la com plejidad del análisis. Por fortuna, aunque todas las piezas de máquinas reales son flexibles en cierto grado, éstas se diseñan casi siempre con materiales más o menos rígidos y man teniendo en un rnínimó sus deformaciones. Por lo tanto, al analizar el funcio namiento cinemáticó de una máquina es práctica común suponer que las defle xiones son despreciables y que las piezas son rígidas, y luego, una vez que se ha realizado el análisis dinámico, cuando las cargas se conocen, se suele diseñar las piezas de manera que esta suposición se justifique.
- 21. GEOMETRíA DEL MOVIMIENTO5 1-4 T ERMINOLOGíA, DEFINICIONES E HIPÓTESIS Reuleauxt define una máquina:f; como una "combinación de cuerpos resistentes de tal manera que, por medío de ellos, las fuerzds mecánicas de la naturaleza se pueden encauzar para realizar un trabajo acompaftado de movimientos deter minados." También define mecanismo como una "combinación de cuerpos resis tentes conectados por medio de articulaciones móviles para formar una cadena cinemática cerrada con un eslabón fijo, y cuyo propósito es transformar el mo vimiento. " Se puede arrojar más luz sobre estas definiciones contrastándolas con el tér mino estructura, que es también una combinación de cuerpos (rigidos) resistentes conectados por medio de articulaciones, pero cuyo propósito no es efectuar un trabajo ni transformar el movimiento. Una estructura (como por ejemplo, una ar madura) tiene por objeto ser rigida; tal vez pueda moverse de un lado a otro y, en este sentido es móvil; pero carece de movilidad interna, no tiene movimientos relativos entre sus miembros, mientras que tanto las máquinas como los mecanis mos los tienen. De hecho, el propósito real de una máquina o un mecanismo es aprovechar estos movimientos internos relativos para transmitir potencia o trans formar el movimiento. Una máquina es una disposición de partes para efectuar trabajo, un dispo sitivo para aplicar potencia o cambiar su dirección; difiere de un mecanismo en su propósito. En una máquina, los términos fuerza, momento de torsión (o par motor), trabajo y potencia describen los conceptos predominantes. En un mecanis mo, aunque puede transmitir la potencia de una fuerza, el concepto predominante que tiene presente el diseñador es lograr un movimiento deseado. Existe una analogía directa entre los términos estructura, mecanismo y máquina, y las tres ramas de la mecánica especificadas en la figura 1-2. El término "estructura" es a la estática lo que el término "mecanismo" es a la cinemática y el término "má quina" es a la cinética. Aquí se usará la palabra eslabón para designar una pieza de una máquina o un componente de un mecanismo. Como se explicó en la sección anterior, se supone que un eslabón es completamente rigido. Los componentes de máquinas que no se adaptan a esta hipótesis de rigidez, como por ejemplo, los resortes, no tienen por lo común efecto alguno sobre la cinemática de un dispositivo, aunque si desem peñan un papel en la generación de fuerzas. Estos elementos no se llaman esla bones y casi siempre se ignoran durante el análisis cinemático y sus efectos de fuer- t Gran parte del material de esta sección se basa en defmiciones estipuladas originalmente por F. Reuleaux (1829-1905), especialista alemán en cinemática cuyo trabajo marcó el principio de un estudio sistemático de la cinemática. Para consultas adicionales, véase A. B. W. Kennedy, "Reuleaux' Kine matics of Machinery", Macmillan, Londres, 1876; publicado nuevamente por Dover, Nueva York, 1963. * No existe en realidad una coincidencia absoluta en la definición apropiada de máquina. En una nota al calce, Reuleaux propone 17 definiciones y su traductor sugiere otras siete, exponiendo minu ciosamente toda esta cuestión.
- 22. 6 TEORfA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS za se introducen durante el análisis dinámico. En algunas ocasiones, como sucede en el caso de una banda o cadena, puede suceder que un elemento de una máquina posea rigidez unilateral, en cuyo caso se consideraría como eslabón en la tensión; pero no así en la compresión. Los eslabones de un mecanismo se deben conectar entre sí de una manera tal que transmitan movimiento del impulsor, o eslabón de entrada, al seguidor, o eslabón de salida. Estas conexiones, articulaciones entre los eslabones, se llaman pares cinemáticos (o simplemente pares) porque cada articulación se compone de dos superficies pareadas, dos elementos, con cada superficie o elemento pareado formando parte de cada uno de los eslabones articulados. Por ende, un eslabón se puede definir también como la conexión rigida entre dos o más elementos de di ferentes pares cinemáticos. La suposición de rigidez, enunciada explicitamente, indica que no puede haber movimiento relativo (cambio de distancia) entre dos puntos arbitrariamente selec cionados en el mismo eslabón. En particular, no cambian las posiciones relativas de elementos pareados en cualquier eslabón; en otras palabras, el propósito de un eslabón es mantener una relación espacial constante entre los elementos de sus pares. Como resultado de la hipótesis de rigidez, muchos de los detalles complicados que presentan las formas reales de las piezas carecen de importancia cuando se es tudia la cinemática de una máquina o un mecanismo. Por esta razón, una de las prácticas más comunes es trazar diagramas esquemáticos muy simplificados que contengan las características más importantes de la forma de cada eslabón como, por ejemplo, las ubicaciones relativas de los elementos del par, pero en los que se reduce casi al mínimo la geometría real de las piezas fabricadas. El mecanismo de corredera-manivela del motor de :ombustión interna, por ejemplo, se puede sim plificar hasta llegar al diagrama esquemático que se muestra en la figura 1-4b para fines de análisis. Estas representaciones esquemáticas simplificadas son de gran utilidad porque eliminan factores que tienden a generar confusiones y que no tienen injerencia alguna en el análisis; dichos diagramas se emplean con gran profusión en esta obra. No obstante, tienen también la desventaja de que muestran una semejanza muy limitada con el elemento real. Como resultado, pueden dar la impresión de que representan sólo construcciones académicas y no maquinarias reales. Es preciso tener siempre presente que se pretende que estos diagramas sim plificados solo contengan la información mínima necesaria para que el tema en cuestión no se oscurezca con todos los detalles sin importancia (para los fines de la cinemática) o con lo complejo de las piezas reales de la máquina. Cuando varios eslabones están conectados móvilmente por medio de arti culaciones, se dice que constituyen una cadena cinemática. Los eslabones que con tienen sólo dos pares dé conexiones de elementos se llaman eslabones binarios, los que tienen tres se clasifican como ternarios y así sucesivamente. Si cada eslabón de la cadena se conecta por lo menos con otros dos, ésta forma uno o más circuitos cerrados y, en tal caso, recibe el nombre de cadena cinemática cerrada; de no ser __ asi, la cadena se llama abierta. Cuando no se hace especificación alguna se supone
- 23. GEOMETRíA DEL MOVIMIENTO7 que la cadena es cerrada. Si ésta se compone totalmente de eslabones binarios es cerrad a simple; sin embargo, las cadenas cerradas compuestas incluyen otros eslabones binarios y, en consecuencia, forman más de un solo circuito cerrado. Recordando la definición de Reuleaux de un mecanismo, es evidente que se necesita tener una cadena cinemática cerradacon un eslalTón fijo. Cuando se habla de que un eslabón está fijo se da a entender que se elige como marco de referencia para todos los demás eslabones, es decir, que los movimientos de todos los demás puntos del eslabonamiento se medirán con respecto a ése en particular, ya que se le considera como fijo. En una máquina real, ese eslabón es casi siempre una pla taforma o base estacionaria (o una cubierta rígidamente sujeta a dicha base), y se le denomina eslabón marco o base. La cuestión de si este marco de referencia es verdaderamente estacionario (en el sentido de ser un marco de referencia inercial) no tiene importancia para el estudio de la cinemática; pero la adquiere en la inves tigación de la cinética, en donde deben considerarse las fuerzas. En cualquier caso, una vez que se designa el marco de referencia (y se satisfacen otras condiciones), la cadena cinemática se convierte en un mecanismo y conforme el impulsor se mueve pasando por varias posiciones denominadas fases, todos los demás eslabones manifiestan movimientos bien definidos con respecto al marco de referencia elegido. Se usa el término cadena cinem ática para especificar una disposición par ticular de eslabones y. articulaciones, cuando no se ha especificado con claridad cuál eslabón se usárá como marco de referencia. Una vez que se estipula el eslabón de referencia, la cadena cinemática se convierte en mecanismo. Para que un mecanismo sea útil, los movimientos entre los eslabones no pueden ser completamente arbitrarios, éstos también deben restringirse para pro ducir los movimientos relativos adecuad os, los que determine el disefiador para el trabajo particular que se deba desarrollar. Estos movimientos relativos deseados se obtienen mediante la elección correcta del número de eslabones y de los tipos de articulaciones utilizados para conectarlos. � Por consiguiente, esto lleva al concepto de que, además de las distancias entre articulaciones sucesivas, la naturaleza de ellas y los movimientos relativos que per mitan son esenciales para determinar la cinemática de un mecanismo. Por esta razón es vital que se examine en forma minuciosa la naturaleza de las articula ciones, en términos generales y en forma particular, para varios de los tipos más comunes. El factor de control que determina los movimientos relativos que permite una articulación dada es la forma que tengan las superficies o elementos pareados. Cada tipo de articulación posee sus propias formas caracteristicas para los elemen tos y cada una permite un tipo de movimiento específico, el cual es determinado por las maneras posibles en que estas superficies elementales se pueden mover una en relación con otra. Por ejemplo, la articulación de pasador o espiga de la figura 1-3a tiene elementos cilíndricos y, suponiendo que los eslabones no se pueden deslizar en sentido axial, estas superficies permiten sólo un movimiento rotatorio. Por ende, una articulación de pasador deja que los dos eslabones conectados ex perimenten una rotación relativa en torno al pasador central. De la misma manera,
- 24. 8 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (a) (b) (d) (e) Figura 1-3 Los seis pares inferiores: a) revoluta o giratorio, b) prismático, e) helicoidal, d) cilindrico, e) esférico yj) plano. las demás articulaciones tienen sus propias formas de los elementos y sus propios movimientos relativos que les son característicos. Tales formas restringen el mo vimiento totalmente arbitrario de dos eslabones no conectados a un tipo prescrito de movimiento relativo y constituyen las condiciones limitantes o restricciones im puestas al movimiento del mecanismo. Es conveniente sefialar que, a menudo, las formas de los elementos suelen dis frazarse sutilmente, lo que las hace difíciles de reconocer. Por ejemplo, una arti culación de pasador podria incluir un cojinete de agujas, de modo que las dos superficies pareadas no se distingan como tales. Sin embargo, si los movimientos de los rodillos individuales carecen de interés, los movimientos permitidos por las articulaciones son equivalentes y los pares pertenecen al mismo tipo genérico. Por ende, el criterio para distinguir clases distintas de pares se basa en los movimientos relativos que permiten y no necesariamente en las formas de los elementos, aunque éstas suelen revelar indicios muy importantes. El diámetro del pasador usado (u otros datos dimensionales) tampoco tiene más importancia que las magnitudes y formas exactas de los eslabones conectados. Como se dijo con anterioridad, la función cinemática de un eslabón es mantener una relación geométrica fija entre los elementos del par. Del mismo modo, la única función cinemática de una ar ticulación o par es determinar el movimiento relativo entre los eslabones conec-
- 25. GEOMETRtA DEL MOVIMIENTO9 tados. Todas las demás características se determinan por otras razones y no tienen importancia en el estudio de la cinemática. Cuando se plantea un problema de cinemática, es necesario reconocer el tipo de movimiento relativo permitido en cada uno de los pares, y asignarle algún parámetro variable (o algunos parámetros variables) para medir o calcular el movimiento. Se tendrán tantos parámetros de esta índole como grados de libertad tenga la articulación en cuestión, y se les conoce con el nombre de variables d el par. De donde, la variable del par de una articulación de pasador será un solo ángulo medido entre rectas de referencia fijas en los eslabones adyacentes, mientras que un par esférico tendrá tres variables del par (todas ellas ángulos) para especificar su rotación tridimensional. Reuleaux dividió los pares cinemáticos en superiores e inferiores , y a esta úl tima categoría pertenecen los seis tipos prescritos que se analizarán a continuación. Reuleaux estableció diferencias entre las categorías haciendo notar que en los pares inferiores, tales como la articulación de pasador, los elementos del par hacen con tacto en una superficie, en tanto que en los superiores, como por ejemplo la co nexión entre una leva y su seguidor, el contacto entre las superficies elementales es en una línea o un punto. No obstante, como se consignó en el caso de un cojinete de agujas, este criterio puede ser engafioso. Es preferible observar características que establezcan una distinción en el movimiento relativo (o movimientos relativos) que permita la articulación. En la figura 1-3 se ilustran los seis pares inferiores. En la tabla 1-1 aparecen los nombres de los pares inferiores y los símbolos usados por Hartenberg y De navitt para cada uno de ellos, junto con el número de grados de libertad y las variables del par correspondientes. El par giratorio o revoluta (Fig. 1-3a) sólo permite rotación relativa y, por con siguiente, posee un grado de libertad. Con frecuencia, este par se denomina ar ticulación de pasador o de espiga. El par prismático (Fig. 1-3b) sólo permite movimiento relativo de deslizamiento y, por ende, se denomina casi siempre articulación ,de deslizamiento. También posee un solo grado de libertad. El par de tornillo o par he/icoidal (Fig. 1-3c) cuenta con un solo grado de libertad porque los movimientos de deslizamiento y rotación están relacionados por el ángulo de hélice de la rosca. Por tanto, la variable del par se puede elegir como Ls o bien, LO, pero no ambas. Nótese que el par de tornillo se con vierte en una revoluta si el ángulo de hélice se hace cero, y en un par pris mático si dicho ángulo se hace de 900• El par cilíndrico (Fig. 1-3d) permite tanto rotación angular como un movimiento de deslizamiento independiente. Por consiguiente, el par cilindrico tiene dos grados de libertad. t R. S. Hartenberg y J. Denavit, Kinematic Synthesis 01Linkages, McGraw-Hill, New York, 1964. Este libro es una obra clásica sobre cinética y el título es hasta cierto punto engañoso; también com prende una cantidad considerabl-:: de material acerca de la historia, la teoría y el análisis cinemáticos.
- 26. 10 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Tabla 1·1 Pares inferiores Variable Grados de Par Símbolo del par libertad Revoluta R IH I Prisma P As I Tornillo S AH o AS 1 Cilindro e AfJ y As 2 Esfera G A6.A<f>.AI/f 3 Plano F Ax,Ay,A6 3 Movimiento relativo Circular Lineal Helicoidal Cilíndrico Esférico Plano El par globular o esférico (Hg. 1-3e) es una articulación de rótula. Posee tres grados de libertad. una rotación en torno a cada uno de los ejes coordenados. El par plano (Fig. 1-3.1) rara vez se encuentra en los mecanismos en su forma no disfrazada. Tiene tres grados de libertad. Todos los demás tipos de articulaciones se conocen como pares superiores. Entre los ejemplos clásicos están los dientes de engranes acoplados. una rueda que va rodando sobre un riel, una bola que rueda sobre una superficie plana y una leva que hace contacto con su seguidor de rodillo. Pues� que hay una cantidad infinita de pares superiores no es práctico hacer un recuento sistemático de ellos; de modo que cada uno se analizará conforme se presente cada situación individual. Entre los pares superiores existe una subcategoiía denominada pares envol ventes. Por ejemplo, la conexión entre una banda y una polea, entre una cadena y una catadna o entre un cable y un tambor. En cada caso, uno de los eslabones se caracteriza por rigidez unilateral. En el estudio de los diversos tipos de articulaciones, ya sean pares inferiores o superiores, existe otra suposición restrictiva de gran importancia: En el curso de esta obra se supondrá que la articulación real, tal y como se fabrica, puede re presentarse razonablemente por medio de una abstracción matemática con una geometría perfecta. Dicho de otra manera, cuando se supone que una articulación de una máquina real es un par esférico, por ejemplo, también se supone que no hay "juego" o espacio libre entre los elementos de la misma, y que cualquier des viación en la geometría esférica de los elementos es despreciable. Cuando una ar ticulación de pasador se trata como revoluta, se supone que es imposible que se lleve a efecto un movimiento axial; si es necesario estudiar los pequeños movimien tos axiales resultantes de los espacios libres entre los elementos reales, la articu lación se debe manejar como si fuera cilíndrica. para tener en cuenta el movimien to axial. Tal y como se definió antes, el término "mecanismo" se puede referir a una amplia variedad de dispositivos que incluyen tanto pares superiores como infe riores. No obstante, existe un término más descriptivo concerniente a los mecanis mos que sólo tienen pares inferiores, y éste es el de eslabonamiento. Asi pues, un
- 27. GEOMETRtA DEL MOVIMIENTO11 eslabonamiento se conecta sólo por medio de pares inferiores como los ilustrados en la figura 1-3. . 1-5 MECANISMOS PLANOSt ESFÉRICOS y ESPACIALES Los mecanismos se pueden clasificar de diversas maneras haciendo/hincapié en sus similitudes y sus diferencias. Uno de estos agrupamientos divide los mecanismos en planos, esféricos y espaciales; y los tres grupos poseen muchas cosas en común; sin embargo, el criterio para distinguirlos se basa en las características de los movi mientos de los eslabones. - Un mecanismo plano es aquel en el que todas las partículas describen curvas planas en el espacio y todas éstas se encuentran en planos paralelos; en otras palabras, los lugares geométricos de todos los puntos son curvas planas paralelas a un solo plano común. Esta característica hace posible que el lugar geométrico de cualquier punto elegido de un mecanismo plano se represente con su verdadero tamai'ío y forma real, en un solo dibujo o una sola figura. La transformación del movimiento de cualquier mecanismo de esta índole se llama coplanar. El esla bonamiento plano de cuatro barras, la leva de placa y su seguidor. y el mecanismo de corredera-manivela son ejemplos muy conocidos de mecanismos planos. La vasta mayoría de mecanismos en uso hoy en día son del tipo plano. Los mecanismos planos que utilizan sólo pares inferiores se conocen con el nombre de eslabonamientos planos y sólo pueden incluir revolutas y pares pris máticos. Aunque teóricamente es factible incluir un par plano, esto no impondría restricción alguna y, por lo tanto, sería equivalente a una abertura en la cadena cinemática. El movimiento plano requiere también que los ejes de todos los pares prismáticos y todos los ejes de revolutas sean normales al plano del movimiento. Mecanismo esférico es aquel en el que cada eslabón tiene algún punto que se mantiene estacionario conforme el eslabonamiento se mueve, y en el que los pun tos estacionarios de todos los eslabones están en una ubicación común; en otras palabras, el lugar geométrico de cada punto es una curva contenida dentro de una superficie esférica y las superficies esféricas definidas por varios puntos arbitra riamente elegidos son concéntricas. Por ende, los movimientos de todas las par tículas se pueden describir por completo mediante sus proyecciones radiales, o "sombras", proyectadas sobre la superficie de una esfera, con un centro selec cionado en forma apropiada. La articulación universal de Hooke es quizá el ejem- plo más conocido de un mecanismo esférico. J Eslabonamientos esféricos son aquellos que se componen exclusivamente de pares de revoluta. Un par esférico no produciría restricciones adicionales y, por en de, sería equivalente a una abertura en la cadena, en tanto que todos los demás pares inferiores poseen movimientos no esféricos. En el caso de eslabonamientos esféricos, los ejes de todos los pares de revoluta se éieben intersecar en un punto. Los mecanismos espaciales nQ incluyen, por otro lado, restricción alguna en los movimientos relativos de las particulas. La transformación del movimiento no
- 28. 12 TEORÍA DEMAQUINAS y MECANISMOS es necesariamente coplanar, como tampoco es preciso que sea concéntrica. Un mecanismo espacial puede poseer partículas con lugares geométricos de doble cur vatura. Cualquier eslabonamiento que comprenda un par de tornillo, por ejemplo, es un mecanismo espacial, porque el movimiento relativo dentro del par de tornillo es helicoidal. Por lo tanto, la categoría abrumadoramente más numerosa de mecanismos planos y la de los esféricos son apenas unos cuantos casos especiales, o subconjun tos, de la categoría general de mecanismos espaciales. Estos se obtienen como una consecuencia de la geometría especial en las orientaciones particulares de los ejes de sus pares. Si los mecanismos planos y esféricos son sólo casos especiales de mecanismos espaciales, ¿por qué es aconsejable identificarlos por separado? Debido a que por las condiciones geométricas particulares que identifican estas clases, es factible hacer multitud de simplificaciones en su diseño y análisis. Como se señaló con an terioridad, se pueden observar los movimientos de todas las partículas de un mecanismo plano en el tamaño y forma reales, desde una sola dirección. En otras palabras, es factible representar gráficamente todos los movimientos en una sola perspectiva. De donde, las técnicas gráficas son muy apropiadas para su solución. Puesto que no todos los mecanismos espaciales poseen esta geometría afortunada, su concepción se hace más dificil y es necesario desarrollar técnicas más complejas para su análisis. Dado que la inmensa mayoria de mecanismos en uso hoy en día son planos, podría ponerse en duda la necesidad de las técnicas matemáticas más complicadas que se usan para los mecanismos espaciales. Existen varias razones por las que los métodos más poderosos sean de gran utilidad a pesar de que se hayan dominado las técnicas gráficas más simples. 1. Proporcionan métodos nuevos y alternativos que resuelven los problemas de diferente manera y, por ende, ofrecen medios para verificar los resultados. Hay ciertos problemas que, por su naturaleza, son más fáciles de resolver mediante un método que por otro. 2. Los métodos de tipo analítico son más apropiados para obtener soluciones por medio de calculadoras o computadoras digitales que las técnicas gráficas. 3. Aunque la mayoría de los mecanismos útiles son planos y muy adecuados para soluciones gráficas, también es preciso analizar los pocos restantes y es nece sario conocer las técnicas para hacerlo. 4. Una razón por la que los eslabonamientos planos son tan comunes es que no se contó con métodos de análisis buenos para los eslabonamientos espaciales más generales sino hasta fechas recientes. Sin métodos para analizarlos, su diseño y uso no ha sido muy común, incluso a pesar de que pueden ser inherentemente más apropiados para ciertas aplicaciones. 5. Se descubrirá que los eslabonamientos espaciales son mucho más comunes en la práctica que lo que revela su descripción formal.
- 29. GEOMETRIA DEL MOVIMIENTO13 Considérese ui¡, yslabonamiento de cuatro barras, que cuenta con cuatro eslabones conectados por cuatro pasadores cuyos ejes son paralelos. Este "pa ralelismo" es una hipótesis matemática y no una realidad. Los ejes tal y como se producen en un taller -en cualquier taller, sin importar lo bueno que éste sea serán sólo aproximadamente paralelos. Si están muy fuera de paralelismo, habrá cierto amarre y el mecanismo sólo se moverá debido a que los eslabones "rígidos" se flexionan y tuercen, produciendo cargas en los cojinetes. Si los ejes son casi paralelos, el mecanismo opera debido a la holgura de los rodamientos o la flexi bilidad de los eslabones. Una forma común de compensar las pequeftas faltas de paralelismos es conectar los eslabones con cojinetes autoalineantes que son, en realidad, articulaciones esféricas que permiten rotaciones tridimensionales. Por en de, esta clase de eslabonamiento "plano" es de índole espacial en grado bajo. 1-6 MOVILIDAD Una de las primeras preocupaciones, ya sea en el disefto o en el análisis de un mecanismo, es el número de grados de libertad, conocido también como movilidad del dispositivo. La movilidad de un mecanismo es el número de parámetros de en trada (casi siempre variables del par) que se deben controlar independientemente, con el fin de llevar al dispositivo a una posición en particular. Si por el momento se hace caso omiso de ciertas excepciones que se mencionarán más adelante, es fac tible determinar la movilidad de un mecanismo directamente a través de un recuen to del número de eslabones y la cantidad y tipos de articulaciones que incluye. Para desarrollar esta relación considérese que, antes de conectarse entre sí, cada eslabón de un mecanismo plano posee tres grados de libertad cuando se mueven en relación al eslabón fijo. Por consiguiente, sin contar este último, un mecanismo plano de n eslabones posee 3(n - 1) grados de libertad antes de conec tar cualquiera de las articulaciones. Al conectar una articulación con un grado de libertad, como por ejemplo, un par de revoluta, se tiene el efecto de proveer dos restricciones entre los eslabones conectados. Si se conecta un par con dos grados de libertad, se proporciona una restricción. Cuando las restricciones de todas las ar ticulaciones se restan del total de grados de libertad de los eslabones no conec tados, se encuentra la movilidad resultante del mecanismo conectado. Cuando se usa jI para denotar el número de pares de un solo grado de libertad y h para el número de pares con dos grados de libertad, la movilidad resultante m de un mecanismo plano de n eslabones está dada por m 3(n -1)-2j¡ j2 (1-1) Escrita en esta forma, la ecuación (1-1) se conoce como criterio de Kutzbach para la movilidad de un mecanismo plano. Su aplicación se ilustra para varios casos simples en la figura 1-4. Si el criterio de Kutzbach da m > 0, el mecanismo posee m grados de libertad. Si m I, el mecanismo se puede impulsar con un solo movimiento de entrada. Si
- 30. 14 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS n= 3,1, 3 j2 0, m = O Ca) n=4,j, =4, 12 O, m = 1 {e) n 4,j, =4, h = O, m 1 (b) n=5,j, 5, 12 O. m = 2 (d) Figura 1-4 Aplicaciones del criterio de movilidad de Kutzbach. m == 2, entonces se necesitan dos movimientos de entrada separados para producir el movimiento restringido del mecanismo; tal es el caso ilustrado en la figura 1-4d. Si el criterio de Kutzbach da m = 0, como sucede en la figural-4a, el mo vimiento es imposible y el mecanismo forma una estructura. Si el criterio produce m = -1 o menos, entonces, hay restricciones redundantes en la cadena y forma una estructura estáticamente indeterminada. En la figura 1-5 se ilustran varios ejemplos. En ellos se observa que cuando se unen tres eslabones por medio de un solo pasador, se deben contar dos articulaciones; una conexión de esta índole se trata como si fueran dos pares separados, pero concéntricos. En la figura 1-6 se dan ej�mplos del criterio de Kutzbach aplicado a mecanis mos con articulaciones de dos grados de libertad. Se debe prestar atención especial al contacto (par) entre la rueda y el eslabón fijo que aparecen en la figura I-ób. En n = 6,1, 8. i2 0, m =-1 (b) Figura 1-5 Aplicaciones del criteriO' de Kutzbach a estructuras.
- 31. n 3,jl =2, i2=1,m=1 (al Figura1-6 GEOMETRíA DEL MOVIMIENTO 15 n=4,jl 3 i2 1, m 2 (b) este caso se supuso que puede existir un corrimiento o deslizamiento entre los eslabones, Si este contacto incluyera dientes de engranes o si la fricción fuera lo suficientemente grande como para evitar el deslizamiento, la articulación se con taría como un par con un grado de libertad, puesto que sólo se tendría la posi bilidad de un movimiento relativo entre los eslabones. Hay casos en los que el criterio de Kutzbach conducirá a un resultado inco rrecto. Nótese que la figura 1-7a representa una estructura y que el criterio predice correctamente que m O. No obstante, si el eslabón 5 se coloca como se indica en la figura 1-7b, el resultado es un eslabonamiento de doble paralelogramo con una movilidad de 1, a pesar de que la ecuación (1-1) señala que se trata de una estruc tura. La movilidad real de 1 se obtiene sólo cuando se logra la geometría de pa ralelogramo. Puesto que en el desarrollo del criterio de Kutzbach no se hizo con sideración alguna respecto a las longitudes de los eslabones u otras propiedades dimensionales, nc;> es sorprendente encontrar excepciones a este criterio, en casos particulares con longitudes equivalentes de los eslabones, eslabones paralelos u otras características geométricas especiales. Aunque el criterio tiene excepciones, sigue siendo útil gracias a su aplicación tan sencilla. Para evitar excepciones, sería necesario incluir todas las propiedades Figura 1-1 n = 5,j¡ = 6 j2=O,m O (a) n=5,i,=6, i2 O, m O (b)
- 32. 16 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS dimensionales del mecanismo. En tal caso, el criterio resultante sería muy com plejo y resultaría inútil en las etapas iniciales del diseño, cuando es muy probable que se desconozcan aún las dimensiones. Un criterio de movilidad anterior a éste y que lleva el nombre de Grübler, se aplica a mecanismos con articulaciones de un solo grado de libertad en los que la movilidad global del mecanismo es igual a la unidad. Al substituir Í2=O Y m = 1 en la ecuación (1-1), se encuentra el criterio de Grfibler para mecanismos planos con movimiento restringido 3n 3it 4 = O (l-2) Esto permite ver, por ejemplo, que un mecanismo plano con movilidad 1 y que sólo tiene articulaciones de un grado de libertad, no puede tener un número impar de eslabones. Del mismo modo es factible encontrar el mecanismo más simple posible de este tipo; suponiendo que todos los eslabones son binarios se encuentra que n ÍI = 4. Esto demuestra por qué el eslabonamiento de cuatro barras (Fig. 1-4c) y el mecanismo de corredera-manivela (Fig. 1-4b) tienen tantas aplicaciones. Tanto el criterio de Kutzbach, ecuación (1-1), como el criterio de Grübler, ecuación (1-2), se obtuvieron para el caso de mecanismos planos. Si se desarrollan criterios similares para mecanismos espaciales, se debe recordar que cada eslabón no conectado posee seis grados de libertad y cada par de revoluta, por ejemplo, proporciona cinco restricciones. Así pues, algunos argumentos de esta índole llevan a la forma tridimensional del criterio de Kutzbach, m=6(n-1)-5Í¡-4h-3h-2Í4 Ís (1-3) y del criterio de Grübler 6n-5j¡ -7=0 (1-4) La forma más simple de un mecanismo espacialt en el que todos los pares tienen un solo grado de libertad y con movilidad igual al, es entonces n= it=7. 1-7 INVERSIÓN CINEMÁTICA En la sección 1-4 se hizo notar que todo mecanismo tiene un eslabón fijo deno minado marco de referencia. Mientras no se selecciona este eslabón de referencia, un conjunto de eslabones conectados se conoce como cadena cinemática. Cuando se eligen diferentes eslabones como referencias para una cadena cinemática dada, los movimientos relativos entre los distintos eslabones no se alteran; pero sus movimientos absolutos (los que se miden con respecto al de referencia) pueden t Nótese que todos los mecanismos planos son excepciones para los criterios de movilidad espacial. Poseen (,dracterísticas geométricas especiales en el sentido de que todos los ejes de revolutas son pa ralelos y perpendiculares al plano de movimiento, y todos los ejes de los prismas se encuentran en él.
- 33. GEOMETRÍA DEL MOVIMIENTO17 cambiar drásticamente. El proceso de elegir como referencia diferentes eslabones de una cadena recibe el nombre de inversión cinemática. En una cadena cinemática de n eslabones, si se escoge cada uno de ellos su cesivamente como referencia, se tienen n inversiones cinemáticas distintas de la cadena, es decir, n mecanismos diferentes. Por ejemplo, la cadena de cuatro eslabones corredera-manivela ilustrada en la figura 1-8 posee cuatro inversiones diferentes. En la figura 1-8a se presenta el mecanismo básico de corredera-manivela, tal y como se encuentra en la mayor parte de los motores de combustión interna de hoy en día. El eslabón 4, el pistón, es impulsado por las gases en expansión y consti tuye la entrada; el eskbón 2, la manivela, es la salida impulsada; y el marco de referencia es el bloque del cilindro, el eslabón 1. Al invertir los papeles de la en trada y la salida, este mismo mecanismo'puede servir como compresora. En la figura 1-8b se ilustra la misma cadena cinemática; sólo que ahora se ha invertido y el eslabón 2 queda estacionario. El eslabón 1, que antes era el de re ferencia, gira ahora en torno a la revoluta en A. Esta inversión del mecanismo de corredera-manivela se utilizó como base del motor rotatorio empleado en los primeros aviones. En la figura 1-8c aparece otra inversión de la misma cadena de corredera manivela, compuesta por el eslabón 3 , que antes era la biela, y que en estas circuns tancias actúa cOmo eslabón de referencia. Este mecanismo se usó para impulsar las ruedas de las primeras locomotoras de vapor, siendo el eslabón 2 una rueda. (al ! I le I ::'_/ 4 (e) Figura 1-8 Cuatro inversiones del mecanismo de corredera y manivela. (b) (d)
- 34. 18 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS La cuarta y ilttima inversión de la cadena de corredera-manivela tiene al pis tón, el eslabón 4, estacionario. Aunque no se encuentra en motores, si se hace girar la figura 90° en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj, este mecanismo se puede reconocer como parte de una bomba de agua para jardin. Se observará en esta figura que el par prismático que conecta los eslabones 1 y 4 está también invertido, es decir, se han invertido los elementos "interior" y "exterior" del par. 1-8 LEY DE GRASHOF Evidentemente, una de las consideraciones de mayor importancia cuando se disefia un mecanismo que se impulsará con un motor, es asegurarse de que la manivela de entrada pueaa realizar una revolución completa. Los mecanismos en los que nin gún eslabón describe una revolución completa no serían útiles para estas aplica ciones. Cuando se trata de un eslabonamiento de cuatro barras, existe una prueba muy sencilla para saber si se presenta este caso. La ley de Grashof afirma que, para un eslabonamiento plano de cuatro ba rras, la suma de las lon gitudes más corta y m ás larga de los eslabon es no puede ser mayor que la suma de las lon gitudes de los dos eslabones restantes, sí se desea que exista una rotación relativa continua entre dos elementos. Esto se ilustra en la figura 1-9, en donde el eslabón más largo tiene la longitud 1, la del más corto es s y los otros dos tienen las longitudesp y q. Siguiendo esta notación, la ley de Grashof especifica que uno de los eslabones, en particular el más pequefio, girará conti nuamente en relación con los otros tres sólo cuando s+lsp+q (1-5) Si no se satisface esta desigualdad, ningún eslabón efectuará una revolución com pleta en relación con otro. Conviene hacer notar el hecho de que nada en la ley de Grashof especifica el orden en el que los eslabones se conectan, o cuál de los eslabones de la cadena de cuatro barras es el fijo. En consecuencia, se está en libertad de fijar cualquiera de los cuatro que se crea conveniente. Cuando se hace ésto se crean las cuatro in versiones del eslabonamiento de cuatro barras ilustrado en la figura 1-9. Las cuatro se ajustan a la ley de Grashof y en cada una de ellas el eslabón s describe una revolución completa en relación con los otros eslabones. Las diferentes inver siones se distinguen por la ubicación del eslabón s en relación con el fijo. Si el eslabón más corto s es adyacente al fijo, como se consigna en la figura. 1-9a y b, se obtiene lo que se conoce como eslabonamiento de manivela-oscilador. Por supuesto, el eslabón s es la manivela ya que es capaz de girar continuamente, y el eslabón p, que sólo puede oscilar entre ciertos limites, es el oscilador. El mecanismo de eslabón de arras.tre, llamado también eslabonamiento de doble man ivela. se obtiene seleccionando al eslabón más corto s como el de re ferencia. En esta inversión, que se muestra en la figura 1-9c, los dos eslabones ad-
- 35. GEOMETRÍA DEL MOVIMIENTO19 p '. .l:t'---� '''''''''''' ...;;;.;.. , � .--" q (b) Idl Figura }-9 Cuatro inversiones de la cadena de Grashof: a) y b) mecanismo de manivela y oscilador, e) mecanismo de eslabón de arrastre y ti) mecanismo de doble oscilador. yacentes a s pueden girar en forma continua y ambos se describen adecuadamente como manivelas y, por lo común, el más corto de los dos se usa como entrada. Aunque se trata de un mecanismo muy común, el lector descubrirá que es un problema muy interesante intentar construir un modelo práctico que pueda operar un ciclo completo. Si se fija el eslabón opuesto a s, se obtiene la cuarta inversión, o sea, el me canismo de doble oscilador que aparece en la figura 1-9d. Se observará que aunque el eslabón s es capaz de efectuar una revolución completa, ninguno de los adyacen tes al de referencia puede hacer lo mismo, ambos deben oscilar entre límites y son, por lo tanto, osciladores. En cada una de estas inversiones, el eslabón más corto s es adyacente al más largo l. No obstante, se tendrán exactamente los mismos tipos de inversiones del. eslabonamiento si el eslabón más largo / está opuesto al más corto s; el estudiante debe demostrar esto para comprobar que así es en efecto.
- 36. 20 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 1-9 VENTAJA MECÁNICA Debido al uso difundido del eslabonamiento de cuatro barras, conviene hacer ahora algunas observaciones, las que ayudarán a juzgar la calidad de este tipo de eslabonamiento para su aplicación específica. Examínese el eslabonamiento de cuatro barras ilustrado en la figura 1-10. Puesto que, según la ley de Grashof, este eslabonamiento en particular pertenece a la variedad de manivela-oscilador, es muy probable que el eslabón 2 sea el impulsor y el 4 su seguidor. El eslabón 1 es el de referencia y el 3 se llama el acoplador, dado que acopla los movimientos de las manivelas de entrada y salida. La ventaja mecán ica de un eslabonamiento es la razón del momento de tor sión de salida ejercido por el eslabón impulsado, al momento de torsión de entrada que se necesita en el impulsor. En la sección 3-16 se demostrará que la ventaja mecánica del eslabonamiento de cuatro barras es directamente proporcional al seno del ángulo l' comprendido entre el acoplador y el seguidor, e inversamente proporcional al seno del ángulo {J formado por el acoplador y el impulsor. Por supuesto, estos dos ángulos y, por ende, la ventaja mecánica cambian en forma continua conforme se mueve el eslabonamiento. Cuando el seno del ángulo {J se hace cero la ventaja mecánica se hace infinita; de donde, en dicha posición, sólo se necesita un pequefio momento de torsión de entrada para contrarrestar una carga de momento de torsión de salida sustancial. Este es el caso en el que el impulsor AB de la figura 1-10 está directamente ali neado con el acoplador Be, y ocurre cuando la manivela está en la posición AB" y otra vez cuando se encuentra en la posición AB4. Se observa que éstas definen también las posiciones extremas de recorrido del oscilador OCI y DC4• Cuando el eslabonamiento de cuatro barras se encuentra en cualquiera de estas posiciones, la Figura 1-10
- 37. GEOMETRIA DEL MOVIMIENTO21 ventaja mecánica es infinita y se dice que el eslabonamiento tiene una posición de volquete. El ángulo 'Y entre el acoplador y el seguidor se llama ángulo de transmisión . Conforme éste disminuye, la ventaja mecánica se reduce e incluso una cantidad pequeña de fricción hará que el mecanismo se cierre o se trabe. Una regla práctica común es que el eslabonamiento de cuatro barras no se debe usar en la región en la que el ángulo de transmisión sea menor que, por ejemplo, 45 ó 50° . Los valores extremos del ángulo de transmisión ocurren cuando la manivela AB está alineada con el eslabón de referencia AD. En la figura 1- 10, el ángulo de transmisión es mínimo cuando la manivela se encuentra en la posición AB2 y máximo cuando es tá en la posición AB3. Dada la facilidad con la que se puede examinar visualmente, el ángulo de transmisión se ha convertido en una medida comúnmente aceptada de la calidad del diseño de un eslabonamiento de cuatro barras. Nótese que las definiciones de ventaja mecánica, volquete y ángulo de trans misión dependen de la elección de los eslabones impulsor e impulsado. En esta misma figura, si el eslabón 4 se usa como impulsor y el 2 actúa como seguidor, los papeles de f3 y 'Y se invierten. En tal caso, el eslabonamiento no tiene posición de volquete y su ventaja mecánica se hace cero cuando el eslabón 2 se halla en la posición ABJ o la AB4, en vista de que el ángulo de transmisión es entonces cero. En la sección 3-16 se analizarán con más detalle éstos y otros métodos para evaluar lo apropiado que puedan ser los eslabonamientos de cuatro barras o de otra indole. 1-10 CURVAS DEL ACOPLADOR La biela o acoplador de un eslabonamiento plano de cuatro barras se puede con cebir como un plano infinito que se extiende en todas las direcciones; pero que se conecta por medio de pasadores a los eslabones de entrada y de salida. Así pues, durante el movimiento del eslabonamiento, cualquier punto fijado al plano del acoplador genera una trayectoria determinada con respecto al eslabón fijo y que recibe el nombre de c urva del acoplad or. Dos trayectorias de este tipo, a saber, las generadas por las conexiones de pasador del acoplador, son simples círculos cuyos centros se encuentran en los dos pivotes fijos; pero existen otros puntos que des criben curvas mucho más complejas. El atlas de Hrones-Nelsont es una de las fuentes más notables de curvas de acopladores para eslabonamientos de cuatro barras. Esta obra se compone de un conjunto de gráficas de 1 1 x 17 pulg que contienen más de 7 000 curvas de aco piadores de eslabonamientos de manivela-oscilador. En la figura 1- 1 1 se incluye la reproducción de una página tipica de este atlas. En cada caso, la longitud de la t J .A. Hrones y G.L. Nelson, Anal ysis o fthe F our-BarLinkage, M.I.T.-Wiley, New York, 1951.
- 38. - -- -- /,,-----:.-:::.-�- -- / / / � , --� � - - � /' / / / "" -". '::::'� -�� , - - � r< r>( ft' �- 1 " A--"'��-=C::::.:-:G-- _ _ .__ /"' /" / /' / ..-' ------ " - ", -- - "- I / / /' ,/'" � '. ' - ", "- / ,,/' /'r /( ' _ ' ,, ' "- / I ji " / ' " ___ le- - - ...-..¡- - " , ,,- / / -..,.... , I I I " , � '-, '" / / I I "', ,, " "- I I / I I "' " "- I I / +- '" I I I I I I I / I J I r 1- - I I - / I -/ / I ¿ / / / / // // ' 1 -- / ' - - ¡ - - / I / / '. / " , I ? . _/ 1 . -- - - I " , I j " / ' � - - - �/ , " , " I " " / " " " ..- ' - - - - ANÁLISIS DEL ESLABONAMIENTO DE CUATRO BARRAS ¡, A. Hrones y G. L. Nelson A '�, A=2.0 B=2.5 C-2.0 Figura 1-11 Reproducción de una de las páginas de Hrones-Nelson. (Reproducida con autorización de los editores, The Technology Press, M.I. T., Cambridge, Mass., y John Wiley & Sons, Inc., New York.) � � t:) trJ � � -< � trJ � � � �
- 39. GEOMETRíA DEL MOVIMIENTO23 manivela es la unidad y las longitudes de los otros eslabones varían de página a página para generar diferentes combinaciones. En cada página se eligen varios puntos distintos del acoplador y se presentan las curvas correspondientes. Este atlas es de valor incalculable para el disefiador que necesita que un eslabonamiento dé origen a una curva con las características especificadas. La ecuación algebraica de una curva del acoplador es, en general, de sexto or den; de donde, es posible hallar curvas con una gran variedad de formas y muchas características interesantes. Algunas de ellas poseen secciones que casi son segmen tos rectilineos (véase la sección l-l l); otras tienen secciones de arcos circulares y otras más una o más cúspides, o bien, se cruzan a sí mismas formando figuras semejantes al ocho. Por consiguiente a menudo no es necesario emplear un me canismo con muchos eslabones para obtener un movimiento bastante complejo. Con todo, la complejidad de la ecuación de la curva del acoplador constituye también una desventaja, porque significa que los métodos de cálculo manual se hacen sumamente engorrosos . Por lo tanto, en el curso de los afios se han disefiado muchos mecanismos aplicando procedimientos estrictamente intuitivos que se verifican después con modelos de cartón, sin usar principios o procedimientos cinemáticos. Hasta hace poco, estas técnicas que ofrecian un planteamiento ra cional han tenido una naturaleza gráfica evitando una vez más los cálculos tediosos. Por último, gracias al advenimiento de las computadoras digitales y, en particular, con el desarrollo de las gráficas con computadora, en la actualidad es tán apareciendo métodos de disefío muy útiles que llevan a cabo directamente los cálculos complicados que se requieren, sin abrumar al disefíador con el tremendo trabajo de cálculo (véase la sección 5-5 en donde se dan más datos sobre estos métodos de disefío) . Uno de los hechos más curiosos e interesantes acerca de la ecuación de la cur va de un acoplador, es que la misma curva se puede generar siempre con tres eslabonamientos distintos. Estos se conocen como eslabonamien tos a fines y su teoría se expone en la sección 10-11. 1.11 MECANISMOS DE LíNEA RECTA A finales del siglo XVII , antes de la aparición de la fresadora, era extremadamente dificil maquinar superficies rectas y planas; y por esta razón no era fácil fabricar pares prismáticos aceptables, que no tuvieran demasiado juego entre dientes. Durante esa época se reflexionó mucho sobre el problema de obtener un movi miento en línea recta como parte de la curva del acoplador de un eslabonamiento que sólo contara con conexiones de revoluta. Es probable que el resultado mejor conocido de esta búsqueda sea la invención del mecanismo de línea recta desa rrollado por Watt para guiar el pistón de las primeras máquinas de vapor. En la figura 1-120 se muestra que el eslabonamiento de W att es uno de cuatro barras que desarrolla una línea aproximadamente recta como parte de su curva del acoplador.
- 40. 24 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (a) (e) Id) Figura 1-11 Mecanismos de linea recta: a) eslabonamiento de Watt, b) mecanismo de Roberts, e) eslabonamiento de Chebychev y d) inversor de Peaucillier. Aunque no describe una recta exacta, se logra una aproximación aceptable sobre una distancia de recorrido considerable. Otro eslabonamiento de cuatro barras en el que el punto de trazo P genera un segmento aproximadamente rectilíneo de la curva' del acoplador, es el mecanismo de Roberts (Fig. 1-12b). Las líneas a trazos de la figura indican que el eslabona miento se define cuando se forman tres triángulos isósceles congruentes; de donde, BC = AD/2. El punto de trazo P del eslabonamiento de Chebychev de la figura 1-12c genera también una linea más o menos recta. El eslabonamiento se forma creando un triángulo 3-4-5 con el eslabón 4 en posición vertical, como la señalan las lineas a trazos; así pues, DB' = 3, AD = 4, Y AB' = 5. Puesto que AB = DC, DC' = 5 Y el punto de trazo P' es el punto medio del eslabón BC. Nótese que DP'C forma también un triángulo 3-4-5 y, por tanto, P y P' son dos puntos sobre una recta paralela a AD. Aun más, otro mecanismo que genera un segmento rectilineo es el inversor de Peaucillier ilustrado en la figura 1-12d. Las condiciones que describen su geometría
- 41. GEOMETRÍA DEL MOVIMIENTO25 son que BC = BP = EC = EP Y AB = AE de tal modo que, por simetría, los puntos A, C y P siempre están sobre una recta que pasa por A . En estas circuns tancias, AC'AP = k, una constante, y se dice que las curvas generadas por C y P son inversas una de la otra. Si se coloca el otro pivote fijo D de tal suerte que AD = CD , entonces, el punto C debe recorrer un arco circular y el punto P describirá una línea recta ex acta . Otra propiedad interesante es que si AD no es igual a CD, se puede hacer que el punto P recorra un arco verdaderamente circular de radio muy grande. Hunt, Fink y Nayart dan las dimensiones de una clase de eslabonamientos de cuatro barras que generan una trayectoria triangular simétrica en la que dos de los lados son aproximadamente rectos. Hartenberg y Denavit:j: , y Hall§ ilustran la mayor parte de los generadores clásicos de líneas rectas. Tesar y Vidosicll investigaron con gran detalle los me canismos generadores de rectas aproximadas e hicieron una recopilación consi derable de información de diseño sobre esta clase de mecanismos. 1-12 MECANISMOS DE RETORNO RÁPIDO En muchas aplicaciones, los mecanismos se usan para realizar operaciones repe titivas tales como empujar piezas a lo largo de una línea de montaje, sujetar piezas juntas mientras se sueldan o para doblar cajas de cartón en una máquina de em balaje automatizada. En esta clase de aplicaciones resulta a menudo conveniente usar un motor de velocidad constante, y esto es 10 que llevó al análisis de la ley de Grashof presentada en la sección 1-8. No obstante, también es preciso tomar en cuenta los requerimientos de energía y tiempo. En estas operaciones repetitivas existe por lo común una parte del ciclo en la que el mecanismo se somete a una carga, llamada carrera de a van ce o de trabajo, y una parte del ciclo conocida como carrera de re torno en la que el mecanismo no efectúa un trabajo sino que se limita a devolverse para repetir la operación. Por ejemplo, en el mecanismo excéntrico de corredera-manivela de la figura 1-13, puede ser que se requiera trabajo para contrarrestar la carga F mientras el pistón se mueve hacia la derecha, desde el hasta C2 ; pero no así durante su retorno a la posición el, ya que es probable que se haya quitado la carga. En tales situaciones, para mantener los requerimientos de potencia del motor en un mínimo y evitar el desperdicio de tiempo valioso, conviene diseñar el mecanismo de tal manera que el pistón se mueva con mayor rapidez durante la carrera de retorno que en la t K. H. Hunt, N. Fink Y J. Nayar, "Linkage Geneva Mechanisms: A design Study in Mechanism Geometry," Prac. Inst. Mech. Engr., vol. 174, no. 21, pp. 643-668, 1960; véase también J. Hirschhorn, Kinematics and D ynamic 0 1 Plane M echanisms, McGraw-Hill, New York, 1964, pp. 349-353. :j: O p. cit. § A. S. Hall. Jr., Kinematics andLinkage Design, Prentice-Hall, Englewood CUrfs, N. J., 1961. � D. Tesar y J. P. Vidosic, "Analysis of Approximate Four-Bar Straight-Line Mechanisms," J. Eng. lnd.. Vol. 87, no. 3, 1965.
- 42. 26 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS carrera de trabajo, es decir, usar una fracción mayor del ciclo para ejecutar el trabajo que para el retorno. Una medida de lo apropiado de un mecanismo desde este punto de vista, conocida con el nombre de razón del tiempo de avance al tiempo de retorno , se define mediante la fórmula tiempo de la carrera de avance Q = tiempo de la carrera de retorno (a) Un mecanismo para el cual el valor de Q es grande, resulta más conveniente para esta clase de operaciones repetitivas que aquéllos que se caracterizan por valores pequeños de Q. Ciertamente, cualquier operación de esta naturaleza emplearia un mecanismo para el cual Q es mayor que la unidad. Debido a esto, los mecanismos con valores de Q superiores a la unidad se conocen como de retorno rápido. Suponiendo que el motor impulsor opera a velocidad constante, es fácil en contrar la razón de tiempos. Como se indica en la figura 1-13, lo primero es deter minar las dos posiciones de la manivela, AB¡ y AB2, que marcan el principio y el fin de la carrera de trabajo. A continuación, después de observar la dirección de rotación de la manivela, se mide el ángulo de la manivela a que se recorre durante la carrera de avance y el ángulo restante de la manivela 13, de la carrera de retorno. Luego, si el periodo del motor es 'r , el tiempo de la carrera de avance es ' Tiempo de la carrera de avance y el de la carrera de retorno es a - T 27T Tiempo de la carrera de retorno = f;'r (b) (c) Por último, combinando las ecuaciones (a), (b) y (e) se obtiene la sencilla expresión que sigue para la razón de tiempos: F a Q=- 13 ¡_C:::o"� � Carrera de retomo Figura 1-13 Mecanismo excéntrico de corredera y manivela.
- 43. GEOMETRÍA DEL MOVIMIENTO27 F Figura 1-14 Mecanismo de Whitworth de retorno rápido. Nótese que la razón de tiempos de un mecanismo de retorno rápido no depen de de la cantidad de trabajo realizado o incluso de la velocidad del motor impul sor, sino que es una propiedad cinemática del propio mecanismo y se encuentra basándose exclusivamente en la geometría del dispositivo. No obstante, se observará también que existe una dirección apropiada de rotación y una no apropiada en esta clase de dispositivo. Si se invirtiera el motor del ejemplo de la figura 1-13, los papeles de (X y f3 se invertirían también y la razón de tiempos sería menor que l. De donde, el motor debe girar en el sentido con trario al del movimiento de las manecillas del reloj cuando se trata de este me canismo, con el fin de asegurar la propiedad de retorno rápido. Es factible encontrar muchos otros mecanismos con características de retorno rápido. Otro de los ejemplos clásicos es el mecanismo de Whitworth, llamado tam bién mecanismo de limadora o troquel de manivela, y que se ilustra en la figura 1-14. Aunque la determinación de los ángulos (X y f3 es diferente para cada me canismo, la ecuación (1-6) se aplica a todos ellos. PROBLEMAS 1-1 Dibújense por lo menos seis ejemplos distintos de la aplicación de un eslabonamiento plano de cuatro barras de tipo común. Estos pueden encontrarse en talleres, aparatos domésticos, vehículos, maquinaria agrícola, etc.. 1-2 Las longitudes de los eslabones de un eslabonamiento plano de cuatro barras son 1 , 3, 5 y 5 pulg. Móntense en todas las combinaciones posibles y dibújense cuatro inversiones de cada uno. ¿Satisfacen estos eslabonamientos la ley de Grashof? Descríbase cada inversión por nombre, por ejemplo, mecanis mo de manivela y oscilador o mecanismo de eslabón de arrastre. 1-3 Un eslabonamiento de manivela-oscilador tiene un eslabón de referencia de 100 mm, una manivela de 25 mm, un acoplador de 90 mm y un oscilador de 75 mm. Dibújese el eslabonamiento y encuéntren se los valores máximo y mínimo del ángulo de transmisión. Localícense las dos posiciones de volquete y anótense los ángulos de la manivela correspondientes, así como los de transmisión. 1-4 En la figura, el punto e está sujeto al acoplador; trácese su trayectoria completa.
- 44. 28 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Problema 1-4 1-5 Encuéntrese la movilidad de cada uno de los mecanismos ilustrados en la figura que sigue. (a) (b) (e) Problema 1-5 1-6 Aplíquese el criterio de movilidad para encontrar un mecanismo plano que contenga un eslabón cuaternario móviL ¿Cuántas inversiones de este mecanismo pueden hallarse? 1-7 Determínese la razón de tiempos del eslabonamiento del problema 1-2. 1-8 Diséñese un modelo práctico del mecanismo de eslabón de aJTastre. 1-9 Trácese la gráfica de la curva completa del acoplador correspondiente al mecanismo de Roberts ilustrado en la figura 1-12b. Úsese AB CD AD = 2.5 pulg y Be = 1 .25 pulg.
- 45. CAPITULO DOS POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO Alanalizar el movimiento, el problema inicial y más fundamental que se encuentra es definir y manejar los conceptos de posición y desplazamiento. Puesto que se puede considerar que el movimiento es una serie de desplazamientos en el tiempo siguiendo posiciones sucesivas, es importante comprender con exactitud el sig nificado del término posición; en otras palabras, es necesario establecer reglas o convenciones para que la definición sea precisa. Aunque muchos de los conceptos df;! este capítulo puedan parecer intuitivos y casi triviales, aquí se explican muchas sutilezas que es obligatorio comprender para entender los siguientes capítulos. 2-1 SISTEMAS DE COORDENADAS Al hablar de la posición de una partícula o de un punto, se está contestando en realidad a la pregunta: ¿en dónde se encuentra el punto o cuál es su ubicación? Se está haciendo referencia a algo que existe en la naturaleza y crea la interrogante de cómo expresarlo (en palabras, símbolos o números) de tal manera que su signi ficado sea claro. Pronto se descubre que no se puede definir la posición en forma verdaderamente absoluta; la posición de un punto debe definirse expresándola en función de algún marco de referencia acordado, o sea, un sistema de coordenadas de referencia. Como se ilustra en la figura 2-1a, una vez que se establece el sistema de coor denadas xyZ como el marco de referencia, se dice que el punto P está localizado a x unidades a lo largo del eje x, y unidades a lo l argo del eje y y z unidades a lo largo del eje z a partir del origen O. En la propia definición se observa que hay tres par-
- 46. 30 TEORfA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS x , / z ¡ ! , f----��----_flp I I /i : : /! : I if¡ I : I / / IR k----+---r--y y (a) z --_:z::::::. -- ---� Observador x (bl Figura 2-1 a) Sistema derecho de coordenadas tridimensionales; b) posición de un punto. tes vitalmente importantes que dependen de la existencia del sistema de coorde nadas de referencia: 1. El origen de las coordenadas O proporciona una ubicación acordada a partir de la cual se mide la situación del punto P. 2. Los ejes de coordenadas proporcionan direcciones acordadas (y sentidos acor dados) a lo largo de las cuales se harán las mediciones; también ofrecen rectas y planos conocidos para definir y medir ángulos. 3. La unidad de distancia o distancia unitaria a lo largo de cualquiera de los ejes constituye una escala para cuantificar las distancias. Estas observaciones no se restringen a las coordenadas cartesianas (x,y,z) del punto P. Las tres propiedades del sistema de coordenadas también son necesarias para definir las cilíndricas (r, O, z), las esféricas (R, 8, tP) o cualesquiera otras coordenadas del punto P. Asimismo, se necesitarían las mismas propiedades si el punto P se restringiera a permanecer en un solo plano y se empleara un sistema de coordenadas bidimensional. No importa como se defina, el concepto de la posición de un punto no se puede relacionar sin definir un sistema de coordenadas de re ferencia. 2-2 POSICIÓN DE UN PUNTO Como se ilustra en la figura 2-tb, el proceso fisico que se sigue para observar la posición de un punto implica que el observador está siguiendo en realidad la
- 47. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO31 ubicación relativa de dos puntos, P y O, viéndolos, efectuando una comparación mental y reconociendo que el punto P posee una colocación determinada con relación al punto O. En esta determinación sobresalen dos propiedades, la distan cia de O a P (basada en la distancia unitaria o en las dimensiones del cuadriculado del sistema de coordenadas de referencia) y la orientación angular relativa de la recta OP en el sistema de coordenadas. Estas dos propiedades, magnitud y direc ción (y sentido), son precisamente las que se requieren en un vector; de donde, la posición de un punto se define como el vector que va del origen de un sistema de coordenadas de referencia especificado al punto. Aqui se eligió el simbolo RPQ para denotar la posición vectorial del punto P con relación al punto O. Por consiguiente, el sistema de coordenadas de referencia está relacionado en l.llla forma especial con un concepto particular del observador sobre lo que ve. ¿Cuál es esta relación? ¿Qué propiedades debe poseer este sistema de coordenadas para asegurar que las mediciones de posición hechas con respecto al mismo re presenten verdaderamente sus observaciones? La clave de esta relación es que el sistema de coordenadas es estacionario con respecto a dicho observador. En otras palabras, el observador se considera a sí mismo como un elemento estacionario en su sistema de coordenadas de referencia elegido. Si se mueve, ya sea recorriendo una dist¡mcia o girando, su sistema de coordenadas se mueve con éL De esta manera se asegura que los objetos que parecen estacionarios con respecto a él, es decir, tal y como los observa, no cambian sus posiciones dentro del sistema de coordenadas y sus vectores de posición permanecen constantes. Los puntos que percibe como móviles cuentan con vectores de posición variables. Se notará que no se ha hecho mención de la ubicación real del observador dentro del marco de referencia. Se puede encontrar en cualquier punto dentro de dicho sistema; y no es necesario conocer su posición ya que las posiciones de los puntos observados se encuentran con relación al origen de las coordenadas, y no con respecto a la del observador. Con frecuencia es conveniente expresar el vector de posición en términos de sus componentes a lo largo de los ejes de coordenadas (2-1) en donde los subíndices denotan la dírección de cada componente. De aquí en adelante, en esta obra se usarán los simbolos i, j y k para designar los vectores unitarios en las direcciones de los ejes x, y y z, respectivamente. En tanto que los vectores se denotan en esta obra utilizando negritas, la magnitud escalar de un vec tor se representa con el mismo simbolo en cursivas blancas. Por ejemplo, la mag nitud del vector de posición es RPO=IRPOI =VRPO • RPQ=V(Rf>o)2+ (RJ,o)2+ {Rf>of (2-2) El vector unitario en la dirección de RPQ se denota con el mismo símbolo en ne gritas con un signo de intercalación arriba: A Rpo RPQ=- (2-3) Rpo
- 48. 32 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS La dirección de Rpo se puede expresar, entre otras maneras, mediante los cosenos directores R}o COsa = - Rpo cos {3 = R f. o Rpo RZ cos 'Y = R PO PO (2-4) en donde los ángulos a, (3, y 'Y son, respectivamente, los ángulos medidos a par tir de los ejes de coordenadas positivos hasta el vector Rro Uno de los medios para expresar el movimiento de un punto o una partícula consiste en definir sus componentes a lo largo de los ejes de referencia, como fun ciones de algún parámetro, por ejemplo, el tiempo Rf,o = RJ,o(t) R¡'o Rj,o(t) (2-5) Si se conocen estas relaciones, se puede hallar el vector de posición R'Fo para cual quier instante t. Este es el caso general del movimiento de una partícula y se ilustra en el ejemplo que sigue. Ejemplo 2-1 Descríbase el movimiento de una partícula P cuya posición cambia con el tiempo según las ecuaciones R'í>o = a cos 27ft, R�o =" a sen 27ft, y R�o = bt. SOLUCiÓN Al sustituir los valores de t, de O a 2, se obtienen los valores indicados en la tabla que sigue: O 1 4 � Z 4 2 R�o a O -a O a O -a O a R¡,o R�o O O a b/4 O b/2 -a 3b/4 O b a 5b/4 O 3b/2 -a 7b/4 O 2b Como se indica en la figura 2-2, el punto describe un movimiento helicoidal con radio a. en torno al eje z, Y con un avance b. Nótese que si b =O,R�o(t) O. la partícula en movimiento queda confinada al plano xy y describe un circulo cuyo centro se localiza en el origen. Se han venido usando las palabras partícula y punto en forma intercambiable. Cuando se utiliza el vocablo punto se piensa en algo que carece de dimensiones, es decir, con longitud cero, anchura cero y espesor cero. Cuando se emplea el término partícula se piensa en algo cuyas dimensiones son tan pequefias y sin importancia, es decir, un cuerpo material tan diminuto, que sus dimensiones son despreciables, un cuerpo lo suficientemente pequefio como para que sus magnitudes no tengan efecto sobre el análisis que vaya a realizarse.
- 49. x z POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO33 Figura 2-2 Movimiento helicoidal de una partícula. Las posiciones sucesivas de un punto en movimiento definen una recta o una curva. Esta curva no tiene espesor dado que el punto carece de dimensiones; sin embargo. la curva tiene longitud puesto que el punto ocupa diferentes posiciones conforme varía el tiempo. Esta curva, que representa las posiciones sucesivas del punto, se denomina trayectoria o lugar geométrico del punto en movimiento en el sistema de coordenadas de referencia. Si se necesitan tres coordenadas para describir la trayectoria de un punto en movimiento, se dice que éste tiene movimiento espacial. Si se puede describir por medio de dos coordenadas solamente, o sea, si se pueden elegir los ejes de coor denadas de tal manera que una coordenada siempre sea cero o constante, la trayec toria está contenida en un solo plano y se dice que el punto posee movimiento plano. Hay ocasiones en que la trayectoria de un punto se puede describir median te una sola coordenada; lo que significa que dos de sus coordenadas espaciales de posición se pueden tomar como cero o constantes. En este caso el punto se mueve en línea recta y se dice que manifiesta un movimiento rectilíneo. En cada uno de los tres casos descritos se supone que el sistema de coordenadas se elige de tal modo que se obtenga el número minimo de coordenadas necesarias para describir el movimiento del punto. De donde, la descripción del movimiento rectilíneo sólo necesita una coordenada, un punto cuya trayectoria es una curva plana requiere dos coordenadas y un punto cuyo lugar geométrico es una curva en el espacio, que en ocasiones se denomina también curva sesgada, necesita tres coordenadas de posición. 2-3 DIFERENCIA DE POSICIÓN ENTRE DOS PUNTOS Ahora se investigará la relación entre los vectores de posición de dos puntos di ferentes; esta situación se ilustra en la figura 2-3a. En la sección anterior se demos-
- 50. 34 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Y Yl 11 I Y O2 P P �-- .... - - - 1 í--- I I X· I I I I X Xl Z· Z 11 (al lb) Figura 2-3 a) Diferencia de posición entre dos puntos, P y Q. b) Posición aparente de un punto P. tró que un observador fijo en el sistema de coordenadas xyz consideraría las posiciones de los puntos P y Q comparándolas con la ubicación del origen. Las posiciones de los dos puntos se definen por medio de los vectores Rro Y RQO- Al examinar la figura se observa que tales vectores están relacionados por un tercer vector RPQ. que es la diferencia de pQsición entre los puntos P y Q. En la figura se ve que esta relación es (2-6) La interpretación física es ahora ligeramente distinta de la del propio vector de posición. El observador ya no está comparando la posición del punto P con la del origen; ahora la está comparando con la del punto Q. En otras palabras, está ob servando la posición del punto P como si se encontrara en otro sistema de coor denadas temporales x'y'z', cuyo origen se localiza en Q, y cuyos ejes son para lelost a los de su sistema básico de referencia xyz. Se suele aplicar cualquiera de estos puntos de vista para la interpretación, y es necesario comprender ambos por que se emplearán en desarrollos futuros. Después de generalizar el concepto de posición relativa para incluir la diferen cia de posición entre dos puntos cualesquiera, conviene retornar al estudio anterior del propio vector de posición. Se observa que es simplemente el caso especial en el que se conviene efectuar las mediciones utilizando el origen de coordenadas como segundo punto. De donde, para ser coherentes por lo que respecta a la notación, el vector de posición de un solo punto P se denota con el símbolo de doble subíndice RPO• No obstante, para mayor brevedad se convendrá que de aquí en adelante, t El que estos sistemas de coordenadas tengan ejes paralelos es una condición conveniente más que necesaria. Sin embargo. este concepto se sostendrá a lo largo de esta obra en virtud de que no se pierde generalidad y si se simplifica la concepción cuando los sistemas de coordenadas están en movimiento.
- 51. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO35 cuando no se especifique el segundo subíndice en forma explicita, se entiende que es el origen del sistema de coordenadas del observador. (2-7) 2-4 POSICIÓN APARENTE DE UN PUNTO Hasta ahora, al analizar el vector de posición, el punto de vista sustentado ha sido por completo el de un solo observador en un solo sistema de coordenadas. No obs tante, a menudo resulta conveniente hacer observaciones en un sistema de coor denadas secundario, es decir, tal Y como lo ve un segundo observador en un sis tema de coordenadas distinto, y luego llevar esta información hacia el sistema de coordenadas básico. En la figura 2-3b se ilustra esta situación. Si se pide a dos observadores, uno de los cuales utiliza el marco de referencia XIY¡Z¡ Y el otro el X2Y2Z2, que den la ubicación de un particula en P, proporcio narían resultados distintos. El observador del primer sistema de coordenadasx¡y¡z¡ vería el vector RPO" mientras que el segundo, el que utiliza .el sistema X2Y2Z2. señalaría el vector de posición Rpo;¡. En la figura 2-3b se observa que estos vectores están relacionados por medio de la expresión (2-8) La diferencia en las posiciones de los dos origenes no es la única incompa tibilidad entre las dos observaciones de la posición del punto P. Puesto que los dos sistemas de coordenadas no están alineados,t los dos observadores usarían dife rentes rectas de referencia para sus mediciones de la dirección; el primero daría las componentes medidas a lo largo de los ejes XtY¡Z¡, mientras que el segundo lo haría en las direccione1ó¡ X2Y2Z2. Hay una tercera distinción de suma importancia entre estas dos observaciones que se hace evidente cuando se considera que los dos sistemas decoordenadas pueden estar en movimiento el uno con respecto al otro. Mientras que el punto P puede parecer estacionario con respectp a uno de los observadores, puede estar en mo vimiento con respecto al otro; dicho de otra manera, el vector de posición Rpo, puede parecer constante al observador 1, en tanto que al observador 2 le parecerá que Rpo;¡ varía. Cuando existe cualquiera de estas condiciones, será conveniente agregar un subíndice más a la notación usada para distinguir al observador que se está toman do en consideración. Cuando se está considerando la posición de P, vista por el observador que usa el sistema de coordenadas x¡y¡Z¡, ésto se denotará con el sím bolo RPO¡/h o bien, puesto que 01 es el origen para este observador,t por medio t Nótese que la condición de que los sistemas de coordenadas tengan ejes paralelos se supuso para el vector de diferencia de posiciones, figura 2-3a; pero no así para el vector de posición aparente. :j: Se observará que RPOzII no se puede abreviar escribiéndolo Rpl" puesto que O2 no es el origen que utiliza el observador L
- 52. 36 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS de Rp/l. Las observaciones hechas por la segunda persona, en el sistema de coor denadas X2Y2Z2 se denotarán con los símbolos RpO¡/2 o Rm. Con esta ampliación de la notación, la ecuación (2-8) se convierte en (2-9) El vector RPÍ2 se denominaposición aparente delpunto Ppara un observador en el sistema de coordenadas 2, y es obvio que de ninguna manera es igual al vector de posición aparente Rp11, visto por el observador l. Se han hecho notar ahora ciertas diferencias intrínsecas entre Rp/I y Rm Y se ha encontrado la ecuación (2-9) para relacionarlos. No obstante, no existe razón alguna por la que las componentes de cualquiera de los vectores deban tomarse a lo largo de los ejes naturales del sistema de coordenadas del observador. Al igual que con todos los vectores, se pueden hallar las componentes a lo largo de cual quier conjunto conveniente de ejes. Al aplicar la ecuación de la posición aparente (2-9) ,es necesario usar un solo conjunto coherente de ejes durante la evaluación numérica. Aunque el observador en el sistema de coordenadas 2 pensaría que lo más natural seria medir las com ponentes de Rm a lo largo de los ejes X2Y2Z2, éstas se debm transformar en las componentes equivalentes en el sistema X¡YIZI., antes de que se lleve a cabo en realidad la adición Rm = RO¡/I + Rp/2 Rx' : RY' � Rt" RX' � RY' � RZ1 k A = 02/111 + 0l/l)1+ O¡/lk¡ + P/211 + P/2JI + PI2 I (Rx, RX') : (RY' RY1 )� (Rt, RZ¡ )k A = O2/1+ P/2 11 + 02/1 + P/2 JI + 02/1 + P/2 1 XI � YI -: Zt 1"- = RPIl+RPI1J¡+RPI!k! La adición se efectúa con la misma facilidad si todas las componentes vectoriales se transforman al sistema X2Y2Z2 o bien, según sea el caso, a cualquier otro conjun to coherente de direcciones. Sin embargo, no se pueden sumar algebraicamente cuando se midieron a lo largo de ejes no coherentes. Por lo tanto, el subíndice adicional en el vector de posición aparente no especifica, un conjunto de direc ciones que sea preciso usar en la evaluación de las componentes; sólo se limita a identificar el sistema de coordenadas en el que se define al vector, el sistema en el que el observador es estacionario. 2-5 POSICIÓN ABSOI.UTA DE UN PUNTO Ahora se verá el significado de posición absoluta. En la sección 2-2 se vio que todo vector de posición se define en relación con un segundo punto, el origen del sis tema de coordenadas de referencia del observador. Se trata de un caso especial del vector de diferencia de posición que se vio en la sección 2-3, en el que el punto de referencia es el origen de las coordenadas.
- 53. POSICIÚN y DESPLAZAMIENTO37 En la sección 2-4 se hizo notar que quizá en ciertos problemas r�sulte con veniente considerar las posiciones aparentes de un solo punto, vistas por más de un observador. que utilicen sistemas de coordenadas diferentes. No obstante, cuando un problema en particular obliga a considerar varios sistemas de coordenadas, la aplicación conducirá a la identificación de un solo sistema de coordenadas como el primario o más fundamental. En la mayor parte de los casos, este es el sistema en el que se expresará el resultado final y casi siempre se considera que es estacio nario; por lo anterior se le conoce como sistema absoluto de coordenadas. La posición absoluta de un punto se define como su posición aparente vista por un observador en el sistema absoluto de coordenadas. Decidir cuál sistema de coordenadas se designe como absoluto (más básico) es arbitrario y no tiene importancia en el estudio de la cinemática. El hecho de que el sistema absoluto de coordenadas sea verdaderamente estacionario es un tanto dis cutible ya que, como se hizo ver, toda la información acerca de la posición (y el movimiento) se mide en relación con algo más; nada es verdaderamente absoluto en el sentido estricto. Por ejemplo, cuando se analiza la cinemática de una suspen sión de automóvil, puede resultar conveniente elegir un sistema "absoluto" de coordenadas fijado a la estructura del auto, y estudiar el movimiento de la suspen sión en relación con tal sistema. Así pues, no tiene importancia si el automóvil está o no en movimiento; los movimientos de la suspensión con relación a la estructura se definirian como absolutos. Una convención común es asignarle al sistema absoluto de coordenadas el número 1 y utilizar otros números para los demás sistemas de coordenadas en movimiento. Puesto que se adopta esta convención en el curso de esta obra, los vectores de posición absoluta son los de posición aparente vistos por un obser vador dentro del sistema de coordenadas 1, y sus símbolos tienen la forma RP/I. Por brevedad, y con el fin de reducir su complejidad, también se convendrá en que cuando no se indique explícitamente el número del sistema de coordenadas se sobreentenderá que es 1; por ende, Rp/1 se puede abreviar Rp. Del mismo modo. la ecuación de la posición aparente (2-9) se puede escribirt como sigue Rp = Ro;¡+RP/2 (2- JO) 2-6 ECUACIÓN DE CIERRE DEL CIRCUITO Hasta ahora el estudio sobre los vectores de diferencia de posición y de posición aparente ha sido bastante abstracto. con el propósito de desarrollar un funda mento riguroso para el análisis del movimiento en sistemas mecánicos. Ciertamen te, la precisión tiene su propio mérito, porque este rigor es el que permite que la t Sí se repasan las secciones 2-1 se verác�que el vector de diferencia de posición RPQ se manejó por completo dentro del sistema absoluto de coordenadas, y es una abreviatura de la notación Rpo/lo No será necesario, tratar el caso completamente general RpQ/2, el vector de la diferencia de posición aparen te.
- 54. 38 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS ciencia prediga un resultado correcto, a pesar de los prejuicios y los sentimientos personales del analista. Sin embargo, los desarrollos tediosos no son interesantes a menos que lleven a aplicaciones en problemas de la vida real. Aunque existen todavía muchos principios fundamentales por descubrir, podría resultar conve niente mostrar ahora la relación entre los vectores de posición relativa que se vieron con anterioridad y algunos de los eslabonamientos tipicos que se encuentran en las máquinas reales. Uno de los mecanismos más común y útil es el eslabonamiento de cuatro barras. En la figura 2-4 se ilustra un ejemplo de éste, un dispositivo de sujeción. Un estudio breve del diagrama del conjunto revela que al elevar la manija de la mordaza, la barra gira alejándose de la superficie de sujeción, abriendo la mor daza. Al oprimir la manija, la barra gira hacia abajo y la mordaza se vuelve a cerrar. No obstante, si se desea diseñar este tipo de mordaza con exactitud, la cuestión no resulta tan sencilla. Quizá sea conveniente, por ejemplo, que la mor- O.203dlá .- 4 orificios r 1� 16 I 200 lb Figura 2.4 Diagrama de montaje de un mecanismo de sujeción manual.
- 55. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO39 daza se abra a una velocidad dada para determinada velocidad de elevación de la manija. Estas relaciones no son obvias; dependen de las dimensiones exactas de las diversas piezas y las relaciones o interacciones entre ellas. Para descubrir estas relaciones se necesita una descripción rigurosa de las características geométricas esenciales del dispositivo. Se pueden usar los vectores de diferencia de posición y de posición aparente para proporcionar tal descripción. En la figura 2-5 se consignan los diagramas detallados de los eslabones in dividuales de la mordaza desmontada. Aunque en este caso no se indican, los dibujos detallados deben incluir todas las dimensiones, determinando así, de una vez por todas, la geometría completa de cada eslabón. La suposición de que todos los eslabones son rígidos asegura que se puede determinar con precisión la posición de cualquier punto en cualquiera de los eslabones, en relación con cualquier otro punto del mismo eslabón, por medio de la simple identificación de los puntos apropiados y fijando la escala correcta en los dibujos detallados. No obstante, las características que se pierden en los dibujos detallados son las interrelaciones de las piezas individuales; esto es, las restricciones que aseguran que cada eslabón se moverá en relación con lo que lo rodea en la forma prescrita. Por supuesto, las cuatro articulaciones de pasador proporcionan estas restric ciones. Sabiendo que tienen gran importancia en cualquier descrípción de los eslabonamientos, estos centros de pasador se identificarán desde ahora con las letras A, B, e y D, Y los puntos apropiados del eslabón 1 como Al y DI. los del eslabón 2 como Az Y B2, etc. Como se ve en la figura 2-5, también se toma un sistema de coordenadas diferente unido rígidamente a cada eslabón. Yl (a) b :42 B2 2 (b) x, Roc X2 Y3 e �� X3 (e) Y4 r' D4 x4 (d) Figura 2·5 Diagrama detallado del mecanis mo de sujeción de la figura 2·4: a) eslabón base, b) eslabón de conexión, e) manija, el) barra de sujeción.
- 56. 40 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS En vista de que es ¡;tecesario. asociar las po.sicio.nes relativas de lo.s centro.s de articulación sucesivo.s, se definen lo.s vecto.res de diferencia de po.sición RAD en el eslabón 1, RBA en el eslabón 2, ReB en el eslabón 3 y Roc en el eslabón 4. También se hace no.tar aqui que cada uno. de esto.s vecto.res parece ser co.nstante a lo.s o.jo.s de un o.bservado.r que se encuentre fijo. en el sistema de co.o.rdenadas de ese eslabón en particular; las magnitudes de esto.s vecto.res se pueden o.btener a partir de las di mensio.nes co.nstantes de lo.s eslabo.nes. También es factible escribir una ecuación vectorial para describir las restric cio.nes impuestas por cada articulación de revo.luta (de pasado.r). Nótese que sea cual fuere la Po.sición o. el o.bservado.r seleccio.nado.s, lo.S do.s punto.s que describen a cada centro. de pasado.r, po.r ejemplo., Al y A2, siguen siendo. co.incidentes. Po.r co.nsiguiente, RAZA¡ =RB3BZ =RC4C) =RD¡D4 =O (2-11) Desarro.llemo.s aho.ra las ecuacio.nes vecto.riales para la posición abso.luta de cada uno. de lo.s centro.s de pasado.r. Puesto. que el eslabón 1 es el marco. de referen cia, las po.sicio.nes abso.lutas so.n aquellas definidas en relación co.n un o.bservado.r en el sistema de co.o.rdenadas 1. Po.r supuesto., el punto. Al se Io.caliza en la po. sición descrita po.r RA• A co.ntinuación se establece una co.nexión matemática del eslabón 2 co.n el 1 mediante la expresión (a) Después de efectuar la transferencia al o.tro. extremo. del eslabón 2, se fija el eslabón 3 RB =RA +RBA Al co.nectar las articulacio.nes e y D en la misma fo.rma se o.btiene Rc =RB +RCB =RA +RBA +RCB RD =Rc +Roc =RA +RBA +RCB +Roc Po.r último., se transfiere de regreso. al punto. A a través del eslabón 1 RA =RD +RAD = RA +RBA +ReB +Roc +RAD y de esto. se o.btiene (b) (c) (d) (e) (2-12) Esta impo.rtante expresión se co.no.ce co.n el no.mbre de ecuación de cierre del circuito. para la mo.rdaza. Co.mo. se muestra en la figura 2-6, expresa el hecho. de que el mecanismo. fo.rma un circuito. cerrado. y, por ende, el poligo.no. co.nstituido. por lo.s vecto.res de diferencia de po.sición que pasan po.r las articulaciones y lo.s eslabo.nes sucesivo.s, debe mantenerse cerrado. cuando. el mecanismo. se mueve. Las lo.ngitudes co.nstantes de ésto.s vecto.res aseguran que lo.s centros de articulación permanezcan separado.s a distancias constantes, que es el requisito de los eslabo.nes
- 57. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO41 Figura 2-6 Ecuación de cierre del cir cuito. rígidos. Las rotaciones relativas entre vectores sucesivos indican los movimientos dentro de las articulaciones de pasador, en tanto que la rotación de cada vector de diferencia de posición individual manifiesta el movimiento de rotación de un eslabón en particular. Por ende. la ecuación de cierre del circuito se cumple dentro de todas las restricciones importantes que determinan la forma de operación de es ta mordaza en particular. Constituye una descripción matemática, o modelo, del eslabonamiento, y muchos de los desarrollos posteriores incluidos en el curso de esta obra se basan en este modelo como punto de partida. Por supuesto, la forma de la ecuación de cierre del circuito depende del tipo de eslabonamiento de que se trate. Esto se ilustra con otro ejemplo, el mecanismo de Ginebra o cruz de Malta que aparece en la figura b-.7. Una de las primeras aplicaciones que se hicieron de este mecanismo fue para evitar el dar cuerda ex- Rueda de Ginebra Figura 2-7 Mecanismo de Ginebra o cruz de Malta.
- 58. 42 TEORÍA DEMÁQUINAS YMECANISMOS cesiva a un reloj. Hoy en día se emplea profusamente como dispositivo divisor, por ejemplo, en una fresadora con cambiador automático de herramienta. Aunque el armazón del mecanismo, el eslabón 1 , no se muestra en la figura, constituye una de las piezas importantesdel mismo porque mantiene a los dos ejes con los centros A y B a una separación constante. Por lo tanto, se define el vector RBA para indicar esta dimensión. La manivela izquierda, eslabón 3, va unida a un eje que casi siempre gira a velocidad constante y lleva un rodillo en e, que corre dentro de la ranura de la rueda de Ginebra. El vector RAC tiene una magnitud cons tante igual a la longitud de la manivela, que es la distancia del centro del rodillo e hasta el centro del eje A. La rotación de este vector en relación con el eslabón 1 se utilizará más adelante para describir la velocidad angular de la manivela. El eje Xz se alinea a lo largo de una ranura de la rueda; de donde, el rodillo está obligado a moverse dentro de dicha ranura, y el vector RC/2 gira igual que la rueda, el eslabón 2. Del mismo modo, su longitud variable ARC{2 muestra el movimiento de des lizamiento relativo que se lleva a cabo entre el rodillo del eslabón 3 y la ranura del eslabón 2. Basándose en la misma figura, se ve que la ecuación de cierre del circuito para este mecanismo es RBA+ RC/2+ RAc = O (2-13) Nótese que el término RC{2 es equivalente al RcB' puesto que el punto B es el origen del sistema de coordenadas 2. Esta forma de la ecuación de cierre del circuito es un modelo matemático válido en tanto el rodillo e se mantenga dentro de la ranura, a lo largo de Xl. Sin embargo, esta condición no se cumple en el curso completo del ciclo del movimien to. Una vez que el rodillo sale de la ranura, el movimiento se controla por medio d6 dos arcos circulares pareados en los eslabones 2 y 3. Asi pues, para esta porción del ciclo se requiere una nueva forma de la ecuación de cierre del circuito. Por supuesto, los mecanismos se puc,den conectar de tal modo que se forme una cadena cinemática de varios circuitos; en cuyo caso se requerirá más de una ecuación de cierre del crrcuito para representar al sistema en su totalidad. No obs ' tante, los procedimientos para obtener las ecuaciones son idénticos a los que se ilustraron en los ejemplos anteriores. 2-7 ANÁLISIS GRÁFICO DE LA POSICIÓN DE MECANISMOS PLANOS Cuando las trayectorias de los puntos móviles de un mecanismo se encuentran en un solo plano o en planos paralelos, se le asigna el nombre de mecanismo plano. Puesto que una porción substancial de las investigaciones incluidas en esta obra se relacionan con mecanismos planos, queda plenamente justificado el desarrollo de métodos especiales adecuados para este género de problemas. Como se verá en la sección siguiente, la naturaleza de la ecuación de cierre del circuito lleva a menu-
- 59. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO43 do a la resolución de ecúaciones simultáneas no lineales, cuando se sigue un plan teamiento analítico que con frecuencia resulta abrumador. Con todo, particular mente en el caso de mecanismos planos, si se sigue un método gráfico, la so lución es casi siempre directa. En primer lugar se hará una revisión sucinta del proceso de la adición vec torial. Dos vectores A y B cualesquiera conocidos se pueden sumar gráficamente como se ilustra en la figura 2-8a. Según la escala seleccionada, los vectores se trazan haciendo coincidir la punta de uno con el origen del otro, en cualquier or den y su suma e se identifica como C=A+B B+A (2-14) Nótese que se usan tanto las magnitudes como las direcciones y sentidos de los dos vectores A y B para efectuar la adición, y que tanto la magnitud como la direc ción (y sentido) de la suma e se encuentran como parte del resultado. La operación de la sustracción vectorial gráficamente se ilustra en la figura 2-8b, en donde los vectores se trazan con sus puntas coincidentes, para resolver la ecuación A C-B (2-15) Estas operaciones vectoriales gráficas se deben estudiar con gran cuidado y com prender con toda claridad, ya que se emplean con amplitud en todo este texto. (a) (bl figura 2·8 a) Adición de vectores. b) Sustracción de vectores.
- 60. 44 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Una ecuación vectorial tridimensional C=D+E+B (a) se puede dividir en componentes a lo largo de cualesquiera ejes convenientes, lo que lleva a las tres ecuaciones escalares: ez DZ +Ez + BZ (b) Puesto que son componentes de la misma ecuación vectorial, estas tres expresiones escalares deben ser coherentes. Si sucede que, al mismo tiempo, las tres son lineal mente independientes, se pueden resolver en forma simultánea para las tres incóg nitas, que pueden ser tres magnitudes, tres direccionest o cualquier combinación de tres magnitudes y direcciones. Sin embargo, para algunas combinaciones el problema es marcadamente no lineal y muy dificil de resolver. Por lo tanto, el es tudio del problema tridimensional se demorará hasta el capítulo 11, que es cuando se necesitará. Una ecuación vectorial bidimensional se puede resolver para dos incógnitas: dos magnitudes, dos direcciones o una magnitud y una dirección. En algunas cir cunstancias es conveniente indicar las cantidades conocidas CV) y las descono cidas (o) arriba de cada vector en una ecuación, como sigue: vv ,,'v v'o C=D+E+B (e) en donde el primer símbolo (1 u o) colocado arriba de cada vector indica su mag nitud y el segundo su dirección. Otra forma equivalente es 0'1/ '1/'1/ '1/'1/ 'l/o cC=OO+EE+BB (d) Cualquiera de estas ecuaciones identifica con claridad las incógnitas y señala si se puede llegar a una solución. En la ecuación (e), los vectores D y E están defi nidos por completo y se pueden sustituir con su suma: A=D+E (e) . to que da C=A+B (2-16) De la misma manera, cualquier ecuación vectorial en el plano, si puede resolverse, podrá reducirse a una expresión de tres términos con dos incógnitas. Dependiendo de las formas de las dos incógnitas, es factible encontrar cuatro t N. del R. T. En la literatura en inglés sobre la materia se aplica la palabra dirección implicando también la idea de sentido (como se aplica en las obras correspondientes en español). Dada la frecuen cia con la que se manejará tal concepto en este texto, y con el fin de no complicar la redacción del mis mo, se usará el término dirección con la connotación mencionada.
- 61. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO45 casos distintos. Chacet,:j: los clasifica de acuerdo con las incógnitas; es decir, los casos y sus incógnitas correspondientes son: Caso 1 Magnitud y dirección del mismo vector, por ejemplo, e, C. Caso 2a Magnitudes de dos vectores diferentes, por ejemplo, A, B. Caso 2b Magnitud de un vector y dirección de otro, por ejemplo, A, B. Caso 2e Direcciones de dos vectores diferentes, por ejemplo, Á, B. Se ilustrarán gráficamente las soluciones de estos cuatro casos en esta sección y, en la siguiente, aplicando un método analítico. En el caso 1 las dos incógnitas son la magnitud y la dirección del mismo vec tor. Este caso se puede resolver mediante la adición o la sustracción gráficas direc tas de los vectores restantes, que estén completamente definidos. Esta situación se ilustró en la figura 2-8. Para el caso 2a se deben encontrar dos magnitudes, por ejemplo, A y B ",,:,,' oY oV C=A+B (2-17) La solución de este caso se muestra en la figura 2-9, y los pasos comprendidos son los siguientes: 1. Se elige un sistema de coordenadas y u:p. factor de escala, y se traza el vector C. 2. Se traza una recta que pase por el origen de C, paralela a Á. t Milton A. Chace, Development and Application oj Vector Mathematics jor Kinematic Analysis oj Three-Dimensional Mechanisms, tesis de doctorado, Universidad de Michigan, Ann Arbor, Mich., 1954, p. 19. t Véase la tabla 11-1 en donde aparecen todos los casos. (a) (b) I� Figura 2-9 Solución gráfica del caso 2a. (a) dados: e, Á y B; b) solución paraAyB.
- 62. 46 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 3. Se traza otra recta que pase por el extremo de e paralela a B. 4. La intersección de estas dos rectas define ambas magnitudes, A y B, que pueden ser positivas o negativas. Se observa que el caso 20 tiene una solución única a menos que las rectas sean colineales; si son paralelas, pero distintas, las dos magnitudes, A y B, son infinitas. Para el caso 2b se encuentra una magnitud y una dirección de vectores distin tos, póngase por caso, A y B , vv 1)'1/ vo C=A+B (2-18) La solución, que se presenta en la figura 2-10, se obtiene en el orden que se indica a continuación: 1. Se elige un sistema de c.Oordenadas y un factor de escala, y se traza el vector C. 2. Se traza una recta que pase por el origen de e paralela a Á. 3. Se ajusta un compás con la magnitud de B, de acuerdo con la escala elegida, y se construye un arco circular cuyo centro se localice en el extremo de C. 4. Las dos intersecciones de la recta y el arco definen los dos conjuntos de solu ción A, B y A', B'. Por último, para el caso 2c, se encuentran las direcciones de dos vectores, ÁYB vv Vo Vo C A+B (2-19) Los pasos de esta solución se muestran en la figuras 2-11. B (a) (b) y o '---x Figura 2-10 Solución gráfica del caso 2b: a) dados e, Á, y B; b) solución paraA, B y A', B'.
- 63. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO47 y B (a) Figura 2-11 Solución gráfica del caso 2e: a) dados: C, A y B; b) solución para Á, B y Á',8/, 1. Se elige un sistema de coordenadas y un factor de escala, y se traza el vector C. 2. Se traza un arco circular de radio A con centro situado en el origen de C. 3. Se traza un arco circular de radioBcon centro localizado en el extremo de C. 4. Las dos intersecciones de estos arcos definen los dos conjuntos de soluciones Á, D y Á', D'. Se observ&rá que es factible encontrar una solución real sólo si A+B2:.C. Ahora se aplicarán estos procedimientos para resolver la ecuación de cierre del circuito. Para ilustrar la situación, considérese el mecanismo de corredera· manivela ilustrado en la figura 2-12a. En estas circunstancias, el eslabón 2 es una manivela restringida a girar en torno al pivote fijo A; el eslabón 3 es la biela y el eslabón 4, la corredera. La ecuación de cierre del circuito, que se obtiene aplicando el método de la sección 2-6, es Rc =RBA +RcB (f) El problema del análisis de posición es determinar los valores de todas las variables de posición (las posiciones de todos los puntos y articulaciones) dadas las dimensiones de cada eslabón, y el valor (o valores) de la variable independiente (o variables independientes), es decir, aquellas que se escogen para representar el grado (o grados) de libertad del mecanismo. En el mecanismo de corredera manivela, cuando la corredera se desplaza a una ubicación conocida Rc, es preciso encontrar los ángulos desconocidos e2 y e3, las direcciones de RBA y RCB' Después de identificar las dimensiones conocidas de los eslabones, Iv v'" Vn Re =RBA +RcB (g)
- 64. 48 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (a) Figura 2-12 a) Mecanismo de corredera-manivela. b) Análisis gráfico de la posición. se reconoce que se trata del caso 2c de la ecuación de cierre del circuito. El pro cedimiento gráfico de resolución que se explicó con anterioridad se aplica en la figura 2-12b. Nótese que se encuentran dos soluciones posibles, (}z. 93 Y 8í. 9;, que corresponden a dos configuraciones diferentes del eslabonamiento, es decir, dos maneras de ensamblar los eslabones, siendo ambas coherentes con la posición dada de la corredera. Estas dos soluciones son raices igualmente válidas para la ecuación de cierre del circuito, y es necesario escoger entre ambas, según la aplicación de que se trate. Como ejemplo adicional, véase el eslabonamiento de cuatro barras ilustrado en la figura 2-13. En este caso se desea encontrar la posición del punto del aco plador P correspondiente a un ángulo de la manivela en particular, 82• La ecuación de cierre del circuito es VV VQ VV Va RBA + RCB = RDA + RCD (h) Figura 2-13 Eslabonamiento de cuatro barras.
- 65. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO49 Figura 2·14 Análisis gráfico de posición del eslabonamiento de cuatro barras. y la posición del punto P está dada por la ecuación de diferencia de posición 00 vV Vo Rp:O RBA +RpB (O Aunque parece que esta ecuación tiene tres incógnitas, se pueden reducir a dos des pués de resolver la ecuación de cierre del circuito (h), observando la relación an gular constante entre RpB y RCB• ü) La resolución gráfica de este problema se inicia combinando los dos términos conocidos de la ecuación (h), localizando así las posiciones de los puntos B y D, como se muestra en la figura 2-14, 'l/V Vv Vo v", S = RDA -RBA = RCB -RCD (k) Se aplica entonces el procedimiento de resolución para el caso 2e, dos direcciones desconocidas, para encontrar la ubicación del punto C; y se obtienen dos solu ciones posibles, 83, 84 Y 8';, 84, A continuación se aplica la ecuación (j) para determinar las dos direcciones posible de RPB• Luego se puede resolver la ecuación (0, siguiendo los procedimien tos para el caso 1. Por último se obtienen dos soluciones para la solución del punto Rp y Rp; y ambas son soluciones válidas para las ecuaciones (h) a (J); aunque pudo suceder que la posición Rp no se lograra físicamente a partir de la confi guración ilustrada en la figura 2-13, sin desmontar el mecanismo. Partiendo de los ejemplos de la corredera-manivela y el eslabonamiento de cuatro barras, es obvio que el análisis gráfico de la posición requiere precisamente de las mismas construcciones que se elegirían por razones naturales al dibujar a es· cala el mecanismo en la posición que se está considerando. En virtud de esto, el procedimiento se antoja trivial y parecería que no merece en realidad el título de
- 66. 50 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS análisis; sin embargo, esto suele ser en extremo engañoso. Como se verá en las siguientes secciones, el análisis de posición de un mecanismo es un problema al gebraico no lineal cuando se trata por métodos analíticos o de computadora. A decir verdad, constituye el problema más difícil dentro del análisis cinemático y esta �s la razón primordial por la que las técnicas gráficas de resolución han conservaao su atractivo dentro del análisis de los mecanismos planos. 2-8 SOLUCIONES DE ÁLGEBRA COMPLEJA DE ECUACIONES VECTORIAI.ES EN EL PLANO En problemas en el plano, con frecuencia conviene expresar un vector especifican do su magnitud y dirección en notación polar R=Ra En la figura 2-15a, el vector bidimensional R =Rxi+RYj tiene dos componentes rectangulares de magnitudes RX = R cos 8 RY = RsenO siendo (2-20) (2-21) (2-22) (2-23) Se observará que aquí se eligió arbitrariamente aceptar la raíz cuadrada positiva para la magnitud R al calcularla a partir de las componentes de R. Por consiguien te, se debe tener sumo cuidado al interpretar los signos de RX yRY por separado al decidir lo referente al cuadrante de (J. Nótese que (J se define como el ángulo que va del eje positivo x al extremo positivo del vector R, medido en torno al origen del vector, y es positivo cuando se mide en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj. y (a) (b) Figura 2-15 Correlación de los vectores en el plano y los números complejos.
- 67. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO51 y A=lOl1Q: C=A+B = 16.6/10.1o Figura 2-16 Ejemplo 2-2. Ejemplo 2-2 Exprésense los vectores A = 10/300 Y B = 8/-15° en notación rectangulart y hállese su suma. SOLUCiÓN Los vectores se muestran en la figura 2-16 y son: A = 10 cos 300 I+10 sen 30° j = 8.661+5.00j B = 8 cos (-15°) 1+8 sen(- W) j = 7.731 2.07J C = A+B = (8.66+7.73)1+(5.00-2.07)j = 16.39l+2.93j La magnitud de la resultante se calcula tomando como base la ecuación (2-23) e = V16.39'+2.932 16.6 al igual que el ángulo 0- t -, 2 . 93 10.1° - an 16.39 El resultado final en notación para el plano es C = 16.6/10.1° Resp. Otra manera de abordar analiticamente los problemas vectoriales bidimen sionales es a través del álgebra compleja. Aunque los números complejos no son vectores, se pueden usar para representar vectores en un plano, eligiendo un origen y los ejes real e imaginario. En los problemas dnemáticos bidimensionales, estos ejes se pueden escoger según convenga para que coincidan con los ejes x¡y¡ del sis tema absoluto de coordenadas. Como se ilustra en la figura 2-15b, la localización de cualquier punto en el plano se puede especificar ya sea por su vector de posición absoluta o mediante sus coordenadas real e imaginaria correspondientes R= R' +jRY en donde el operador j se define como el número imaginario unitario j Y-l (2-24) (2-25) t Muchas calculadoras están equipadas para realizar directamente conversiones polares a rec tangulares y viceversa.
- 68. 52 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS La utilidad real de los números complejos en el análisis en el plano se debe a la facilidad con la que se pueden pasar a la forma polar. Si se usa la notación com pleja rectangular para el vector R, se puede escribir R= RIe = R cos e +jR sene (2-26) Sin embargo, si se emplea la por lo demás bien conocida ecuación de Euler de la trigonometría, e"j8 cosO ±j senO R también se puede escribir en la formapolar compleja como R= Rej(J (2-27) (2-28) en donde la magnitud y la dirección del vector se indican explicitamente. Como se verá en los dos capítulos siguientes, la expresión de un vector en esta forma es muy útil cuando es necesario derivar. Se obtendrá cierta familiarización con las útiles técnicas de manejo de vectores escritos en las formas complejas polares, resolviendo una vez más los cuatro casos de la ecuación de cierre del circuito. Si la ecuación (2-16) se expresa en la forma compleja polar se obtiene En el caso 1, las dos incógnitas son e y Oc. La resolución se inicia separando las partes real e imaginaria; y luego, mediante la sustitución de la ecuación de Euler (2-27), se obtiene C(cos ec + j senec)= A(coseA +j senOA) + B(coseB +j seneB) (a) Al igualar los términos reales e imaginarios por separado, se obtienen dos ecuacio nes reales correspondientes a las componentes horizontal y vertical de la ecuación vectorial bidimensional: e cosOc= A cosOA + B cos 08 e sen Be= A sen8A + B sen BB (h) (e) Si se elevan al cuadrado y suman estas dos expresiones se elimina Oc Y se encuen tra una solución para e (2-30) La raíz cuadrada positiva se escogió arbitrariamente; la raíz cuadrada negativa daría una solución negativa para e con una diferencia de 1800 en Oc. El ángulo Oc se encuentra como sigue (J = tan-I A seneA+B seneB e A cos OA+B cos eB (2-31)
- 69. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO53 en donde los signos del numerador y el denominador se deben considerar por separado al determinar el cuadrante apropiadot de Oc. Sólo se encuentra una solución para el caso 1 , como se ilustró con anticipación en la figura 2-8. Para el caso 2a las dos incógnitas de la ecuación (2-29) son las dos magnitudes A y D. En este caso la solución gráfica es la que se dio en la figura 2-9. Una manera conveniente de resolverlo en la forma compleja polar es dividir primero la ecuación (2-29) entre ei6A (d) Si se compara esta ecuación con la figura 2-17, se ve que la división entre la forma compleja polar de un vector unitario ej6,� tiene el efecto de hacer girar los ejes real e imaginario en el ángulo (}A, de tal suerte que el eje real queda a lo largo del vector A. Ahora es factible usar la ecuación de Euler (2-27) para separar las componentes real e imaginaria. C cos (lJe - (JA) = A+B cos «(JB lJA) C sen(lJe - OA) = B sen«(JB - eA) (e) (f) y se observa que el vector A, que ahora es real, se eliminó de una de las ecua ciones. La solución paraBse encuentra con facilidad: (2-32) La solución para la otra magnitud desconocida, A, se calcula exactamente de la misma manera. Si la ecuación (2-29) se divide entre ei8B, el eje real se alinea a lo t Las calculadoras de diferentes marcas varían entre sí en lo que respecta al manejo de las unidades y el cuadrante de los ángulos. Es necesario que cada persona se familiarice con las caracteristicas de su propia calculadora. Eje imaginario (a) Eje real Eje lb) real Eje imaginario F1gura 2-17 Rotación de los ejes mediante la división de la ecuación compleja polar entre �". a) Ejes originales, b) ejes después de la rotación.
- 70. 54- TEORíA DEMÁQUINASY MECANISMOS largo del vector B. Luego, la ecuación se separa en las partes real e imaginaria y se obtiene A = C sen(Oc - OB) sen(OA - 8B) Al igual que antes, el caso 2a ofrece una sola solución. (2- 33) La solución gráfica para el caso 2b es la que se ilustró en la figura 2-1 0. Las dos incógnitas son A y 8B• El proceso se inicia alineando el eje real a 10 largo del vector A y separando las partes real e imaginaria, como se hizo en el caso 2a. Las soluciones se obtienen de un modo directo a partir de las ecuaciones (e) y U) O .a + -1 C sen (OC - 8A) B = VA sen B (2-34) (2-35) Nótese que el término del arco seno tiene un doble valor y, por ende, el caso 2b conduce a dos soluciones distintas, A, 8B Y A', 8�. El caso 2c tiene como incógnitas a los dos ángulos 8A Y OB. La solución gráfica se presentó en la figura 2-1 1 . En esta situación se alinea el eje real a lo largo del vector e, (g) Si se usa la ecuación de Euler para separar las componentes y luego reacomodar los términos, se obtiene A cos (OA - Oc) = C-B cos (OB - Oc) A sen(8A 8c) = -B sen(6B - 6c) Las dos ecuaciones se elevan al cuadro y se suman, lo que da N = C2 + B2- 2BC cos (8B Oc) (h) (i) Esto se reconoce como la ley de los cosenos para el triángulo vectorial. Esta ex presión se puede resolver para 08 como sigue C2 + B2 - A2 6c ::¡:: COS� I 2CB (2-36) Pasando C al otro miembro de la ecuación (h), antes de elevar al cuadradoy sumar se obtiene otra forma de la ley de los cosenos, según la cual C2 + A2 - B1: 6A == Oc ± COS< I 2CA (2-37) Los signos más o menos en estas dos ecuaciones son un recordatorio de que cada uno de los arcos cosenos tienen dos valores y, en consecuencia, cada uno de OB y
- 71. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO55 eA tienen dos soluciones. Estos dos pares de ángulos se suelen combinar natural mente como eA, 08 y eA, O B , bajo la restricción expresada en la ecuación (l) antes citada. Por ende, el caso 2c ti,ne dos soluciones distintas, como se ilustra en la figura 2-1 1 . - 2-9 SOLUCIONES DE CHACE PARA ECÜACIONES VECTORIALES EN EL PLANO Como se vio en la sección previa, el álgebra aplicada para resolver incluso las ecuaciones vectoriales en el plano más simples suele hacerse en extremo abruma dora. Chace fue el primero en aprovechar la brevedad de la notación vectorial en la obtención de soluciones explícitas en forma cerrada, tanto para ecuaciones vec toriales bidimensionales como tridimensionales. t En esta sección se estudiarán sus soluciones para ecuaciones en el plano, por lo que respecta a los cuatro casos de la ecuación de cierre del circuito. Las soluciones tridimensionales se expondrán en el capitulo 1 1 , que se ocupa de los mecanismos espaciales. Aquí se volverá a usar la ecuación (2-16), que es la expresión vectorial típica en el plano, que dada en términos de magnitudes y vectores unitarios se puede es cribir como sigue ce AA+B8 (2-38) y puede contener dos incógnitas consistentes en dos magnitudes, dos direcciones o una magnitud y una dirección. El caso 1 es la situación en el que la magnitud y la dirección del mismo vector, por ejemplo , e y e, constituyen las dos incógnitas. El método de solución para es te caso se ilustró en el ejemplo 2-2. La forma general de la solución es e = (A. i+B . bi+(A• j+B . j)j (2-39) En el caso 2a, las incógnitas son las magnitudes de dos vectores diferentes, por ejemplo, A y B. El método de Chace para este caso consiste en eliminar una de las incógnitas tomando el producto escalar de cada vector con uno nuevo escogido de tal manera que se elimine una de las incógnitas. Se puede eliminar el vector B tomando el producto escalar de cada término de la ecuación con 8 x k. e . (8 x k) = AA . (8 x k)+ B8 . (8 x k) (a) Por lo tanto, puesto que 8 x k es perpendicular a 8, 8 ' (8 x k) = O; de donde, A = � . (�X�) A· (B Xk) (2-40) t M. A. Chace, "Vector Analysis of Linkages", J. Ef1g. Ind., serie B, vol. 55, no. 3, pp. 289-297, agosto 1963.
- 72. 56 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS La magnitud desconocida B se obtiene del mismo modo e · (Á x k) B = A A A B · (A X k) (2-41) Para el caso 2b, las incógnitas son la magnitud de un vector y la dirección de otro, por ejemplo A y R. La resolución del caso se inicia eliminando a A de la ecuación (2-38) e . (Á x k) = BR . (Á x k) Ahora, basándose en la definición del producto escalar de dos vectores, se observa que P . Q = PQ cos q, BR ' (Á x k) = B cos <p (b) (e) en donde q, es el ángulo comprendido entre los vectores R y (Á x k). En conse cuencia, cos q, = R . (Á x k) (d) Los vectores Á y Á x k son perpendiculares entre sí y, por ende, se está en libertad de elegir otro sistema de coordenadas iíl que tenga las direcciones i = Á x k y íl = Á. En este sistema de referencia, el vector unitario desconocido R se puede escribir como R = cos q, (Á x k) + sen <p Á (e) Si se hace ahora la sustitución de la ecuación (d) en la (b) y se resuelve para cos q" se obtiene Luego, A.. c · (Á x k) COS 'l' = B (f) (g) Sustituyendo las ecuaciones (f) y (g) en (e) y multiplicando ambos miembros por la magnitud conocida B se obtiene (2-42) Para determinar el vector A es posible que se desee aplicar en forma directa la ecuación (2-38) y hacer la sustracción vectorial. De otra manera, si se sustituye la (2-42) y se reordena, da (h) Los dos primeros términos de esta ecuación se pueden simplificar como se indica en la figura 2-18a. La dirección Á x k se localiza a 90° en el mismo sentido del
- 73. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO57 A A/ fJ. � A (a) (b) Figura 2-18 movimiento de las manecillas del reloj, a partir de la dirección A. La magnitud C . (A x k) es la proyección de e en la dirección A x k; de donde, cuando se resta de e, [C · (A x k)J(A x k) el resultado es un vector de magnitud c · Aen la dirección A. Con esta sustitución, la ecuación (h) se convierte en (2-43) Finalmente, en el caso 2c las incógnitas son las direcciones de dos vectores diferentes, por ejemplo A y B. Este caso se ilustra en la figura 2-18b, en donde se dan el vector e y las dos magnitudes A y B. El problema se resuelve encontrando los puntos de intersección de dos círculos de radios A y B. El proceso se inicia definiendo un nuevo sistema de coordenadas Xp. cuyos ejes se dirigen de tal modo que X = e x k y p. = e, como se muestra en la figura. Si las coordenadas de uno de los puntos de intersección en el sistema Xp. se designan como u y v, entonces, A = uX + v p. y B = -u X + (C v)p. La ecuación del círculo de radioA es El círculo de radio B tiene la ecuación o bien, u2 + v2 - 2Cv + Cl = B2 Al restar la ecuación (k) de la (¡) y resolviendo para v se obtiene Al B2 + C2 v = 2C (i) (k)
- 74. 58 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Al sustituir esto en la (¡) y después de resolver para u da I (A2 B2+C2)2 u =±-yA2 2C (m ) El paso final consiste en sustituir estos valores de u y v en las ecuaciones (1) y reemplazar ). y Jl según sus definiciones . Los resultados son A=±�A2_(A2_:�+C)2(C Xk)+A2_:�+C2C B = +�A2-(A2-:�+czy(C x k)+B2-:�+C2C 2-10 ANÁLISIS ALGEBRAICO DE LA POSICIÓN DE ESLABONAMIENTOS PLANOS (2-44) (2-45) Esta sección ilustra varios métodos algebraicos para abordar el análisis de posición de mecanismos planos. Las tres principales ventajas de estos, en comparación con el planteamiento gráfico de la sección 2-7, son 1) la mayor exactitud que se puede lograr, 2) el hecho de que son apropiados para hacer las evaluaciones en com putadora o calculadora y 3) el hecho de que una vez que se encuentra la forma de la solución, se puede evaluar para cualquier conjunto de dimensiones O posiciones diferentes de los eslabones, sin necesidad de reiniciar el proceso. Como se verá, la principal desventaja es que la naturaleza de las ecuaciones suele conducir a ma nipulaciones algebraicas tediosas para encontrar la forma de la solución. Regresemos al análisis del mecanismo de corredera-manivela ilustrado en la figura 2-12, que se resolvió gráficamente en la sección 2-7. Una de las maneras más comunes de plantear este problema desde el punto de vista algebraico es observar en la figura que la posición vertical del punto Bse puede relacionar con la longitud y el ángulo del eslabón 2, o bien, del 3. Por consiguiente de modo que sen (h = Asimismo, por la geometría de la figura 2-12a, es evidente que Rc =RBA cos ()2 +RCB cos ()3 que se puede reordenar para que quede Rc RBA cos ()2 RCB tos ()3 (a) (b) (e) (d)
- 75. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO59 Luego, elevando al cuadrado las ecuaciones (a) y (d), se elimina la incógnita 83 R� - 2ReRBA COS 82+R�A =Rh (e) Esta ecuación se puede resolver para el ángulo desconocido e2 como una función de la posición de la corredera Re, e - -1 R�+R�A - Rh 2 - cos 2RcRBA (2-46) Sustituyendo este resultado en la (d) se obtiene una ecuación que puede resolverse para el otro ángulo desconocido (h . R2 + Rz - Rz (h == cos-I e CH HA 2ReReB (2-47) Aunque trascendentes, se trata de soluciones de forma cerrada que se pueden evaluar rápidamente para cualquier conjunto de parámetros dimensionales en cualquier posición Re de la corredera. En las aplicaciones más usuales del mecanismo de corredera-manivela, se da el ángulo de esta última, O2, y lo que es preciso hallar es el ángulo de la biela, 03 • y la posición de la corredera Re. Este problema se puede resolver recordando que dado cos (h = ±Yl -sen2 03 según la ecuación (b), se tiene que cos e3 = R 1 YRh - R�Asen2 (h CB (2-48) en donde se eligió la raíz cuadrada positiva de tal modo que corresponda a la fi gura 2-12a; la raíz cuadrada negativa designa un montaje diferente de los eslabones en el que el pistón está a la izquierda del punto A. Por lo expresado en las ecua ciones (e) y (2-48), la posición del punto e es (2-49) Al inciar el análisis algebraico, es posible que el estudiante se pregunte cómo se reconocerán las ecuaciones "apropiadas" a partir de la figura, cómo se sabrá en dónde buscar o cuándo se tienen las suficientes ecuaciones. Una de las ventajas del método del álgebra compleja de la sección 2-8 es que es una guía en el desarrollo de estas ecuaciones iniciales. Haciendo referencia una vez más a la figura 2-12a, se puede escribir la ecuación de cierre del circuito en la forma polar compleja Re = RBAei92+ RCBei83 (j) en donde Xl se toma como el eje real. Al aplicar la fórmula de Euler (2-27), se pueden separar los términos real e imaginario de la ecuación anterior. Las dos ecuaciones que resultan son precisamente las que se obtienen de la figura como las ecuaciones (e) y (a).
- 76. 60 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Ya sea que estas ecuaciones se obtengan directamente de la figura o por el uso de la ecuación compleja polar de cierre del circuito, el proceso de resolución se puede desarrollar como se describió antes, recurriendo a las operaciones necesarias para resolver simultáneamente estas ecuaciones. Sin embargo, con el método del álgebra complej a, con frecuencia se puede reconocer la ecuación de cierre del cir cuito original como uno de los cuatro casos estándar y, por ende, se escribe in mediatamente la solución basándose en las deducidas en la sección 2-8. Por ejem plo, las ecuaciones (2-46) y (2-47) resultan directamente por la forma de la ecuación (j) como caso 2e, y al sustituir los símbolos apropiados en la solución es tándar, ecuaciones (2-36) y (2-37). Del mismo modo, las ecuaciones (2-48) y (2-49) son ejemplos del caso 2b y pudo hallarse directamente de las ecuaciones (2-34) y (2-35). Para resolver el mismo problema aplicando el método de Chace, se principia escribiendo la ecuación de cierre del circuito basándose en la figura 2-12a (g) Si se da O2• las incógnitas de esta ecuación son la magnitud Re y la dirección ReB• La solución corresponde al caso 2b y se encuentra haciendo las sustituciones apropiadas en las ecuaciones (2-42) y (2-43), ReB - [RBA • (Re x k)](Re x k)+YRh [RBA • (Re x k)]2 Re Re = [RBA • Re+yRh - [RBA • (Re x k)f]lle (2-50) (2-51) Ejemplo 2·3 Úsense las ecuaciones de Chace para encontrar la posición de la corredera ilustrada en la figura 2-1 2, siendo RB1 = 25 mm. RCB 75 mm. y 8, = 1 50°. SOLUCIÓN Poniendo los datos en forma vectorial se tiene Rs., = 25{cos 150)1 + 25(sen 1 50)j = -2 1 .71 + 12.5j RCR = 75 Rc = i Nótese que Rr x k = Asi pues, después de las sustituciones en la (2-51) da Rc = {(-2 1 .7¡ + 12.�j) . ¡ + V(75)' - [(-21 .7¡ + 1 2.51> · Mí = 50.21 mm Res p. El análisis del eslabonamiento de cuatro barras es un problema clásico cuya solución data desde hace poco más de un siglo . La solución gráfica se ilustró en las figuras 2-13 y 2-14. Este mismo problema se presenta aquí para ilustrar con mayor amplitud las técnicas algebraicas de solución, y la notación utilizada se define en la figura 2-19. En esta ilustración se observa que s es la distancia diagonal BD. Se puede es cribir la ley de los cosenos para el triángulo BAD y, una vez más, para el triángulo BCD. En términos de las longitudes de los eslabones y los ángulos definidos en dicha figura, se tiene
- 77. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO61 s = Vri + d 2rlr2 cos fh (h) r2 +r2 S 2 ± COS� 1 3 4 2r3r4 (i) en donde los signos más o menos se refieren a las dos soluciones para el ángulo de transmisión 'Y y y', respectivamente. La ley de los cosenos se puede volver a es cribir para los mismos dos triángulos con el fin de hallar los ángulos <p y "", 2 2 2 A. -1 rl +s - r2 '1' = cos 2rlS (j) (k) en donde se observa, como lo seftala la figura, que las magnitudes de <p y "" son menores que 1 800, Y que "" siempre es positivo en tanto que sen <p lleva el mismo signo que sen 82• Con base en esto se encuentran los ángulos desconocidos 83 y 84 • 84=180o- <p + 1/! (h=84 - 'Y (2-52) (2-53) en donde los signos menos o más representan una vez más, respectivamente, las dos cerraduras 84 y 04, Para resolver el mismo problema aplicando el método de Chace, primero se construye el vector Luego, el triángulo BCD da la ecuación vectorial s = r3r3 r4r4 (1) (m) en donde se desconocen las dos direcciones r3 y r4 . Este es el caso 2e y las solu ciones están dadas por las ecuaciones (2-44) y (2-45). Después de efectuar las sus tituciones correspondientes da r3 ±�d-(d-;!+s)sxfc.)+d ;!+s (2-54) (2-55) El conjunto superior de signos proporciona la solución para el eslabonamiento cruzado; y, por ende, el conjunto inferior se aplica al eslabonamiento abierto de la figura 2-19. Al resolver el mismo problema con álgebra compleja, se podría adaptar la solución estándar del caso 2e, como se hizo antes. No obstante, si no se hace así, ilustrará algunas técnicas útiles de manipulación. Se principia escribiendo la
- 78. 62 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Xl Figura 2-19 D Xl (b) ecuación de cierre del circuito en la forma compleja polar. Con la notación de la figura 2-1 9 se tiene que (n) en donde se elige Xl como el eje real. Si se aplica la fórmula de Euler, se separan las partes real e imaginaria de la ecuación T2 cos (J2 + T) cos (h = rl + T4 COS (}4 r2 sen (}2 + T} sen (h = r4 sen 84 (o) (p) en donde los ángulos (h y 84 son las dos incógnitas. A continuación se reaco modan estas ecuaciones para aislar los términos en 83 r3 cos (}3 r4 cos 84 - r2 COS 82 + TI T} sen (}3 r4 sen 84 - T2 sen (}2 y se elevan al cuadrado y suman ambas ecuaciones d = d + d + d + 2T1T4 COS (J4 - 2Tl r2 COS 82 2T2r4 COS «(J4 - (2) (q) eliminando así a la incógnita 83• Se puede combinar un cierto número de las cantidades conocidas de esta ecuación y reducir su complejidad observando que, de acuerdo con la figura, S X = TI - r2 cos 82 S y = -T2 sen (}z -1 d + d - d - d + 2rl T2 cos (}2 y = cos 2T3r4 (r) (s) (2-56) en donde esta última ecuación es equivalente a las (h) e (1), antes mencionadas. Después de hacer las sustituciones y reacomodar, la (q) se reduce a
- 79. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO63 (t) Al manejar tanto el seno como el coseno del mismo ángulo desconocido en una sola ecuación, a veces conviene sustituir las identidades de la mitad de un án gulo que se deducen en la trigonometría, 1 tan! (r¡/2) cos 1/ = 1 + tan 2 (r¡/2) sen 1/ 2 tan (1//2) 1 + tan2 (1//2) (2-57) Al hacer las sustituciones correspondientes en la (t), se eliminan las fracciones y se reacomodan los términos, se obtiene una ecuación cuadrática, ('4 - '3 cos l' - SX) tan 2 �4 + 2sY tan �4 + ('4 - '3 COS l' + SX) = O (u) de la que se llega a dos soluciones t 84 -$Y ::¡: Y($y)2 - d + 2'3'4 COs l' - d cos2 l' + (sx)2 (v) an - = 2 '4 - '3 COS l' - SX Cuando se hacen las sustituciones de lo expresado en (r), (s) y (2-56), esto se reduce a Por consiguiente, tan 84 -sY ::¡: T3Y1 cos 2 l' 2 T4 - r3 COS 1' - S x (w) (2-58) Se puede hallar la solución para la otra incógnita, el ángulo 83, siguiendo un procedimiento completamente análogo. Al aislar los términos en 94 de las ecua ciones (o) y (P) antes de elevar al cuadrado y sumar, se elimina 94 y queda una ecuación cuadrática que puede resolverse para 83• La solución es (2-59) Una vez resuelto el eslabonamiento de cuatro barras básico, se busca una ex presión para la posición del punto P del acoplador. De la figura 2-1 9 y utilizando la notación compleja polar, se escribe (2-60) Esto se reconoce �omo caso 1 porque Rp y 86 son las dos incógnitas. Se pueden encontrar directamente las soluciones aplicando las ecuaciones (2-30) y (2-31), Rp = y,� + d+2'2'5 cos (83 + a - (2) 8 - t -1 T2 sen 9z + rs sen (83 + a - 8z) 6 - an '2 cos (}z + T5 cos ( 83 + a - (2) (2-61) (2-62)
- 80. 64 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Se observa que estas dos ecuaciones dan valores dobles que provienen de los va lores dobles para (h, y corresponden a las dos cerraduras del eslabonamiento. EJEMPLO 2-4 Calcúlese y trácese la gráfica de l a curva del acoplador d eu n eslabonamiento de cuatro barras con las siguientes proporciones: r¡ 200 mm, r2 = 1 00 mm, rl '" 250 mm, r, = 300 mm, " = 1 50 mm, y a -45°. La notación es la que se define en la figura 2-1 9. SOLUCIÓN Para cada ángulo (h, de la manivela, el ángulo de transmisión'Y se evalúa partiendo de la ecuación (2-56). A continuación, se aplica la (2-59) para obtener (J,. Por último, la posición del punto del acoplador se calcula aplicando las ecuaciones (2-61 ) y (2-62). Las soluciones para los primeros ángulos de la manivela se dan en la tabla 2-1 . La curva completa del acoplador aparece en la figura 2-20. N6tese que s610 se calcula y representa gráficamente una de las dos soluciones. Tabla 2-1 Cálculo de la curva del acoplador para el ejemplo 2-4 82, grados 'Y,grados 8" grados 0.0 1 8.2 1 10.5 10.0 1 8.9 99.4 20.0 2 1 .0 87.8 30.0 23.9 77.5 40.0 27.4 69.2 50.0 31.3 62.9 60.0 35.2 58.4 70.0 39.2 55.2 80.0 43. 1 53.8 90.0 46.9 5 1 .8 Rp, mm 212 232 245 250 248 241 230 218 205 199 /;l",grados Rj" mm R¡', mm 42.6 36.9 33.7 3 1.5 3Ó.5 30.7 3 1 .8 33.5 36.3 38.4 162 1 36 186 1 39 204 1 36 2 1 3 1 3 1 2 1 3 1 26 207 1 23 1 96 1 2 1 182 1 20 166 1 2 1 1 49 1 18 Figura 2-20 Gráfica de la curva del acoplador del ejemplo 2-4.
- 81. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO65 Antes de abandonar el tema del eslabonamiento de cuatro barras, conside remos una vez más la ecuación (2-56) que define al ángulo de transmisión. Al variar el ángulo de la manivela, 82, se pueden hallar los extremos del ángulo de transmisión l' derivando la ecuación (2-56) con respecto a fh e igualando el resul tado a cero. Esto demuestra que los extremos ocurren en lJz = O Y 82 = 1800, Y es tán dados por d + d - (rl + r� 2 d + d- (rl - r� 2 2r3r4 < cos l' =:; 2r3r4 (2-63) Por supuesto, lo anterior presupone que la manivela de entrada es capaz de des cribir una rotación completa. Si no se trata de una cadena de Grashof (Sec. 1-8) o del tipo de manivela-oscilador o doble manivela, la manivela estará limitada a un intervalo de valores de 82• Fuera de este intervalo, los cálculos presentarán ciertas dificultades; la magnitud del argumento del arco coseno de la ecuación (2-56) será mayor que lá unidad y no se encontrará una solución real para 1'. Los límites de este intervalo están dados por Ti + d - (r3 + r4)2 < 8 < Ti + d - (r3 '4)2 2 _ cos 2 - 2 rlr2 rlr2 (2-64) 2-11 DESPLAZAMIENTO DE UN PUNTO EN MOVIMIENTO Hasta ahora, este estudio se ha ocupado exclusivamente de una sola posición ins tantánea de un punto; pero como se desea estudiar el movimiento, es preciso in teresarse en la relación entre una sucesión de posiciones. En la figura 2-21, una partícula, situada originalmertte en el punto P, se está moviendo a lo largo de la trayectoria indicada y, en un instante posterior, llega a la posición Pi. El des plazamiento ARp del punto durante el intervalo de tiempo se define como el cambio neto de posición, y -..-....... p' " ,- .-'" 'f- J _/ .1Rp .. ..-Trayectoria del punto P ...../ ¡ p ·��--------------------x z (2-65) Flgura 2-21 Desplaza miento de un punto en mo vimiento .
- 82. 66 TEORtA DEMÁQUINAS y MECANIS MOS El desplazamiento es una cantidad vectorial que tiene la magnitud y la dirección del vector que va del punto P al Pi. Es importante hacer notar que el desplazamiento 4Rp es el cambio neto de posición y no depende de la trayectoria particular seguida entre los puntos P y Pi. Su magnitud no es necesariamente igual a la longitud de la trayectoria (la distancia recorrida) y la dirección no es necesariamente a lo largo de la tangente a la trayec toria, aunque ambas cosas son verdaderas cuando el desplazamiento es infinite simalmente pequeño. Ni siquiera es necesario conocer la verdadera trayectoria seguida entre P y P', para poder encontrar el vector desplazamiento, siempre y cuando se conozcan las posiciones inicial y final. 2-12 DIFERENCIA DE DESPLAZAMIENTOS ENTRE DOS PUNTOS En esta sección se estudia la diferencia en los desplazamientos de dos puntos en movimiento. Se verá en particular el caso en el que los dos puntos móviles son par tículas del mismo cuerpo rígido. Esta situación se ilustra en la figura 2-22, en don de el cuerpo rigido 2 se mueve desde una posición inicial definida por XZY2Z2 a otra posterior definida por x2ylzí. Según la (2-6) , la diferencia de posición entre los dos puntos P y Q del cuerpo 2 en el instante inicial es (a) -Y2 ..J-:-- - - - - - - - - - -- - ------ x, °1 Z l Figura 2-221Diferencia de desplazamiento entre dos puntos del mis�o cuerpo rígido.
- 83. POSICIÚN y DESPLAZAMIENTO67 Después de efectuarse el desplazamiento del cuerpo 2, los dos puntos se localizan en P' y Q'. En ese instante, la diferencia de posición es RpQ = Rp RQ (b) Durante el intervalo de tiempo en el que se desarrolla el movimiento, los dos pun tos sufrieron los desplazamientos individuales ARp y ARQ, respectivamente. Como su nombre lo implica, la diferencia de desplazamiento entre los dos puntos se define como la diferencia neta entre sus desplazamientos respectivos y se le asigna el simbolo ARpQ (2-66) Nótese que esta ecuación corresponde al triángulo vectorial PP*P' de la fi gura 2-22. Como se dijo en la sección anterior, el desplazamiento sólo depende del cambio neto de posición y no de la trayectoria seguida. Por lo tanto, no importa cómo se desplazó realmente el cuerpo que contiene a los puntos P y Q, se tiene la libertad de concebir la trayectoria como se desee. La ecuación (2-66) conduce a pensar en el desplazamiento como si se hubiera efectuado en dos etapas. En primer lugar, el cuerpo se traslada (se desliza sin rotación) desde X2Y2Z2 hasta xhrzt; en el curso de este movimiento, todas las partículas, incluyendo a P y Q, tienen el mis mo desplazamiento ARo- A continuación, se concibe el cuerpo como si girara en torno al punto Q' describiendo el ángulo á(J hasta llegar a la posición final xiyízí. Mediante el manejo de la (2-66) se puede obtener una interpretación diferente ARpQ = (Rp Rp) - (RQ - RQ) = (Rp - RQ) - (Rp - RQ) y luego, basándose en las ecuaciones (a) y (b), ARpQ = RÍ>Q - RpQ (e) (2-67) Esta ecuación corresponde al triángulo vectorial Q'P*P' de la figura 2-22 y de muestra que la diferencia de desplazamiento, definida como la diferencia entre dos desplazamientos, es igual al cambio neto entre los vectores de diferencia de po sición. En cualquiera de las dos interpretaciones, se está ilustrando el teorema de Euler, el cual afirma que cualquier desplazamiento de un cuer po rigido es equi valente a la suma de una translación neta de un punto (Q) y una rotación neta del cuerpo en torno a ese punto. También se ve que sólo la rotación contribuye a la diferencia de desplazamiento entre dos puntos del mismo cuerpo rigido, es decir, no existe diferencia alguna entre los desplazamientos de dos puntos cualesquiera del mismo cuerpo rí gido como resultado de una translación . (Véase la sección 2- 13 en donde se da la definición del término translación.) En vista de lo antes expuesto, es factible representar la diferencia de des plazamiento ARpQ como el desplazamiento del punto P que veda un observador que se mueve junto, coincidiendo siempre con el punto Q; pero sin girar con el
- 84. 68 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS cuerpo.. en movimiento, es decir, utilizando siempre los ejes de coordenadas ab solutas x¡y¡z¡ para medir la dirección. Es importante entender con claridad la diferencia entre la interpretación de un observador que se mueve con el punto Q, pero sin girar, y el caso del observador que está sobre el cuerpo en movimiento. Para un observador colocado sobre el cuerpo 2, los dos puntos P y Q parecerían estacionarios, es decir, ninguno aparentaría tener un desplazamiento ya que no se mueven en relación con el observador, y la diferencia de desplazamiento vista por un observador que guarda esta posici6n sería cero. 2-13 ROTACIÓN Y TRANSLACIÓN Aplicando el concepto de diferencia de desplazamiento entre dos puntos del mismo cuerpo rigido, ahora se puede definir la translaci6n y la rotación. La translaci6n se define como un estado de movimiento de un cuer po para el que la diferencia de des plazamiento entre dos puntos cualesquiera, P y Q del mis mo, es cero o bien, basándose en la ecuación de la diferencia de desplazamiento (2- 66), .:iRpQ = .:iRp - .:iRQ O .:iRp = .:iRQ (2-68) lo cual afirma que los desplazamientos de dos puntos cualesquiera del cuer po son iguales. La rotaci6n es un estado de movimiento del cuerpo para el que puntos diferentes del mismo presentan desplazamientos diferentes. En la figura 2-23a se ilustra una situación en la que el cuerpo se ha movido a lo largo de una trayectoria curva, de la posición X2Y2 a la xíyí. A pesar del hecho de que las trayectorias de los puntos son curvas,t .:iRp sigue siendo igual a liRQ y el cuerpo ha sufrido una translación. Se observa que en la translación las trayec- (a) (b) Figura 2-23 a) Translación /lRp = /lRQo /l02 O; b) rotación : /lRp # 1l.RQo 1::.02 # O. t La translación en la que las trayectorias de los puntos no son rectas se denomina en ocasiones translación curvilinea. ....
- 85. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO69 torias de los puntos, descritas por dos puntos cualesquiera del cuerpo, son idén ticas y no existe cambio alguno en la orientación angular entre ei sistema de coordenadas en movimiento y el sistema de coordenadas del observador, di cho de otra manera !:J.82 = 82 - 82 = O. En la figura 2-23b, el punto central del cuerpo en movimiento está restringido a moverse siguiendo una trayectoria rectilinea. Con todo, conforme lo hace, el cuerpo gira de tal manera que !:J.02 = 82 - 82 :;i= O Y los desplazamientos 4Rp y 4.RQ no son iguales. Incluso aunque no exista un punto obvio del cuerpo en torno al cual haya girado, el sistema de coordenadas XiY2 ha cambiado su orientación an gular relativa a X¡YI> Y se dice que el cuerpo efectuó una rotación. Nótese que las trayectorias de los puntos descritas por P y Q no son iguales. En estos dos ejemplos se ve que la rotación o la translación de un cuerpo no se pueden definir basándose en el movimiento de un solo punto; y que se trata de movimientos característicos de un cuerpo o de un sistema de coordenadas. No se puede hablar de "rotación de un punto" porque no tiene significado hablar de la orientación angular de un punto. También es incorrecto asociar los términos rotación y translación con las características rectilineas y curvilíneas de la trayec toria de Wl solo punto. Aunque no importa qué puntos del cuerpo se elijan, es preciso comparar el movimiento de dos o más puntos para contar con definiciones significativas de estos términos. 2-14 DESPLAZAMIENTO APARENTE Ya se hizo notar que el desplazamiento de un punto en movimiento no depende de la trayectoria particular recorrida; sin embargo, puesto que el desplazamiento se calcula a partir de los vectores de posición de los puntos extremos de la trayec toria, es esencial conocer el sistema de coordenadas del observador. Considérese una partícula P3 que se mueve a lo largo de una trayectoria conocida en un sistema de coordenadas X2Y2Z2, que, a su vez, se mueve con respec to al sistema de referencia absoluto X¡YIZ¡, como se ilustra en la figura 2-24. Def mamos también otro punto P2 que esté rígidamente fijo al cuerpo en movi miento 2, es decir, que sea estacionario con respecto al sistema de coordenadas X2Y2ZZ, Y que inicialmente coincida con el punto P3• Tal y como la ve un observador absoluto �en el sistema de coordenadas X1YIZI), después de un intervalo de tiempo determinado, la partícula P3, parece haberse movido a una nueva ubicación p!, con el desplazamiento 4.Rp3• El punto P1 , al formar parte del cuerpo 2, se mueve de un modo diferente a P3 , llega a una nueva ubicación Pi con el desplazamiento 4.Rp2• No obstante, la situación parece muy diferente si la observa una persona colocada en el sistema de coordenadas móviles X2Y2Z2' Este observador sólo ve el
- 86. 70 TEoRÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 2-24 Desplazamiento aparente de un punto. ----- Xl desplazamiento aparente ARt'J/2 de la partícula P3 , conforme recorre la trayec toria en su sistema de coordenadas. Puesto que la trayectoria está fija en un sis tema de coordenadas, no detecta su movimiento y, por ende, no observa el mismo desplazamiento de P3 que percibe el observador absoluto. El punto P2 se antoja estacionario a los ojos de este observador y, por lo tanto, ARpl/2 O. Según el triángulo vectorial ilustrado en la figura 2-24, es evidente que las per cepciones de los dos observadores están relacionadas por la ecuación de despla zamiento aparente (2-69) Se puede tomar esta ecuación como la definición del veétor de desplazamiento aparente, aunque también es primordial entender los conceptos físicos que inter vienen. Nótese que el vector de desplazamiento aparente relaciona los desplaza mientos absolutos de dos puntos coincidentes que son partículas de diferentes cuerpos en movimiento. Nótese también que no existe restricción alguna para la ubicación real del observador que se mueve junto con el sistema de coordenadas 2, sólo que debe estar fijo en ese sistema, de manera que no perciba el desplazamien to del punto P2• Uno de los usos principales del desplazamiento aparente es determinar un des plazamiento absoluto. No es raro encontrar en las máquinas un punto semejante al P3 que esté restringido a moverse siguiendo una ranura, trayectoria o curso de finido por la forma de otro eslabón móvil 2. En tales casos quizá resulte mucho más conveniente medir o calcular ARp¡ y ARp¡/2 en combinación con la (2-69), que medir directamente el desplazamiento absoluto ARpJ'
- 87. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO71 2-15 DESPLAZAMIENTO ABSOLUTO Al reflexionar sobre la definición y el concepto del vector de desplazamiento aparente, se llega a la conclusión de que el desplazamiento absoluto de un punto móvil, ARP,lI ' es el caso especial de un desplazamiento aparente en el que el ob servador está fijo en el sistema de coordenadas absolutas. Como se explicó en el caso del vector de posición, a menudo se abrevia la notación usando :ARp3; o sim plemente ARp, y cuando no se indica en forma explícita, se presupone un obser vador absoluto . Es probable que se pueda lograr una mejor comprensión flsica del desplaza miento aparente relacionándolo con el desplazamiento absoluto. Imaginese un automóvil P3 que recorre una carretera y está siendo seguido por un observador absoluto a cierta distancia hacia un lado. Considérese cómo este observador per cibe visualmente el movimiento del automóvil. Aunque puede no estar consciente de todos los pasos que se citan a continuación, el argumento aquí es que el obser vador imagina primero un punto PI" que coincide con P3, el cual define en su mente como estacionario; quizá se relacione con un punto fijo de la carretera o un árbol cercano, por ejemplo. Luego compara sus observaciones posteriores del automóvil P3 con las de PI ' para detectar el desplazamiento. Nótese que no hace la comparación con sq propia ubicación. sino con el punto inicial PI . En este caso, la ecuación de desplazamiento aparente se convierte en una identidad: PROBLEMASt 2-1 Describase y trácese el lugar geométrico de un punto A que se mueve obedeciendo las ecuaciones R;' = at cos 27Tt, R � at sen 2-rrt, W , = O. 2-2 Encuéntrese la diferencia de posición del punto P al punte Q de la curva y X2 + X - 16. en donde R1> =" 2 y 4. 2-3 La trayectoria de un punto en movimiento se define mediante la ecuación y 2X2 28. Encuén trese la diferencia de posición del punto P al punto Q si Rf, = 4 y Ro = -3. 2-4 La trayectoria de un punto en movimiento P se define mediante la ecuación y 60 xl/3. ¿Cuál es el desplazamiento del punto si su movimiento principia cuando Rf, = O y concluye cuando Rf, = 3? 2-5 Si el punto A se mueve sobre el lugar geométrico del problema 2-1, hállese el desplazamiento desde t = 2 hasta t 2.5. 2-6 La posición de un punto está dada por la ecuación R = IOOei1"'. ¿Cuál es la trayectoria de dicho punto? Determínese el desplazamiento del punto, de t = 0.10 a t = 0040. 2-7 La ecuación R = (tl + 4)e-í�tIIO define la posición de un punto. ¿En qué dirección está girando el vector de posición? ¿En dónde se localiza el punto cuando t = 0.10 a t O? ¿Cuál puede ser el siguien- + Al asignar los problemas, es posible que el profesor desee especificar el método de resolución que deba aplicarse, en vista de la diversidad de planteamientos que se han presentado en el texto.
- 88. 72 TEORÍA DEMÁQUINAS y MECANISMOS te valor de t si la dirección del vector de posición debe ser la misma que cuando t O? ¿Cuál es el des plazamiento de la primera a la segunda posición del punto? 2-8 La ubicación de un punto se define con la ecuación R = (4t + 2)ei�t21J{) en donde t es el tiempo en segundos. El movimiento del punto se inicia en t = O. ¿Cuál es el desplazamiento durante los tres primeros segundos? Encuéntrese el cambio en la orientación angular del vector de posición durante el mismo intervalo de tiempo. 2 ((f>,.--'--�� -��-x1 Problema 2-9 2-9 El eslabón 2 de la figura gira obedeciendo a la ecuación 8 = '11't14. El bloque 3 se desliza hacia afuera sobre el eslabón 2 siguiendo la ecuación r = (2 + 2. ¿Cuál es el desplazamiento absoluto ARp, desde t 1 hasta t = 21 ¿Cuál es el desplazamiento aparente .:1Rp1l2? 2-10 Una rueda cuyo centro se encuentra en O se mueve rodando sin deslizamiento, de tal modo que su centro se desplaza 1 0 pulg hacia la derecha. ¿Cuál es el desplazamiento del punto P sobre la periferia durante este intervalo? ,y fEZ"' I �� .. - �".� . 10 I lp ;:r // // /./ // // ffi // / //7 // ffi / /é/ 7 /X IY ír ..Ji: A h'- ----' '--_ "I:¡B � 1,' A .'-+�. '�� Problema 2-10 Rueda en movimiento y Problema 2-11 RAOz = Reo.= 3 pulg. ReA R040z 6 pulg. 2-11 Un punto Q semueve desdeA hasta B a lo largo del eslabón 3 mientras que el eslabón 2 giradesde (h = 30° a O; = 120°. Encuéntrese el desplazamiento absoluto de Q. Problema 2-12 RAe = 200 mm, '" = 15°;Problema 2-13 RAO 1 pulg, RBA = 2.5 pulg, ReB = 7 pulg.
- 89. POSICIÓN Y DESPLAZAMIENTO73 2-12 El eslabonamiento ilustrado se impulsa moviendo el bloque corredizo 2. Escríbase la ecuación de cierre del circuito y resuélvase analiticamente el caso para la posición del bloque corredizo 4. Verifi quese gráficamente el resultado para la posición en la que 4> = -45°. 2-13 El mecanismo excéntrico de corredera-manivela se impulsa por la manivela giratoria 2. Escríbase la ecuación de cierre del circuito. Encuéntrese la posición de la corredera 4 en función de 82, 2-14 Escríbase un programa de calculadora para encontrar la suma de cualquier número de vectores bidimensionales expresados en formas rectangulares o polares combinadas. Es necesario que el resul tado se pueda obtener en cualquiera de las dos formas, haciendo que la magnitud y el ángulo de la for ma polar tenga sólo valores positivos. 2-15 Escríbase un programa de computadora para trazar la gráfica de la curva del acoplador de cual quier forma de manivela-oscilador o doble manivela del eslabonamiento de cuatto barras. El programa debe aceptar cuatro longitudes de los eslabones y coordenadas rectangulares o polares del punto del acoplador en relación con éste. (a) (e) Problema 2-16 (a)RcA RpB = 65 mm; (e) RBA RpB 4 pulg. B (d) 2 pulg,RSA = 3.5 pulg,Rpe = 4 pulg. (b) RcA = 40 mm,RSA 20 mm, Res RpB = 25 mm; (d) RDA = l pulg, RBA = 2 pulg, ReB Roc 3 pulg , 2-16 Para cada eslabonamiento ilustrado en la figura, hállese la trayectoria del punto P: a) mecanismo invertido de corredera-manivela; b) segunda inversión del mecanismo de corredera-manivela; e) me canismo de línea recta; d) mecanismo de eslabón de arrastre.
- 90. CAPíTULO TRES VELOCIDAD 3-1 DEFINICION DEVELOCIDAD En la figura 3-1 un punto en movimiento se observa primero en la ubicación P, definida por el vector de posición absoluta Rp. Después de un breve intervalo de tiempo, At, se observa que su posición ha cambiado a P', definida por Rp,. Se recordará que, según la ecuación (2-65), el desplazamiento durante este intervalo de tiempo se define como dRp Rp-Rp La velocidad promedio del punto durante el intervalo !:J.l es 4.Rp/!:J.t. Su ve locidad instantánea (que de aquí en adelante se llamará simplemente velocidad) se define por el límite de esta razón para un intervalo de tiempo infinitesimalmente pequefio y está dada por lim 4.Rp = dRp M-.Q!:J.t dt (3- 1) Puesto que dRp es un vector, hay dos convergencias al tomar este limite, la mag nitud y la dirección. Por lo tanto, la velocidad de un punto es una cantidad vec torial igual a la rapidez de cambio de su posición respecto al tiempo. Al igual que los vectores de posición y desplazamiento, el vector velocidad se define para un punto específico; "velocidad" no se debe aplicar a una recta, sistema de coor denadas, volumen u, otra colección de puntos, puesto que la velocidad en cada punto puede diferir. Se recordará que las definiciones de los vectores de posición Rp y RÍo> depen den de la ubicación y orientación del sistema de coordenadas del observador. Por
- 91. VELOCIDAD 75 ��----�-----------Xl 2'1 Figura3-1 DesplazallÚento de una partícula móvil. otro lado, el vector desplazamiento .1Rp y el velocidad Vp son independientes de la ubicación inicial del sistema de coordenadas o de la posición del observador" dentro de éste. No obstante, la velocidad Vp depende críticamente del movimiento del observador o del sistema de coordenadas, en caso de haberlo; por esto se supone que el observador es estacionario dentro del sistema de coordenadas. Si el sistema de coordenadas que interviene es el absoluto, la velocidad se considera velocidad absoluta y se denota con el símbolo VPI] o, sencillamente, Vp. Esto con cuerda con la notación que se utiliza para el desplazamiento absoluto. 3-2 ROTACIÓN DE UN CUERPO RÍGIDO Cuando un cuerpo rígido se traslada, como se vio en la sección 2-1 3, el movimien to de cualquier partícula individual es igual al movimiento de todas las demás del mismo cuerpo. Sin embargo, cuando el cuerpo gira, dos partículas arbitrariamente escogidas P y Q no describen el mismo movimiento y un sistema de coordenadas fijo al cuerpo no se mantiene paralelo a su orientación inicial; dicho de otra manera, el cuerpo sufre cierto desplazamiento angular AlJ. Los desplazamientos angulares no se estudiaron detalladamente en el ca pítulo 2 porque, en general, no se pueden tratar corno vectores. La razón es que no obedecen las reglas usuales de la adición vectorial; si se describen varios despla zamientos angulares brutos en sucesión, en tres dimensiones, el resultado depende del orden en que se producen. Para ilustrar esto, considérese el rectángulo ABCO de la figura 3-20. El cuer po rectangular se gira primero -900 en torno al eje y y luego se gira + 90° alre dedor del eje x. Se ve que la posición final del cuerpo está en el plano yz. En la figura 3-2b el cuerpo ocupa la misma posición inicial y se gira nuevamente alre dedor de los mismos ejes, describiendo los mismos ángulos y en las mismas direc ciones; no obstante, la primera rotación la desarrolla en torno al eje x y la segunda alrededor del eje y. El orden de las rotaciones se invierte y la posición final del rec tángulo ahora se ve que es en el plano xz y no en el plano yz, corno lo fue antes. Puesto que esta característica no corresponde a la ley conmutativa de la adición
- 92. 76 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS B" (a) z z y (b) Figura 3-2 Los desplazamientos angulares no se pueden sumar vectorialmente porque el resultado depende del orden enque se sumen. vectorial, los desplazamientos angulares tridimensionales no se pueden manejar como vectores. Por otra parte, los desplazamientos angulares que ocurren alrededor del mis mo eje o de ejes paralelos, sí obedecen la ley conmutativa. Asimismo, los des plazamientos angulares infinitesimalmente pequeños son conmutativos. Para evitar confusiones, se tratarán todos los desplazamientos angulares finitos como can tidades escalares; no obstante, se tendrá la ocasión de tratar los desplazamientos angulares infinitesimales como vectores. -Y2 z, Hgura 3-3 Diferencia de desplazamiento entre dos puntos del mismo eslabón rígido.
- 93. VELOCIDAD 77 Figura 3-4Diferencia de desplazamiento .1RPQ según la ve un observador en traslación. En la figura 3-3 se recuerda la definición de la diferencia de desplazamiento entre dos puntos, P y Q, fijos en el mismo cuerpo rígido. Como se señaló en la sección 2-12, el vector diferencia desplazamiento es atribuible por completo a la rotación del cuerpo; en un cuerpo que describe una traslación no hay diferencia de desplazamiento entre sus puntos. Se llegó a esta conclusión representando el des plazamiento como un suceso que ocurre en dos pasos. En primer lugar, se supuso que el cuerpo realiza una traslación a lo largo del desplazamiento ARo hasta la posición x;y;zi'. Luego, se hizo que el cuerpo girara alrededor del punto Q*hasta la posición xíyízi. Otra manera de representar la diferencia de desplazamiento ARpo es con cebir un sistema de coordenadas móviles cuyo origen se desplaza junto con el pun to Q; pero cuyos ejes se mantienen paralelos a los ejes absolutos x,y,z¡. Nótese que este sistema de coordenadas no sufre rotación. Un observador que se encuen tre en este sistema de coordenadas no observa movimiento alguno en el punto Q, porque permanece en el origen de su sistema. Para el desplazamiento del punto P observará el vector diferencia de desplazamiento ARPQ. A este observador le parece que el punto Q se mantiene fijo y que el cuerpo gira en torno a este punto fijo, como se ilustra en la figura 3-4. No importa si el observador está ubicado en el sistema de coordenadas básico o en el móvil descrito, el cuerpo parece girar describiendo cierto ángulo total 110 en su desplazamiento de X2Y2Z2 a xíYízí. Si se considera el punto de vista del ob servador fijo, la ubicación del eje de rotacién no es obvia. Tal y como lo ve el obser vador en traslación. el eje pasa por el punto Q aparentemente estacionario; todos
- 94. 78 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS los puntos del cuerpo parecen describir trayectorias circulares en torno a este eje, y cualquier recta que se encuentre en el cuerpo, cuya dirección sea normal a este eje, parece sufrir un desplazamiento angular idéntico A8. La velocidad angular de un cuerpo en rotación se define ahora como la can tidad vectorial (1) cuya dirección es la misma que la del eje instantáneo de rotación. La magnitud del vector velocidad angular se define como la rapidez de cambio res pecto al tiempo de la orientación angular de cualquier recta en el cuerpo cuya dirección sea normal al eje de rotación. Si el desplazamiento angular de cualquiera de estas rectas se designa como A8 y el intervalo de tiempo como At, la magnitud del vector velocidad angular (1) es , AO dO w= lun - = D-I...o At dt (3-2) Puesto que se ha acordado que las rotaciones en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj son positivas, el sentido del vector (1) a lo largo del eje de rotación se define de acuerdo con la regla de la mano derecha. 3-3 DIFERENCIA DE VELOCIDADES ENTRE PUNTOS DEL MISMO CUERPO RÍGIDO En la figura 3-5a se ilustra otra vista del desplazamiento del mismo cuerpo rígido que se representó en la figura 3-3 . Ésta es la que vería un observador ubicado en el sistema de coordenadas absolutas y que mira directamente a lo largo del eje de rotación del cuerpo en movimiento, desde la punta del vector (1). En esta vista, el desplazamiento angular AO se observa en su tamaño real, y todas las rectas del cuerpo describen este mismo ángulo durante el desplazamiento. Los vectores de desplazamiento y los de diferencia de posición no aparecen necesariamente en su ta maño real, sino que más bien se perciben escorzados bajo este ángulo de visión. En la figura 3-5b se presenta la rotación del mismo cuerpo rígido, con el mis mo ángulo de observación pero, en este caso, desde el punto de vista del obser vador en traslación. Por tanto, esta figura corresponde a la base del cono ilustrado en la figura 3-4. Se observa que los dos vectores identificados por rpQ y rpQ son las vistas escorzadas de RpQ y RpQ y, según la figura 3-4, es evidente que sus mag nitudes son (a) efl donde q:, es el ángulo constante desde el vector velocidad angular ro hasta el vector diferencia de posición giratorio RpQ conforme describe el cono. Si se observa nuevamente la figura 3-5b, se ve que también se puede inter pretar como un dibujo a escala correspondiente a la ecuación (2-67). Ilustra el hecho de que el vector diferencia de desplazamiento �RpQ es igual al cambio vec-
- 95. VELOCIDAD 79 (b) (a) Figura 3-5a) Vista verdadera de los desplazamientos angulares de la figura 3-3. b) Sustracción vectorial para obtener la diferencia de desplazamiento A.RPQ. torial en la diferencia de posición absoluta RpQ producida durante el desplaza miento ARPQ RpQ RpQ (b) Ahora ya es posible calcular la magnitud del vector diferencia de despla zamiento ARPQ- En la figura 3-5b, en donde aparece en su tamaño verdadero, se traza su mediatriz, lo que muestra que y, según la (a) 118 I1Rpo = 2(RpQ sen cf» sen T (e) (d) Si se impone ahora la limitación de movimientos pequeños, el seno del tér mino de desplazamiento angular puede aproximarse mediante el ángulo mismo, 110 I1Rpo = 2(Rpo sen cf» T = 110 RpQ sen cf> (e)
- 96. 80 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Si se divide entre el pequefio incremento de tiempo at, observando que la magnitud Rpo Y el ángulo cb son constantes durante el intervalo, y tomando el limite, se ob tiene !� afF=l�(!�)RPQsen <f> = wRpo sen <f> (f) Si se recuerda que la definición de <f> 10 establece como el ángulo comprendido en tre los vectores ro y RpQ, se pueden restablecer los atributos vectoriales de la ecuación anterior, reconociéndola como la forma de un producto vectorial. Por ende l' J1.Rpo d RpQ R Á�� at = dt = ro x po (g) Esta forma es tan importante y tan útil que tiene su propio nombre y símbolo; se le conoce como vector diferencia de velocidad y se denota por VPQ V _ dRPQ P Q - dt Ahora recordemos la ecuación de la diferencia de desplazamiento (2-66), Si esta ecuación se divide entre M y se toma el limite, se obtiene lím J1.Rp == lím J1.RQ + lim J1.RPQ Át->O at AI->O at ÁI->O at (3-3) (h) (O que, por las ecuaciones (3-1) y (3-3), se convierte en Vp=VQ+VpQ (3-4) Esta ecuación extremadamente importante recibe el nombre de ecuación de la dif erencia de velocidad; junto con la (3-3) constituye una de las bases primarias de todas las técnicas de análisis de la velocidad. La ecuación (3-4) se puede escribir para dos puntos cualesquiera sin restricción alguna; no obstante, como se verá repasando la deducción anterior, la (3-3) no se debe aplicar a cualquier par ar bitrario de puntos. Esta forma es válida sólo si los dos puntos están f ijos al mismo cuerpo rigido. Tal vez pueda recordarse mejor esta restricción si todos los subín dices se escriben en forma explícita (j) pero, por brevedad, se acostumbra suprimir casi siempre los subíndices del número de eslabón. Nótese que estos son los mismos en toda la ecuación (¡). Si se realiza un intento erróneo de aplicación de la (3-3), cuando los puntos P y Q no forman parte del mismo eslabón, dicho error quedará al descubierto ya que no se verá con claridad qué factor ro se debe usar.
- 97. 3-4 ANÁLISIS GRÁFICODE LA VELOCIDAD; POLÍGONOS DE VELOCIDADE"i VELOCIDAD 81 Uno de los principales métodos de análisis de velocidad es el gráfico. Como se vio en el análisis gráfico de la posición, se emplea primordialmente en problemas bidimensionales cuando se tiene sólo una posición que requiere solución. Sus prin cipales ventajas son que se obtiene con gran rapidez una solución y que se acrecen tan la concepción y la comprensión del problema al aplicar el método gráfico. Como ejemplo inicial del análisis gráfico de la velocidad, consideremos el movimiento bidimensional del eslabón no restringido ilustrado en la figura 3-6a. Supóngase que se conocen las velocidades de los puntos A y B, Y se desea deter minar la velocidad del punto e y ia velocidad angular del eslabón. Se supone que ya se trazó un diagrama a escala del eslabón, figura 3-6a, en el instante conside rado, es decir, que ya se completó un análisis de posición y que se pueden medir los vectores diferencia de posición basándose en este diagrama. A continuación se considera la ecuación de la diferencia de velocidad (3-4) relacionando los puntos A y B, '..' IV 00 V B VA +VBA (a) en donde las dos incógnitas son la magnitud y la dirección del vector diferencia de velocidad VBA, como se indica arriba de este símbolo en la ecuación. En la figura 3-6b se muestra la solución gráfica de la ecuación. Después de elegir una escala para representar los vectores velocidad, se trazan a escala los vectores VA Y VB partiendo de un origen común y en las direcciones especificadas. El vector que se extiende entre los puntos de VA Y VH es el vector diferencia de velocidad VBA: Y es correcto, dentro de los límites de exactitud de la gráfica, tanto por lo que respecta a su magnitud como a su dirección. Ahora se puede hallar la velocidad angular (d del eslabón aplicando la ecuación (3-3) VBA ú) X RHA (b) Puesto que el eslabón tiene movimiento plano, el vector ú) es perpendicular al plano de movimiento, es decir, perpendicular a los vectores VBA Y RBA• Por ende, al considerar las magnitudes de la ecuación anterior o bien, VBA WRBA W = VBAIRBA (e) Por lo tanto, la magnitud numérica de w se encuentra midiendo a escala VBA en la figura 3-6b, y RBA en la figura 3-6a, teniendo cuidado de aplicar adecuadamente los factores de escala para las unidades; una de las prácticas más comunes es evaluar w en radianes por segundo.
- 98. 82 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS D A (a) (b) VA B B ovDA (d) A (e) VB (el A......---...... !f) Figura 3-6 La magnitud w no es una solución completa del vector velocidad angular; y también se debe determinar la dirección. Como se hizo notar antes, el vector w es perpendicular al plano del propio eslabón porque el movimiento es plano. Sin em bargo, esto nada dice acerca de si w sale del plano de la figura o entra al mismo. Esto se determina como se ilustra en la figura 3-6<:. Si se toma el punto de vista de un observador en traslación, es decir, moviéndose con el punto A pero sin girar, se puede representar al eslabón como si girara en torno al punto A. La diferencia de
- 99. VELOCIDAD 83 velocidad VHAes la única velocidad detectada por este observador; de donde, al in terpretar VHA como indicadora de la dirección de rotación del punto B en tprno al A, se encuentra la dirección de ro que, en este ejemplo, es opuesto al del movi miento de las manecillas del reloj. Aunque no con una notación estrictamente vec torial, una buena práctica, que se seguirá en este libro, en problemas bidimen sionales es indicar la solución final en la forma ro = 15 rad/s cmr (en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj), con lo que se indica tanto la magnitud como la dirección. La costumbre de trazar los diagramas vectoriales con líneas gruesas, como en la figura 3-6b, facilita su lectura; pero cuando el diagrama es la solución gráfica de una ecuación, no es muy exacto. Por esta razón se acostumbra construir la so lución gráfica con lineas delgadas bien definidas, usando un lápiz de dibujo de punta dura, como se muestra en la figura 3-6d. La solución se inicia eligiendo una escallt'y un punto, que se identifica como Ov, para representar la velocidad cero. Las velocidades absolutas, tales como VA Y VH, se trazan con sus origenes en . Ov , y sus extremos se identifican como los puntos A y B. Entonces la recta que va de A a B representa la diferencia de velocidad VBA' Al continuar con este desarrollo, se verá que estas identificaciones en los vértices son suficientes para determinar la notación precisa de todas las diferencias de velocidades representadas por las rectas del diagrama. Por ejemplo, nótese que VBA se representa con el vector que va del punto B al punto A. Con esta convención de identificación, no es necesario usar puntas de flecha o notaciones adicionales que nada hacen más que complicar el diagrama. Un diagrama de esta indole se denomina polígono de velocidades y, como se verá más tarde, contribuye enormemente a facilitar la aplicación de las técnicas gráficas de solución. Sin embargo, uno de los peligros de esta convención es que el analista comen zará a pensar que la técnica es una serie de "trucos" gráficos y correrá el riesgo de olvidarse de que cada recta trazada puede y debe estar por completo justificada mediante una ecuación vectorial correspondiente. Las gráficas sólo constituyen una técnica conveniente de resolución y no un sustituto de una base teórica bien fundada. Volviendo a la figura 3-6c, pudo pensarse que el hecho de que el vector VBA fuera perpendicular a RBA es simple coincidencia. No obstante, si se reexamina la ecuación (b), se observará que era un resultado obligatorio, que proviene del producto vectorial con el vector ro. En el paso siguiente se aprovechará esta propiedad. Ahora que se ha encontrado ro, determinamos la velocidad absoluta del punto C. Esta se puede relacionar mediante las ecuaciones de la diferenCIa de velocidad con las velocidades absolutas de los puntos A y B 00 vv ov' '>Iv fJ.y VC = VA + VCA = VB + VCB (d) Puesto que los puntos A, B Y e forman parte del mismo eslabón rígido, cada uno de los vectores de diferencia de velocidad VCA Y VCB, es de la forma ro x R, uti lizando RCA Y RCB, respectivamente. Como resultado de ello, VCA es perpen-
- 100. 84 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS dicular a ReA' y VCB es perpendicular a RcB• Las direcciones de estos dos términos se indican, por ende, como elementos conocidos en la ecuación (d). Puesto que ya se determinó w, es fácil calcular las magnitudes de VCA Y VCB , aplicando una fórmula del tipo de la (e); no obstante, se supondrá que esto no se hace. Por el contrario, se construye la solución gráfica para la (d). Esta ecuación afirma que un vector que es perpendicular a RCA se debe sumar a VA Y que el resultado será igual a la suma de VB Y un vector perpendicular a ReB. La solu ción se ilustra en la figura 3-6e. En la práctica, la solución se continúa sobre el mismo diagrama como en la figura 3-6d, y conduce a la figura 3-6g. Se traza una recta perpendicular a RCA (que representa a VCA), partiendo del punto A (representando la adición a VA); del mismo modo se traza una recta perpendi cular a RcB , partiendo del punto B. El punto de intersección de estas dos rectas se identifica con el símbolo e y representa la solución de la ecuación (d). La recta que va de Ov al punto e representa ahora la velocidad absoluta Vc. Esta velocidad se puede transferir nuevamente al eslabón e interpretarse como Vc, tanto en mag nitud como en dirección, como se indica en la figura 3-61. Si se observa el sombreado y los ángulos marcados con a y f3 en la figura 3-6g y a, se ve uno conducido a investigar si los dos triángulos identificados por ABe en cada una de estas figuras son semejantes, como parecen ser. Al revisar los pasos de construcción se ve que, en efecto, lo son porque los vectores de diferencia de velocidad VBA, VCA Y VCB' son perpendiculares a los vectores de diferencia de posición respectivos, RBA, RCA, Y RcB. Esta propiedad sería verdadera indepen dientemente de la forma del eslabón en movimiento; una figura de forma semejan te aparecería en el polígono de velocidades. Sus lados se trazan siempre a escala, mayor o menor en un factor, iguales a la velocidad angular del eslabón, y siempre está girado 900 en la dirección de la velocidad angular. Las propiedades resultan del hecho de que cada vector de diferencia de velocidad entre dos puntos del eslabón tiene la forma de un producto vectorial del mismo vector w con el vector de diferencia de posición correspondiente. Esta figura de forma semejante en el polígono de �elocidades se designa comúnmente como imagen de velocidades del eslabón, y cualquier eslabón en movimiento poseerá una imagen de velocidades correspondiente en el polígono de velocidades. Si se hubiera conocido inicialmente el concepto de imagen de velocidades, se hubiera podido acelerar considerablemente el proceso de resolución. Una vez que ha progresado hasta la solución el estado ilustrado en la figura 3-6d, se conocen los puntos de la imagen de velocidades A y B. Se pueden utilizar estos dos puntos como base de un triángulo semejante a la forma del eslabón e identificar direc tamente el punto imagen e, sin necesidad de escribir la ecuación (d). Es preciso tener cuidado para no permitir que el triángulo se invierta entre el diagrama de posiciones y la imagen de velocidades; pero la solución puede desarrollarse con rapidez, exactitud y en forma natural, conduciendo a la figura 3-6g. Aqui se debe tener nuevamente la precaución de qUe'10dos los pasos de la solución se basen en ecuaciones vectoriales estrictamente deducidas y no en trucos geométricos. Es con veniente seguir escribiendo las ecuaciones vectoriales correspondientes hasta estar por completo familiarizado con el procedimiento.
- 101. VELOCIDAD 8S Para aumentarla familiarización con las técnicas gráficas de análisis de la velocidad, se analizan a continuación dos ejemplos típicos. Ejemplo 3-1 El eslabonamiento de cuatro barras cuyo dibujo a escala se ilustra en la figura 3-7a con todas las dimensiones necesarias, se impulsa mediante la manivela 2 con una velocidad an gular constante W:! = 900rpm cmr. Calcúlense las velocidades instantáneas de los puntos E y F, Y las velocidades angulares de los eslabones 3 y 4 en la posición indicada. SOLUCION Para obtener una solución gráfica primero se calcula la velocidad angular del eslabón 2 en radianes por segundo. En este caso es W 2= (900re . v )(2 _ rad)(1 min) mm "rev 60 s 94.2 rad/s cmr A continuación se observa que el punto A permanece fijo y se calcula la velocidad del punto B V R = � + V8A = w� X R8A Ve = (94.2 rad/s)(G pie) = 31 .4 pie/s (1) (2) Se observa que se utilizó la forma c.> x R para la diferencia de velocidad y no para la ve locidad absoluta VB directamente. En la figura 3-7b se escogió el punto Ov y un factor de escala de velocidades. Asimismo, se observa que el punto imagen A coincide con Ov Y se traza la recta AB perpendicular a RE.. y hacia la izquierda, debido a la dirección opuesta a la del movimiento de las manecillas del reloj de c.>o; esta recta representa a V8A- Si se tratara en este momento de escribir directamente una ecuación para la velocidad del punto E, al contar las incógnitas se descubre que aún no puede resolverse. De donde. a conti nuación se escriben dos ecuaciones para la velocidad del punto C. Puesto que las velocidades de los puntos C) y C. deben ser iguales (los eslabones 3 y 4 están juntos articulados mediante pa sador en C). � � , i 10"� �� ; t-----10"---"" (a) (3) F B (b) Figura 3-' Análisis grMico de velocidad de un eslabonamie�to de cuatro barras, ejemplo 3-1 a) dia grama a escala; b) polígono de velocidades.
- 102. 86 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Ahora se trazan dos rectas en el poligono de velocidades; la recta BC se dibuja a partir de B y perpendicular a RcH, Y la recta DC se traza desde D (coincidente con Oven vista de que VD O) perpendicular a RCD- Luego se marca el punto de intersección identificándolo con la letra C. Cuando se miden a escala las longitudes de estas rectas, se encuentra que VCB = 38.4 pie/s y Vc VCD = 45.6pie/s. Ahora pueden hallarse las velocidades angulares de los eslabones 3 y 4 como sigue: 38.4 pie/s 25.6 rad/s crnr Resp. (4) w, 18/12 pie VCD 45.5 pie/s 49.6 rad/s cmr Resp, (5) W4=- 11/12 pie RCD en donde se hallaron las direcciones de w) y w. aplicando la técnica ilustrada en la figura 3-&. Ahora se tienen varios métodos para hallarVE. En uno de ellos se mide REB a partir del dibujo a escala que aparece en la figura 3-7a y, a continuación, puesto que los puntos B y E for man parte del eslabón 3, se puede calcular t. VEB = wJREB (25.6 rad/s)e�28Pie ) = 23.0 pie/s (6) Ahora es factible trazar ya la recta BE en el polígono de velocidades, dibujándola a la escala apropiada. y perpendicular a REB, resolviendo asi t l!l ecuación de diferencia de velocidades El resultado es "" ,,, " VE=V8+VEB VE 27.6 pie/s Resp, tal y como se miden a escala en el poligono de velocidades. " Por otro lado se puede hallar VEpartiendo de ,,< ' , " ... VE=VC+VEC (7) (8) mediante un procedimiento idéntico al que se empleó con la ecuación (7). Esta solución produ ciría el triángulo OvEC en el polígono de velocidades. Supóngase que se desea calcularVE sin el paso intermedio que representa calcular w. En este caso se escriben simultáneamente las ecuaciones (7) y (8), (9) Se trazan las rectas EB (perpendicular a REB) Y EC (perpendicular a REc) en el polígono de ve locidades, se encuentra su intersección y así se resuelve la ecuación (9). Sin embargo, es probable que el método más sencillo de resolver para VE, es sacar ventaja del concepto de la imagen de velocidades del eslabón 3. Reconociendo que ya se encontraron los puntos B y C de la imagen de velocidades, se puede construir el triángulo BEC en el poligono de velocidades, semejante al triángulo BEC en el diagrama a escala del eslabón 3. Esto ubica al pun to E en el poligono de velocidades, dando con ello una solución para VE. t No hay restricción alguna en esta deducción que requiera que REB se encuentre a lo largo de la parte material del eslabón 3, para poder aplicar la ecuación (6). + Nótese que los valores numéricos no se deben sustituir de manera directa en la ecuación (7); esta ecuación requiere una adición vectorial, no escalar, y este es justamente el propósito de construir el poligono de velocidades.
- 103. VELOCIDAD 87 También puedeencontrarse el vector velocidad VF por cúalquiera de los métodos anteriores, usando los puntos e, D yF deleslabón 4. El resultado es VF = 31.8 pie/s Resp. Ejemplo 3-2 El mecanismo de corredera-manivela excéntrico que se ilustra en la figura 3-8a, está impulsado por la corredera 4 con una rapidez Ve = 10 mis hacia la izquierda, en la fase indi cada. Determínese la velocidad instantánea del punto D y las velocidades angulares de los esla bones 2y 3. SOLUCION Se escoge la escala de velocidadesy el polo Ov y se traza Ve, localizando con ello el punto e como se ilustra en la figura 3-8b. Luego se escriben ecuaciones simultáneas para la velocidad del punto B (lO) y se resuelve para la ubicación del punto B en el polígono de velocidades. Una vez determinados los puntos B y e, se puede construir la ímagen de velocidades del eslabón 3 como se indica, para localizar el punto D; después se mide a escala la recta OvD, lo que da VD=12.0m/s Resp. Las velocidades angulares de los eslabones 2y 3 son «>2 VBA RBA ú},= 10.0mis 200 di 0.05 m = ra s cmr 7.5mIs 0.14m = 53.6 rad/s crnr Resp. (11) Resp. (12) En este segundo problema de ejemplo, figura 3-8b, la imagen de velocidades de cada eslabón se indica en este poligono. Si se desarrolla por completo el análisis de cualquier problema, se tendrán imágenes de velocidades para cada eslabón del mecanismo. Los siguientes puntos son ciertos en general y se pueden verificar en los ejemplos anteriores: D (a) Imagen del eslabón 3 B Imagen del eslabón 4 lb) Figura 3-8 Ejemplo 3-2: a) diagrama a escela de un mecanismo de corredera y manivela (las dimensiones se dan en milímetros); b) poligcno de velocidades.
- 104. 88 TEORIA DEMAQUINAS y MECANISMOS 1 . La imagen de velocidades de cada eslabón es una reproducción a escala de la forma del eslabón en el polígono de velocidades. 2. La imagen de velocidades de cada eslabón se gira 90° en la dirección de la velocidad angular del eslabón. 3. Las letras que identifican los vértices de cada eslabón son las mismas que se en cuentran en el polígono de velocidades y están colocadas en tomo a la imagen de velocidades en el mismo orden y en la misma dirección angular que alrededor del eslabón. 4. La (azón del tamaño de la imagen de velocidades de un eslabón al tamaño del eslabón mismo, es igual a la magnitud de la velocidad angular de éste. En general, no es la misma para diferentes eslabones en el mismo mecanismo. 5. La velocidad de todos los puntos de un eslabón en traslación es igual y la ve locidad angular es cero. Por consiguiente, la imagen de velocidades de un eslabón que se está trasladando se reduce hasta un solo punto en el polígono de velocidades. 6. El punto Oven el polígono de velocidades es la imagen de todos los puntos con velocidad absoluta cero. Es la imagen de velocidades del eslabón fijo. 7. La velocidad absoluta de cualquier punto de cualquier eslabón se representa por medio de la recta que va de Ova la imagen del punto. El vector de diferencia de velocidad entre dos puntos cualesquiera, por ejemplo P y Q, se representa mediante la recta que va del punto imagen P al punto imagen Q. 3-5 VELOCIDAD APARENTE DE UN PUNTO EN UN SISTEMA DE COORDENADAS EN MOVIMIENTO Al analizar las velocidades de varios componentes de máquinas, se encuentran con frecuencia problemas en los que resulta conveniente describir cómo se mueve un punto en relación con otro eslabón móvil; pero, en cambio, totalmente inconve niente describir el movimiento absoluto del punto. Un ejemplo de esto es el que se presenta cuando un eslabón rotatorio contiene una ranura por la que otro eslabón está obligado a deslizarse. Si se tienen como cantidades conocidas el movimiento del eslabón que contiene a la ranura y el movimiento relativo de deslizamiento que se lleva a efecto dentro de ésta, quizá se desee encontrar el movimiento absoluto del elemento deslizante. Fue precisamente para problemas de esta índole que se definió en la sección 4 el vector de desplazamiento aparente, y ahora se desea am pliar este concepto para abarcar a la velocidad. En la figura 3-9 se recuerda la definición del vector de desplazamiento aparen te. Un eslabón rígido que tiene cierto movimiento general lleva un sistema de coor denadas X2Y2Z2 fijo a él. En un instante determinado t, el sistema de coordenadas se encuentra en X2Y2Z2 y, tras un pequeño intervalo I1t, se mueve a su nuevo punto xíYízí. Todos los puntos del eslabón 2 se mueven con el sistema de coordenadas. De igual modo, durante el mismo intervalo de tiempo, otro punto P3 de otro eslabón, el 3, está restringido de alguna manera a moverse siguiendo una trayec-
- 105. VELOCIDAD 89 Figura 3-9Desplazamiento aparente. toria conocida en relaciÓn con el eslabÓn 2. En la figura 3-9 se ilustra esta restric ciÓn en la, forma de una ranura que contiene un pasador del eslabÓn 3; el centro del pasador es el punto P3. Aunque se da esta representaciÓn en particular, la res tricciÓn se puede presentar en una diversidad de formas distintas. La única su posición que se hace en este caso es que se conoce la trayectoria que traza el punto móvil P3 en el sistema de coordenadas XZY2Z2, es decir, el lugar geométrico de la punta delvector de posición aparente Rp112• Si se recuerda la ecuaciÓn de desplazamiento aparente (2-69), áRp, áRp, + áRpll2 se divide entre M y se toma el limite Ahora se define el vector velocidad aparente como sigue y, en el límite, la ecuaciÓn anterior se convierte en llamada ecuación de la velocidad aparente. (3-5) (3-6) En su definiciÓn, ecuaciÓn (3-5), se observa que la velocidad aparente se semeja a la velocidad absoluta excepto en que proviene del desplazamiento aparen te en lugar de provenir del despla'lamiento absoluto. Por ende, en concepto, se
- 106. 90 TEORtA DEMAQUINAS y MECANISMOS trata de la velocidad del punto móvil P3 tal y como la percibiría un observador fijo al eslabón móvil 2 que haee observaciones en el sistema de coordenadas X2Y2Z2. Este concepto explica así eI'nombre que lleva. También se observa que la velocidad absoluta es un caso especial de la velocidad aparente, en el que el observador se encuentra fijo en el sistema de coordenadas XIYIZI' Si se examina con cuidado la figura 3-10 se puede obtener una mayor infor mación acerca de la naturaleza del vector velocidad aparente. En esta figura se muestra la vista del punto en movimiento P3, tal y como lo vería el observador en movimiento. Para él, la trayectoria trazada sobre el eslabón 2 parece estacio naria y el punto móvil se desplaza a lo largo de esta trayectoria, de P3 a P;. Si se trabaja en este sistema de coordenadas, supóngase que se localiza el punto e como el centro de curvatura de la trayectoria en el punto P2• Para distancias pequeñas a partir de P2, la trayectoria sigue el arco circular P3P; cuyo centro es e y su radio de curvatura es p. Ahora se define el vector unitario extensión de p, iden tificado como p, y se define el vector unitario tangente a la trayectoria T con sen tido positivo en la dirección del movimiento. Se observa que éstos forman ángulos rectos entre sí y completan un sistema derecho de coordenadas cartesianas, de finiendo el vector unitario normal (3-7) Este sistema de coordenadas se mueve de tal manera que su origen sigue el mo vimiento del punto P3• Sin embargo, gira con el vector de radio de curvatura (des cribiendo el ángulo Il.fjJ) conforme se desarrolla el movimiento, no describe la mis ma rotación que los eslabones 2 ó 3. Ahora se define el escalar Il.s como la distancia a lo largo de la curva, de P3 a P;, y se observa que ARp312 es la cuerda del mismo arco. No obstante, para un I Trayectoria .--(;¡::;:3�it:::......... trazada I por p3 sobre el eslabón 2 ---.J "- p )-o-�---------_---J ---x2 Figura 3-10 Desplazamiento aparente del punto P3 según lo ve un obser vador ubicado sobre el eslabón 2.
- 107. VELOCIDAD 91 a.t, muybreve, la magnitud de la cuerda y la distancia sobre el arco tienden a la igualdad. Por ende, , 4Rp312 dRp312 A hm -- = -- = T �s...o a.s ds (3-8) En este caso, tanto 4RP312 como a.s se consideran funciones del tiempo; de don de, partiendo de la (3-5), (3-9) Se llega a dos conclusiones importantes a partir de este resultado: la magnitud de la velocidad aparente es igual a la rapidez con la que se desplaza el punto P3 a lo largo de la trayectoria y el vector velocidad aparente siempre es tangente a la trayectoria trazada por el punto en el sistema de coordenadas del observador. El primero de estos dos resultados rara vez es útil para resolver problemas, aunque es un concepto importante. El segundo resultado es extremadamente útil ya que, a menudo, la trayectoria aparente trazada se puede imaginar basándose en la na turaleza de las restricciones y, por tanto, se vuelve conocida la dirección del vector velocidad aparente. Nótese que sólo es necesario determinar la tangente a la trayectoria; el radio de curvatura p no se necesita hasta que se intente el análisis de la aceleración, en el capítulo siguiente. Ejemplo 3-3 En la figura 3-11a se ilustra una inversión del mecanismo de corredera-manivela. El eslabón 2, la manivela, se impulsa a una velocidad angular de 36 rad/s mmr (en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj). El eslabón 3 se desliza sobre el 4 y está unido a la manivela mediante un pivote enA. Hállese la velocidad angular del eslabón 4. SoLUCIÓN En primer lugar se calcula la velocidad del punto A, o VA = 'lE +VAE (»2 X RAE VA=(36 rad/s)(f:¡ pie) 9 pie/s (1) -4�----��----------------���Xl (al lb) Figura 3-11 Ejemplo 3-3: a) mecanismo invertido de corredera y manivela; b) polígono de velocidades.
- 108. 92 TEORfA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS y se representa gráfícamente partiendo del polo Ov, a fin de localizar el punto A en el polígono de velocidades, como se muestra en la figura 3-11b. Luego se establece una distinción entre dos puntos diferentes, B3 y B4, en la ubicación del deslizamiento. El punto B} forma parte del eslabón 3 y B4 del eslabón 4; pero, en el instante ilustrado, los dos coinciden. Nótese que, como lo ve un observador ubicado en el eslabón 4, el punto B3 parece deslizarse a lo largo del eslabón 4 definiendo con ello una trayectoria rectilinea a lo largo de CF. Por ende, se puede escribir la ecuación de la velocidad aparente como (2) Cuando el punto B3 se relaciona con A y el punto B4 con D, por medio de las diferencias de velocidades, el desarrollo de la (2) da ,J¡ ...v O oV o"; V A + VBV VD + V 8.D +V8,/4 (3) en donde ValA es perpendicular a RBA, VB,D es perpendicular a RBD (mostrado a trazos) y V8,/4 tiene.una dirección definida por la tangente a la trayectoria del deslizamiento en B. Aunque la (3) parece tener tres incógnitas, si se observa que VBlA Y V8,/4 tienen direcciones idénticas, la ecuación se puede reordenar como vV oV aV V A +(V8,A - VBy.) V B.D (4) y la diferencia escrita entre paréntesis se puede tratar como un solo vector de dirección conocida. Ahora, la ecuación se reduce a dos incógnitas y se puede resolver gráficamente para localizar el punto B4 en el polígono de velocidades. La magnitud RBD se puede calcular o medir en el diagrama y VB..D se puede determinar a es cala basándose en el polígono de velocidades (la recta a trazos que va de 0v a B.). Por lo tanto, 7.3 pie/s I1.6/12 pie 7.55 radfs cmr Resp. (5) Aunque según enunció el problema, ahora está completo, el poligono de velocidad se ha ex tendido para incluir las imágenes de los eslabones 2, 3 y 4. Al hacerlo, fue necesario consignar que, puesto que los eslabones 3 y 4 permanecen siempre perpendiculares entre si, deben girar a la misma velocidad. Por ende, (0) = 004' Esto permitió calcular VHA OOJ X RBA Y situar el punto de la imagen de veiocídades BJ, También se observa que las imágenes de velocidades de los esla bones 3 y 4 tienen un tamaño comparable puesto que 003 004- No obstante, tienen una escala muy distinta a la de imagen de velocidades del eslabón 2, la recta OvA. puesto que 002 es una velocidad angUlar mayor. Otro método para resolver el mismo problema evita la necesidad de combinar los términos como en la ecuación (4). Si se considera un observador viajando sobre el eslabón 4 y se le pregun ta cuál veria como trayectoria del punto A en su sistema de coordenadas, se descubre que ésta trayectoria es una recta paralela a la recta CF. como se indica en la figura 3-110. Ahora defi namos un punto de esta trayectoria como AJ• En el instante ilustrado, el punto .A4 coincide con los puntos A2 y A4. Sin embargo, A4 no se mueve con elpasador; está unido al eslabón4 y gira con la trayectoria en torno al punto lijo D. Puesto que es factible identificar la trayectoria tra zada por A, y A4 sobre el eslabón 4, se puede escribir la ecuación de la velocidad aparente VA, VA, +VA,14 y, puesto que el punto A4 forma parte del eslabón 4, O Vi4 = V /v +Vi4D (6) (7)
- 109. VELOCIDAD 93 Sustituyendo laecuación (6) en la (7) se obtiene -..Iv 0/ ov' VA, VA<D +VA,/4 (8) en donde VA4D es perpendicular a RAD y VA,J4 es tangente a la trayectoria. Cuando se resuelve esta ecuación se localiza el punto imagen A¡ en el polígono de velocidades y se obtiene una solución para W4 = VA<dRAf>. Entonces se puede hallar el resto del polígono de velocidades como se acaba de explicar. Sería erróneo intentar la aplicación de la ecuación VA< VA,+VA</2 en lugar de la (6), puesto que la trayectoria trazada por el punto A4 en el sistema de coordenadas urudo al eslabón 2 no se conoce. t En el siguiente ejemplo se proporciona un caso que arroja más luz sobre la naturaleza y uso de la ecuación de la velocidad aparente. F.jemplo 3-4 Como se muestra en la f"tgura 3-12, un avión que viaja con una velocidad de 300 kmIh está describiendo un circulo cuyo radio es de 5 km Y su centro se ubica en C. Al hacerlo, el piloto ve un cohete a 30 km de distancia que se desplaza siguiendo una trayectoria recta, a 2 000 km/h. ¿Cuál es la velocidad del cohete tal y como la ve el piloto del avión'? SoLUCIÓN Puesto que el avión sigue un curso circular, el punto e2• unido al sistema de coor denadas del avión, pero coincidente con e, carece de movimiento. Por ende, la velocidad angular del avión es 300km/h 5km 60rad/h crnr (9) La pregunta formniada requiere, obviamente, el cálculo de la velocidad aparente VR,/2; pero esto sólo se puede aplicar entre puntos coincidentes. Por lo tanto, se define otro punto R2, fijo al sistema de coordenadas que giran con el avión, pero localizado de forma que coincida con el cohete R;¡ en el instante que se ilustra. Como parte del avión, la velocidad de este punto es VR, VP + � X RRP = 300 k:;+ (60 r :d )(30km) 2 100km/h (lO) en donde los valores se s uman algebraicamente porque los vectores son paralelos. Ahora puede calcularse la velocidad aparente, VRl/2 = VR,-VR, 100krnlh Resp. (11) Por tanto, según lo ve el piloto del avión, el cohete parece estar retrocediendo a una velo cidad de 100 km/h. Este resultado se entiende mejor si se considera el movimiento del punto R2• Dicho punto se trata como si estuviera unido al avión y, por ende, al piloto le parece estacionarío. t Aunque el uso de esta ecuación sugerirla una comprensión deficiente da, no obstante, una so lución correcta. Si se encontrara la trayectoria correspondiente, sería tangente a la que se usó en el pun to A. Dado que las tangentes a las dos trayectorias son la misma aun cuando las trayectorias no lo s ean, la solución darla un resultado exacto. Esto no se aplica al análisis de aceleración, capítulo 4; de donde, se debe estudiar el concepto y evitar esta aplicación "retrógrada".
- 110. 94 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS VP2 = 300 km/h -.;........- - -------- 30 km--··--------...;,, Figura 3-12 Ejemplo 3-4. Con todo, en el sistema de coordenadas absolutas, este punto se está desplazando con mayor rapidez que el cohete; éste no se mantiene a la par con dicho punto y, de donde, al piloto le parece que está retrocediendo. 3-6 VELOCIDAD ANGULAR APARENTE Cuando dos cuerpos rígidos giran con velocidades angulares diferentes, la diferen cia vectorial entre ambos se define como la velocidad angular aparente. Por con siguiente, (3-10) que también puede escribirse (3-11) Se verá que 003/2 es la velocidad angular del cuerpo 3 tal y como lo vería un obser vador que está fijo al cuerpo 2 y que gira con él. Compárese esta ecuación con la (3-6) en lo que respecta a la velocidad aparente de un punto. 3-7 CONTACTO DIRECTO Y CONTACTO POR RODADURA Dos elementos de un mecanismo que están en contacto directo entre si poseen un movimiento relativo que puede o no comprender "Un deslizamiento entre los eslabones en el punto de contacto directo. En el sistema de leva y seguidor ilus trado en la figura 3-13a, la leva, el eslabón 2, impulsa al seguidor, eslabón 3, mediante el contacto directo. Se observa que si no fuera posible el deslizamiento entre los eslabones 2 y 3 en el punto P, el triángulo PAB formaría una armadura; de donde, es preciso que se tenga tanto un deslizamiento como una rotación entre los eslabones.
- 111. (al P3 _--Vol' P ---- - - /.4 ,B 2 (bl Figura 3-13 Velocidad aparente de deslizamiento en un punto de contacto directo. VELOCIDAD 95 Establezcamos una distinción entre los dos puntos P2, fijo al eslabón 2 , y P3, fijo al eslabón 3. Son puntos coincidentes, localizados ambos en P en el instante indicado; por lo tanto, se puede escribir la ecuación de la velocidad aparente, (3-12) Si se conocieran las dos velocidades absolutas VP3 Y VP2' podrían restarse para hallar VP3/2• Entonces podrían tomarse las componentes a lo largo de las direc ciones definidas por la normal común y la tangente común a las superficies en el punto del contacto directo. Las componentes Vl'J Y VP2 a lo largo de la normal común deben ser iguales, y esta componente de VP3/2 debe ser cero. De otra ma nera, los dos eslabones se separarían o bien se interferirían, y ambas cosas se oponen a la suposición básica de que el contacto persiste. La velocidad aparente total VPJ/2 debe encontrarse, por ende, a lo largo de la tangente común y es la velocidad del movimiento del deslizamiento relativo dentro de la entrecara del con tacto directo. La figura 3-13bilustra el polígono de velocidades de este sistema. En otros mecanismos es posible que exista contacto directo entre eslabones sin que se tenga un deslizamiento. En el sistema de leva y seguidor de la figura 3-14, por ejemplo, podría existir una gran fricción entre el rodillo, eslabón 3, y la super ficie de la leva, eslabón 2, y restringuir a la rueda para que ruede apoyándose con tra la leva sin resbalar. De aquí en adelante se restringirá el término contacto por rodadura a situaciones sin deslizamiento. EÍ término "sin deslizamiento" implica que la velocidad de deslizamiento aparente de la ecuación (3-12) es cero. (3-13a) Hay ocasiones en que esta ecuación recibe el nombre de condición de contacto por rodadura para la velocidad. Por la (3-12), también se puede escribir como (3-13b) lo cual afirma que las velocidades absolutas de dos puntos en contacto por ro dadura son iguales.
- 112. 96 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS -� Travectoria de C4 sobre el eslabón 2 Figura 3-14 Sistema de leva y seguidor con contacto por rodadura entre los eslabones 2 y 3. La solución gráfica del problema de la figura 3-14 se ilustra también allí mis mo. Dada úJ2, se puede calcular y situar en la gráfica la diferencia de velocidad V�B , localizando así el punto P2 en el poligono de velocidades. Con la (3-13), co rrespondiente a la condición de contacto por rodadura, también se marca este pun to como P3. A continuación, al escribir ecuaciones simultáneas para Vc, utilizando VCP3 Y VCA, es factible encontrar el punto C de la imagen de velocidades C. Por ende, se pueden hallar Ú)3 y ú)4, partiendo de VC P y VCA, respectivamente. Otro método para resolver el mismo problema comprende la definición de un punto ficticio C2, que se localiza instantáneamente como concidiendo con los pun tos C3 y c.", pero que se sobreentiende que está fijo al eslabón 2 y se mueve con él, como lo muestra el triángulo sombreado BPC. Cuando se usa el concepto de imagen de velocidades para el eslabón 2, se puede localizar el punto C2 de la imagen de velocidades. Notando que el punto C3 (y el C4 ) describe una trayectoria conocida sobre el eslabón 2, se puede escribir y resolver la ecuación de la velocidad aparente que comprende a VC,J2, obteniendo con ello la velocidad VC 4 (y ú)4, si asi se desea) sin necesidad de recurrir al punto de contacto directo. Este segundo método seria necesario si no se hubiera supuesto un contacto por rodadura (sin deslizamiento) en P. 3-8 ANÁLISIS DE LA VELOCIDAD UTILIZANDO ÁLGEBRA COMPLEJA Por lo que se dijo en la sección 2-8, se recordará que el álgebra compleja propor ciona un planteamiento alternativo para los problemas bidimensionales de la ci nemática. Como se vio, el planteamiento de álgebra compleja ofrece la ventaja de una mayor exactitud y su forma resulta adecuada para hallar soluciones mediante computadora digital, en un gran número de posiciones, una vez que se escribe el programa. Por otro lado, la resolución de la ecuación de cierre del circuito, para sus variables de posición desconocidas, es un problema no lineal y puede conducir a manipulaciones algebraicas tediosas. Por fortuna, como se verá, la ampliación
- 113. VELOCIDAD 97 del métodode álgebra compleja para incluir el análisis de la velocidad conduce a un conjunto de ecuaciones lineales y su solución es bastante directa. Recordando la forma compleja polar de un vector bidimensional de la ecuación (2-28), R RejO se encuentra la forma general de su derivada respecto al tiempo . dR ' . . . R = - = ReJIJ + j9ReJIJ dt (3-14) en donde R y 8 denotan las rapideces de cambio respecto al tiempo de la mag nitud y el ángulo de R, respectivamente. En los siguientes ejemplos se verá que el primer término de esta ecuación representa casi siempre una velocidad aparente y el segundo una diferencia de velocidad. Los métodos ilustrados en estos ejemplos fueron desarrollados por Raven. Aunque el trabajo originalt propone métodos aplicables tanto a mecanismos planos como a espaciales, aquí sólo se verán los as pectos planos. Para ilustrar el método de Raven, analicemos la inversión del mecanismo de corredera-manivela ilustrado en la figura 3-15a. Se considerará que el eslabón 2, el impulsor, tiene una posición angular conocida 92 y una velocidad angular co nocida lIh en el instante considerado. Lo que se busca es obtener expresiones para la velocidad angular del eslabón 4 y la velocidad absoluta del punto P. Para simplificar la notación en este ejemplo se usará el simbolismo estipulado en la figura 3-15b para los vectores de diferencia de posición; por lo tanto, RAB se denota por r" RC2A se denota por r2, Y RC4B por r4. Así pues, en términos de es tos símbolos, la ecuación de cierre del circuito es (a) en donde rl tiene magnitud y dirección constantes.tt El vector r2 tiene magnitud constante y su dirección (J2 varía; pero es el ángulo de entrada. Se supone que se conoce 92 o, más específicamente, que todas las demás incógnitas se resolverán como funciones de (J2. El vector r4 tiene magnitud y dirección desconocidas. Al reconocer que se trata del caso 1 (Sec. 2-8), se obtiene la solución de la po sición partiendo de las ecuaciones (2-30) y (2-3 1). (b) (e) t F. H. Raven, "Velocity and Acceleration Analysis of Plane and Space Mechanisms by Means of Independent- Position Equations", J. Appl. Mech., ASME Trans, series E, vol. 80, pp. 1-6, 1958. tt Nótese en particular que el ángulo de rl es 01 = 1800 Y no cero.
- 114. 98 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS ( a ) ( b ) Figura 3·15 Mecanismo invertido de corredera-manivela. La solución de la velocidad se inicia derivando la ecuación de cierre del cir cuito (a) con respecto al tiempo. Al aplicar la forma general, ecuación (3-14), a cada uno de los términos de esta ecuación sucesivamente y recordando que r" eh Y '2 son constantes, se obtiene (d) Puesto que ih y é4 son lo mismo que Ú)2 y ú)4, respectivamente, y en vista de que se reconoce que es evidente que la (d) es, en efecto, la forma compleja polar de la ecuación de la velocidad aparente VC2 Vc . + VC¿14 (Esto se señala sólo con fines de comparación y no es un paso necesario en el proceso de resolución.) La solución de la velocidad se efectúa aplicando la fórmula de Euler para separar la ecuación (d) en sus componentes real e imaginaria . Esto da (e) (j) Cuando estas dos ecuaciones se resuelven simultáneamente para las dos incógnitas f4 y ú)4, se obtiene (3- 15) (3- 16)
- 115. VELOCIDAD 99 Aunque sepudieran sustituir las variables '4 y 84 por sus expresiones dadas en las ecuaciones (b) y (e), para reducir estos resultados a funciones de f}z y Wz única mente, las formas anteriores se consideran suficientes puesto que al escribir un programa de computadora, normalmente se encuentran primero los valores nu méricos de '4 y (J4 en el curso del análisis de posición, y estos valores numéricos se pueden emplear entonces para determinar '4 y W4 en cada fase del ángulo (Jz. Para encontrar la velocidad del punto P se escribe (g) y se aplica la (3-14) para derivar con respecto al tiempo, recordando que RpB es una longitud constante. Esto conduce a (h) que, al hacer la sustitución de lo expresado en la (3-16), se convierte en (3-17) Las componentes horizontal y vertical son (i) (j) Véase el siguiente problema que sirve como otra ilustración del método de Raven. Ejemplo 3-5 Desarróllese una ecuación para la relación entre las velocidades angulares de las manivelas de entrada y salida de un eslabonamiento de cuatro barras. SOLUCIÓN Recuérdese la ecuación de cierre del circuito dada en la sección 2-10, ecuación (n), (1) Si se toma en cuenta que todas las longitudes permanecen constantes, se aplica l a (3-14) para hacer la derivada respecto al tiempo. Esto da Al igualar las partes real e imaginaria, y reordenar los términos, se obtiene W3RCB sen 03 - W.RCD senO. = - W2RBA sen02 W3RCB cos 03 - w.RCD COS O. = - W2RBA COS O2 (2) (3) (4)
- 116. 100 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Por último, se resuelven estas dos ecuaciones simultáneas para úll y úl4. RBA sen(tlz - tl4) Wl Res sen (84 - fh) (.ú 2 RBA sen(tl2- ti) w4 RCD sen (8. - lM w2 Resp. (3-18) (3-19) Puesto que se conocen las soluciones para ti] y tl4 , p artiendo de las ecuaciones (2-59) y (2-58), esta ecuación para "'4 se puede evaluar numéricamente y se considera una solución completa. Obsérvese que en los dos problemas anteriores las ecuaciones simultáneas que se resolvieron eran lineales. Esta no fue una coincidencia sino de algo que resulta cierto en todas las soluciones relativas a la velocidad; se debe al hecho de que la ecuación general (3-14) es lineal en las variables de velocidad. Cuando se toman las componentes real e imaginaria, los coeficientes pueden hacerse complicados; pero las ecuaciones siguen siendo lineales con respecto a las incógnitas de velocidad. Por lo tanto, su solución es directa. Otro indicio de la linealidad de las relaciones de velocidad es el que se observa al recordar que en las soluciones gráficas para la velocidad de las secciones previas, fue posible elegir un factor escalar arbitrario para un polígono de velocidades. Si se duplica la velocidad de entrada de un mecanismo, el factor escalar del polígono de velocidad se podría duplicar y el mismo polígono seguiría siendo válido. Esta es una característica de las ecuaciones lineales. También vale la pena hacer notar que tanto la (3-18) como la (3-19) incluyen a sen (04- (3) en sus denominadores. En general, cualqnier problema de análisis de la velocidad tendrá denominadores similares en la solución de cada una de las in cógnitas de velocidad. Estos denominadores son el determinante de la matriz de los coeficientes de las incógnitas de las ecuaciones lineales, como se reconocerá al recordar la regla de Cramer. En el caso del eslabonamiento de cuatro barras, se puede observar en la figura 2-13, que 04 - 03 es el ángulo de transmisión. Cuando el ángulo de transmisión se hace pequeño, la razón de la velocidad de salida a la de entrada se hace muy grande y se generan dificultades. 3-9 ANÁLISIS DE LA VELOCIDAD MEDIANTE ÁLGEBRA VECTORIAL Se expuso en la sección 2-9 el método de Chace para el análisis de posición. Aquí se mostrará la manera en que tal planteamiento se aplica al análisis de velocidad de los eslabonamientos. El método se ilustra resolviendo una vez más el mecanismo invertido de corredera y manivela de la figura 3-15 . El procedimiento se inicia escribiendo la ecuación de cierre del circuito (a)
- 117. VELOCIDAD 101 Las relacionesde velocidad se encuentran derivando esta ecuación con respecto al tiempo. La derivada de un término tipico se convierte en . d "" .. A A R = - (RR) = RR + RR dt (b) Sin embargo, puesto que R tiene longitud constante, y en virtud de que casi siem- . ;.. pre gua con uno de los eslabones, R se puede expresar como (3-20) a partir de lo cual la (b) se convierte en Si se usa esta forma general y se reconoce que las magnitudes rl Y r2 Y la dirección "1 son constantes, se puede tomar la derivada respecto al tiempo de la ecuación de cierre del circuito (a). Esto da (e) Puesto que se supone que se conocerian r4 Y r4 gracias a un análisis de posición previo, obtenido quizá con el método Chace de la sección 2-9, y dado que W2 es una velocidad impulsora conocida, las dos únicas incógnitas de esta ecuación son las velocidades ;-4 y W4. En lugar de tomar las componentes de la ecuación (e) en las direcciones ho rizontal y vertical. lo que conduciría a dos ecuaciones simultáneas con dos incóg nitas, el método de Chace conduce a la eliminación de una incógnita eligiendo con cuidado las direcciones a lo largo de las cuales se toman las componentes. Por ejemplo. en la (e) se observa que el vector unitario r4 es perpendicular a k x r4 Y. por ende. (d) Se aprovecha esta circunstancia para eliminar la incógnita ;-4. Si se toma el pro ducto escalar de cada término de la (e) con k x "4, se obtiene w2rik X "2) • (k x "4) = W4r4 de lo cual se obtiene W4 (e) Del mismo modo se puede tomar el producto escalar de la (e) con el vector unitario "4 y eliminar así a W4. Esto da (j)
- 118. 102 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Se puede demostrar con gran facilidad que estas soluciones son, de hecho, las mismas que se obtuvieron al aplicar el método de Raven. Partiendo de la (e) se puede escribir y, del mismo modo, Entonces, i j O O COS O2 sen fh k 1 = - sen 82 i + cos 82 j O (k x 1'2) ' (k x 1'4) = (- sen 82 i + cos ()2 j) . (- sen84 i + cos 84 b = sen82 sen ()4 + cos 82 cos 04 = cos (84 - OZ) y, análogamente, (g) (h) Cuando los términos de las ecuaciones (g) y (h) se sustituyen en las ecuaciones (e) y (j), los resultados se parean idénticamente a los que se obtuvieron con el método de Raven, ecuaciones (3-15) y (3-16). 3-10 CENTRO INSTANTÁNEO DE VELOCIDAD Uno de los conceptos más interesantes de la cinemática es el de un eje instantáneo de velocidad para los cuerpos rígidos que se mueven en relación con otro. En par ticular, se verá que existe un eje común a ambos cuerpos y en torno al cual puede considerarse que cualquiera de ellos gira con respecto al otro. Puesto que el estudio que se va a hacer de estos ejes se restringirá a movimien tos planos, t cada eje es perpendicular al plano del movimiento. A estos ejes se les asignará el nombre de centros o polos instantáneos. Estos centros instantáneos se consideran como un par de puntos coincidentes, uno en cada cuerpo, en torno a los cuales uno de estos tiene una rotación aparente en relación con el otro. Esta propiedad es verdadera sólo instantáneamente y al siguiente instante surgirá un nuevo par de puntos coincidentes que se convertirán en el centro instantáneo. Por ende, no es correcto mencionar a un centro instantáneo como el centro de rota ción, ya que generalmente no se localiza en el centro de curvatura de la trayectoria aparente que genera un punto de un cuerpo con respecto al sistema de coordenadas del otro. Sin embargo, incluso con esta restricción, se encontrará que los centros t En el caso de movimientos tridimensionales. este eje recibe el nombre de eje de tomillo instan táneo. El trabajo clásico que cubre sus propiedades es el que realizara R. S. Ball, A Treatise on (he Theory 01Screws, Cambridge University Press, Cambridge, 1900.
- 119. VELOCIDAD 103 instantáneos contribuyende manera sustancial a entender la cinemática del mo vimiento plano. El centro instantáneo de velocidad se define como la ubicación instantánea de un par de puntos coincidentes de dos cuerpos rígidos diferentes para los que las velocidades absolutas de los dos puntos son iguales. También se puede definir como la ubicación de un par de puntos coincidentes de dos cuerpos rígidos diferen tes para los que la velocidad aparente de uno de lospuntos es cero tal y como la percibe un observador situado en el otro cuer po. Consideremos un cuerpo rígido, 2, que tiene cierto movimiento general re lativo al plano x¡y¡; el movimiento podría ser de traslación, de rotación o una combinación de ambos. Como se ilustra en la figura 3-160, supóngase que el punto A del cuerpo tiene una velocidad conocida VA Y que el cuerpo posee una velocidad angular conocida 002. Cuando se conocen estas dos cantidades, se puede hallar la velocidad de cualquier otro punto del cuerpo, basándose en la ecuación de la diferencia de velocidad. Supóngase que se define un punto P, por ejemplo, cuya diferencia de posición RpA respecto al punto A se elige como (3-22) Debido al producto vectorial se ve que el punto P está localizado sobre la perpen dicular a VA , Y el vector RpA está girado respecto a la dirección de VA, en la direc ción de 002, como se muestra en la figura 3-16b. La longitud de RpA se puede cal cular a partir de la ecuación anterior, y se puede localizar el punto P. Se observa que su velocidad es Pero, al reemplazar este triple producto con una identidad vectorial se obtiene (a) Figura 3-16
- 120. 104 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS' Puesto que la velocidad absoluta del punto particular P elegido es cero, lo mismo que la velocidad del punto coins;idente del eslabón fijo, este punto P es el centro instantáneo entre los eslabones 1 y 2. Ahora se puede encontrar la velocidad de cualquier tercer punto e del cuerpo en movimiento, Ve = �O + VCP = ú)2 x Rcp (b) como se ilustra en la figura 3-16b. El centro instantáneo se puede localizar con mayor facilidad cuando se dan las velocidades absolutas de dos puntos. En la figura 3-17a, supóngase que los puntos A y e tienen las velocidades conocidas VA Y Vc. Las perpendiculares a VA Y Vc se intersecan en P, que es el centro instantáneo. En la figura 3-17b se muestra cómo localizar el centro instantáneo P cuando los puntos A, e y P están sobre la misma línea recta. En general, el centro instantáneo entre dos cuerpos no es un punto estacio nario, sino que su ubicación cambia en relación con ambos cuerpos, conforme se desarrolla el movimiento, y describe una trayectoria o lugar geométrico sobre cada uno de ellos. Estas trayectorias de los centros instantáneos, llamados centradas, se estudiarán en la sección 3-17. Puesto que se ha adoptado la convención de numerar los eslabones de un mecanismo, es conveniente designar un centro instantáneo utilizando los números de los dos eslabones asociados a él. Así pues, Pn identifica el centro instantáneo entre los eslabones 3 y 2. Este mismo centro se podría identificar como P23 , ya que el orden de los números carece de importancia. Un mecanismo tiene tantos centros instantáneos como formas existan de parear los números de los eslabones. Por lo tanto, el número de centros instantáneos en un mecanismo de n eslabones es N = n(n - 1) 2 y, �i ------------- -------- Xl O, ( b ) Flgura 3-17 Localización deun centro instantáneo partiendo de dos velocidades conocidas. (3-23)
- 121. 3-11 TEOREMA DEARONHOLD-KENNEDY DE LOS TRES CENTROS VELOCIDAD 105 Por lo que establece la ecuación (3-23), el número de centros instantáneos en un eslalxmamiento de cuatro barras es seis. Como se ve en la figura 3-18a, es factible identificar cuatro de ellos por simple observación; se ve que los cuatros pasadores se pueden identificar como los centros instantáneos P12, P23, P34 Y P14• puesto que cada uno de ellos satisface la definición. Por ejemplo, P23,es un punto del eslabón 2 en torno al cual parece girar el eslabón 3; se trata de un punto del eslabón 3 que carece de velocidad aparente, visto desde el eslabón 2; es un par de puntos coin cidentes de los eslabones 2 y 3 que poseen la misma velocidad absoluta. Un buen método para tener presente cuáles centros instantáneos se han encon trado, consiste en espaciar los números de eslabón en torno al perímetro de un círculo, como se indica en la figura 3-1 8b. A continuación, conforme se identifica cada polo, se traza una recta que conecta el par correspondiente de números de los esÍabones. En la figura 3-18b se muestra que se han localizado P12• P23, P34 Y P14 ; también muestra rectas faltantes, puesto que aún no se encuentra Pl3 y P24 • Estos dos centros no se pueden encontrar aplicando visualmente la definición. Después de encontrar tantos centros instantáneos como sea posible por obser vación, es decir, localizando los puntos que satisfacen obviamente la definición, los otros se localizan aplicando el teorema de Aronhold-Kennedy (que con fre cuencia sólo se llama teorema de Kennedy t) de los tres centros. Este teorema afirma que 'los tres centros instantáneos compartidos por tres cuerpos rígidos en movimiento relativo uno respecto a los otros (ya sea que estén o no conectados), están sobre la misma recta. Se puede demostrar este teorema por contradicción, como se ilustn� en la figura 3-19. El eslabón 1 es un marco estacionario , y el centro instantáneo P 12 se localiza en donde el eslabón 2 se conecta a él por medio de un pasador o espiga. Del mismo modo, PI3 está localizado en el pasador que conecta a los eslabones 1 y 3. t Este teorema lleva el nombre d e sus dos descubridores independientes, Aronhold, 1872, y Kennedy, 1886. Se conoce como teorema de Aronhold en los países de habla alemana y como teorema de Ken nedy en los de habla inglesa. 3 P34 , 2 Pn 1 P14 1 (a) lb) FiguraJ.18
- 122. 106 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 3-19 Teorema de Aronhold-Kennedy. Las formas de los eslabones 2 y 3 son arbitrarias. El teorema de Aronhold Kennedy afirma que los tres centros' instantáneos P12, P13, y Pn deben estar sobre la misma recta, la que conecta a los dos pasadores. Supóngase que esto no fuera cierto; de hecho, supongamos que Pn estuviera localizado en el punto identificado como P en la figura 3-19. En este caso, la velocidad de P, como punto del eslabón 2, tendria la dirección VP2, perpendicular a RpPI2' Pero la velocidad de P, como punto del eslabón 3, tendría la dirección VP3' perpendicular a RpPI1• Las direcciones son coherentes con la definición de que un centro instantáneo debe tener veloci dades absolutas iguales como parte de cualquiera de los eslabones. Por lo tanto, el punto P elegido no puede ser el centro instantáneo P23• Se presenta esta misma contradicción en las direcciones de VP2 Y VP3 para cualquier ubicación selec cionada para el punto P, a menos que se elija sobre la recta que pasa por P12 y Pu. 3-12 LOCALIZACIÓN DE CENTROS INSTANTÁNEOS DE VELOCIDAD En las dos últimas secciones se han visto varios medios para localizar centros ins tantáneos de velocidad. Con frecuencia se pueden localizar por simple observación de la figura de un mecanismo y buscando visualmente un punto que se ajuste a la definición, como por ejemplo, el centro de una articulación de pasador. También, una vez que se encuentran algunos centros instantáneos, se pueden localizar otros a partir de ellos, aplicando el teorema de los tres centros. En la sección 3-10 se demostró que es posible encontrar un centro instantáneo entre un cuerpo en movimiento y el eslabón fijo si se conocen las direcciones de las velocidades ab solutas de dos puntos del cuerpo, o si se conocen la velocidad absoluta de un punto y la velocidad angular del cuerpo. El propósito de esta sección es ampliar esta lista de técnicas y presentar ejemplos. Considérese el sistema de leva y seguidor que aparece en la figura 3-20. Los centros instantáneos PI2 y Pl3 se pueden localizar, por simple observación, en
- 123. VELOCIDAD 107 1 3@' Figura 3-20Centros instantáneos de una leva de disco con seguidor de cara plana. los dos centros de los pasadores. No obstante, el centro instantáneo que falta, P23, no es tan obvio. Según el teorema de Aronhold-Kennedy, debe estar sobre la recta que conecta a P12 y P13, pero, ¿en dónde? Tras cierta reflexión, se ve que la dirección de la velocidad aparente VA2!3 debe ser a lo largo de la tangente común a los dos eslabones en movimiento en el punto de contacto y, como la percibe un observador situado en el eslabón 3, esta velocidad debe aparecer como resultado de la rotación aparente del cuerpo 2 en torno al centro instantáneo P23• Por consiguiente, P23 debe encontrarse sobre la perpendicular a VAz!3. Esta recta ubica ahora a P23 como se indica. Es importante recordar el concepto ilustrado en este ejemplo, porque con frecuencia es de gran utilidad para localizar los centros instantáneos de me canismos que comprenden un contacto directo. Un caso especial de contacto directo, como se vio con anterioridad, es el con tacto por rodadura sin deslizamiento. Considerando el mecanismo de la figura 3-21 , se localizan inmediatamente los centros instantáneos P12, P23 Y P34• Si el contacto entre los eslabones 1 y 4 comprende algún deslizamiento, lo único que es factible afirmar es que el centro instantáneo PI4 está localizado sobre la recta ver- (b) Figura 3-21 Centro instantáneo en un punto de contacto por rodadura.
- 124. 108 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS tical que pasa por el punto de contacto. Sin embargo, si también se sabe que no hay deslizamiento, esto es, si se tiene contacto por rodadura, el centro instantáneo se localiza en el punto de contacto. Este es también un principio general, como resulta obvio al comparar la definición del contacto por rodadura, ecuación (3- 13), con la de un centro instantáneo; resultan ser equivalentes. Otro caso especial de contacto directo es evidente entre los eslabones 3 y 4 de la figura 3-22. En estas circunstancias existe una velocidad aparente (deslizamien to) VAy4' entre los puntos A de los eslabones 3 y 4; pero no hay rotación aparente entre los eslabones. En este caso, al igual que en la figura 3-20, el centro instan táneo P34 está a lo largo de una perpendicular común a la recta de deslizamiento conocida; pero ahora está localizado infinitamente lejos, en la dirección definida por esta recta perpendicular. Se puede demostrar esta distancia infinita conside rando la inversión cinemática del mecanismo, en la que el eslabón 4 se hace es tacionario. Al escribir la (3-22) para el mecanismo invertido, se observa que 613/4 X VA;/4 - - - -"- = 00 W314 (3-24) La dirección antes mencionada la confirma el numerador de esta ecuación. Tam bién se ve que, puesto que no hay rotación relativa entre los eslabones 3 y 4, el denominador es cero y la distancia a P34 es infinita. Los otros centros instantáneos de la figura 3-22, se encuentran por observación o aplicando el teorema de Aronhold-Kennedy. Obsérvese en esta figura cómo se utilizó la recta que pasa por Pl4 y P34 (en el infinito) para l'ocalizar PI3. Un ejemplo final ilustrará otra vez los principios que se acaban de presentar. Ejemplo 3-6 Localícense todo s los centros instántaneos del mecaniSmo presentado en la figura 2- 23, suponiendo un contacto por rodadura entre los eslabones 1 y 2. SoLUCION.• Los centros instantáneos PIJ, P14 Y P'5i se localizan por observación. Asimismo, P12 está localizado en el punto de contacto por rodadura. Es probable que se ubique la localización de Pz" gracias al hecho de que es el centro de la rotación aparente entre los eslabones 2 y 4; si no es así, se puede localizar trazando rectas perpendiculares a las direcciones de las velocidades aparentes en los dos vértices del eslabón 4. Una recta para el centro instantáneo �5 se obtiene oh- Figura 3-22 Centros instantáneos de un mecanismo invertido de corredera y manivela.
- 125. "gura 3·23 Ejemplo3-6. VELOCIDAD 109 5�2 � servando la dirección de deslizamiento entre los eslabones 2 y 5; la otra proviene de la recta que une </PI2PIS. A partir de estos, se pueden encontrar todos los demás centros instantáneos mediante aplicaciones repetidas del teorema de los tres centros. Antes de concluir esta sección, es preciso destacar que en todos los ejemplos anteriores se encontraron las ubicaciones de todos los centros instantáneos sin necesidad de especificar la velocidad real de operación del mecanismo. Esta es otra indicación de la linealidad de las ecuaciones que relacionan a las velocidades, como se señaló en la sección 3-8. Para cualquier mecanismo de un solo grado de libertad, las ubicaciones de todos los centros instantáneos están determinadas de manera única por la geometria únicamente, y no dependen de la velocidadde operación . 3-13 ANÁLISIS DE LA VELOCIDAD USANDO CENTROS INSTANTÁNEOS Las propiedades de los centros instantáneos ofrecen también un método gráfico sencillo para el análisis de velocidades de mecanismos con movimiento plano. Ejemplo 3-7 En la figura 3-240 se da por sentado que se conoce la velocidad angular lAl2 de la manivela 2 y se desea encontrar las velocidades de B, D Y E en el instante especificado. SoLUCIÓN Considérese la recta def mida por los centros instantáneos P12, P14, Y P24• De acuer do con el teorema de Kennedy-Aronhold, debe tratarse de una recta y se conoce comolínea de los centros. Según su definición, P24 es común tanto al eslabón 2 como al 4, Y posee las mismas velocidades absolutas en cada uno de ellos.
- 126. 110 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS I I I { I I I I I I VP 24 I / I ' V A' I I I I (b) Figura 3-24 Determinación gráfica de la velocidad aplicando el método de los centros instantáneos.
- 127. VELOCIDAD 111 Figura 3-24(Continuación)
- 128. 112 TEORLA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS En primer lugar, considérese el centro instantáneo P24 como un punto del eslabón 2. Se puede hallar la velocidad VA partiendo de (J);!, u sando la eruación de diferencia de velocidades en torno a P12, y es posible encontrar la velocidad de P24 partiendo de ella; la construcción gráfica se muestra en la figura 3-24b. Cuando el punto A' del eslabón 2 se localiza sobre la linea de los centros a una distancia igual desde Pll, su velocidad absoluta VA' tiene la misma magnitud que VA' Ahora bien, se puede hallar t la magnitud de VI',. trazando una recta a partir de PI2 , que pase por la punta de VA' como se indica. A continuación considérese a P24 como un punto del eslabón 4 que gira alrededor de P14. COnociendo Vp",. se puede encontrar la velocidad de cualquier otro punto del eslabón 4, como por ejemplo R' o E' (Fig. 3-24c), aplicando la construcción inversa. Puesto que R' y E' se es cogieron de tal modo que tengan los mismos radios que R y E, desde PI4 sus velocidades poseen magnitudes iguales a las de VB Y VE, respectivamente, y éstas se pueden disponer con sus direc ciones apropiadas como se muestra en la figura 3-24c. Para obtener VD se observa que D está en el eslabón 3; la velocidad conocida (J);! (o VA) corresponde al eslabón 2 y el eslabón de referencia es el ! . Por lo tanto, se escoge una nueva linea de los centros PI2P13P23 , como se muestra en la figura 3-24b. Si se usa (,)2 y P12, se encuentra la velocidad absoluta del centro instantáneo común PZ3• En este caso, este paso es trivial en vista de que VPn = VA' Al localizar el punto D' sobre la nueva linea de los centros, se encuentra VD como se indica, y su magnitud sirve para hallar la velocidad deseada Vl> Se observa que, según la definición, el centro instantáneo PIl , como parte del eslabón 3, tiene velocidad cero en este ins tante. Dado que también se puede considerar B como punto del eslabón 3, su velocidad se calcula en forma similar determinando VB' , como se muestra. El método de la línea de los centros del análisis de velocidad usando centros instantáneos se resume corno sigue: 1. Se identifican los tres números de eslabón asociados con la velocidad dada y la que se va a determinar. El eslabón 1 es casi siempre uno de ellos, en vista de que casi siempre se da y se pide información sobre la velocidad absoluta. 2·. Se localizan los tres centros instantáneos definidos por los eslabones del paso 1 y se traza la línea de los centros. 3. Se encuentra la velocidad del centro instantáneo común, tratándolo corno un punto del eslabón cuya velocidad se da. 4. Una vez que se conoce la velocidad del centro instantáneo común, se le con sidera corno un punto del eslabón cuya velocidad se va a determinar. Ahora es factible encontrar la velocidad de cualquier punto en ese eslabón. Otro ejemplo ilustrará el procedimiento y mostrará cómo tratar los centros instan táneos ubicados en el infinito. Ejemplo 3-8 En el caso del dispositivo que aparece en la figura 3-25, s610 se pueden ver algunos de los eslabones y los otros quedan dentro de una cubierta; pero se sabe que el centro instantáneo P25 tiene la ubicación indicada. Encuéntrese la velocidad angular de la manivela, (J);! , que se ne cesita para producir una velocidad Ve de 10 mis hacia la derecha. SOLUCIÓN Puesto que se da Ve,11 y se desea CdUh es necesario usar los centros instantáneos P15• P12, Y P25• Después de localizar P25, P56, Y PI6 por simple observación y aplicar el teorema de los t Nótese que VI'" se pudo haber encontrado directamente, partiendo de su diferencia de velocidad en relación con P12 • Se usó esta construcción para ilustrar el principio del método gráfico.
- 129. , Línea detos centros , , , I--.....,� 'YP 25 VELOCIDAD 113 Cubierta cerrada Figura 3-25 Ejemplo 3-8. 5 Ve Figura 3-26 tres centros, se localiza P'S en el infinito, como se muestra. Ahora se traza la línea de los centros PI2P25P¡S. Si se considera a Pzs como parte del eslabón 5, se buscará determinar su velocidad a partir de la dada Ve. Se tiene cierta dificultad para localizar un punto C' de la línea de los centros con el mismo radio que e desde PIS , porque PIS está en el infinito. ¿Cómo se procede, entonces? Si se recuerda lo expuesto en la sección 3-12 y en la ecuación (3-24), se ve que, puesto que PIS está en el infinito, el movimiento relativo entre los eslabones 5 y 1 es una traslación Y(I)S!I = O. Dado que esto es cierto, todos los puntos del eslabón 5 tienen la misma velocidad absoluta, in cluyendo V1'2, = Ve. De donde, se traza VI'¡j en la figura. A continuación, P25 se trata como un punto del eslabón 2, girando en tomo a P12•y se resuel ve para (1)2 . _ � 10 mIs � - R 0 25 40 rad/s cmr Resp. I'¡jP" • m Al observar la paradoja aparente entre las direcciones de Ve y �, se puede especular sobre la validez de la solución. No obstante, esto se resolvería abriendo la cubierta cerrada y observando el eslabonamiento que aparece en la figura 3-26. 3-14 TEOREMA DE LA RAZON DE VELOCIDADES ANGULARES En la figura 3-27, PZ4 es el centro instantáneo común a los eslabones 2 y 4. Su velocidad absoluta VP 24 es la misma ya sea que P24 se considere como un punto del
- 130. 114 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 3-27 Teorema de la razón de las velocidades angulares. eslabón 2, o bien, del 4. Considerándolo de cada manera, se puede escribir O O VP24 = �12 + roul x Rp24PI2 = �14 + (U4/1 X Rp�14 (a) en donde (U2/1 y (U4!1 son iguales a (U2 y (U4, respectivamente; pero se ha escrito el subíndice adicional para enfatizar en la presencia del tercer eslabón (el marco). Considerando sólo las magnitudes, la (a) se puede reordenar para quedar W4/1 Rp24PU WZ/I = Rp24PI4 (b) Este sistema ilustra el teorema de la razón de velocidades angulares. El teorema afirma que la razón de las velocidades angulares de dos cuerpos cualesquiera en movimiento plano, en relación con un tercer cuerpo, es inversamente proporcional a los segmentos en los que el centro instantáneo común corta la línea de los cen tros. Escrito en notación general, para el movimiento de los cuerpos j y k, en relación con el cuerpo i, la ecuación es Wlc/í RPjkPij Wj/¡ = RpjkP;tc (3-25) Si se escoge una dirección positiva arbitraria, a lo largo de la línea de los cen tros, el lector debe probar por sí mismo que la razón de velocidades angulares es positiva cuando el centro instantáneo común queda fuera de los otros dos centros, y negativa cuando queda entre ellos. 3-15 TEOREMA DE FREUDENSTEIN En el análisis y el diseño de eslabonamientos, con frecuencia resulta importante conocer las fases del eslabonamiento en las que se presentan los valores extremos de la velocidad de salida, o bien, expresado de un modo más preciso, las fases en las que la razón de las velocidades de salida y entrada alcanza sus valores extremos.
- 131. VELOCIDAD 115 , ; Figura3-28 Mecanismo de eslabón de�rrastre. Parece ser que el trabajo inicial para determinar los valores extremos fue el que realizara Krause,t quien afirmó que la razón de velocidades fUiW2 del mecanis mo de eslabón de arrastre (Fig. 3-28) alcanza un valor extremo cuando la biela y el seguidor, eslabones 3 y 4, quedan perpendiculares entre sí. Sin embargo, Rose nauer. ha demostrado que esto no es estrictamente cierto :t Siguiendo a Krause, Freudenstein desarrolló un metodo gráfico simple para determinar las fases del eslabonamiento de cuatro barras en las que se presentan los valores extremos de la velocidad.§ t R. Krause, "Die DoppelkurbeI und Ihre Geschwindigkeitsgrenzen" M J1sch�nenbauIGretiebetech nik:, vol. 1 8, pp. 37-41, 1 939; Zur Synthese der Doppelkurber, M aschinenbauIGretiebete<;hnik, vol. 18, pp. 93-94, 1939. t N. Rosenauer, "Synthesis of Drag-Link Mechanisms for ProduciDg Nonuniform Rotational Motion with Prescribed Reduction Ratio Limits, Aust. J. Ap pl. Sci., vol. 8, pp. 1-6, 1 957. § F. Freudenstein, "On the Maximum and Mínimum Velocities and Accelerations iD Four-Link Mechanisms," Trans. ASME, vol. 78, pp. 779·787, 1 956. B I , ! / / / K Figura 3·29 Eje de coliDeación.
- 132. 116 TEORlADE MÁQUINASY MECANISMOS El teorema de Freudenstein utiliza la recta que conecta a los centros instan táneos Pu y PIl (Pig. 3-29), denominada eje de colineación. El teorema expresa que en un extremo de la razón de la velocidad angular de salida a lade entrada de un eslabomuníento de cuatro barras, el eje de colineación es perpendicular al eslabón acoplador.§ Al aplicar d teorema de la razón de las velocidades angulares, ecuación (3-25), se escribe W4 R -=- _ _ P ..;;.. 24_ PI ;;:.. 2_ _ W2 Rp24P12 + RpI2PI4 Puesto que RPnPI4 es la longitud fija del eslabón de marco o referencia, los ex tremos de la raz6n de velocidades ocurren cuando Rp24Pl2 es un máximo, o bien, un mínimo. Estas posiciones pueden producirse en cualquiera de los dos o en ambos lados de P12- Por ende, el problema se reduce a encontrar la geometría del esla bonamiento para la que Rp2�12 es un extremo. Durante d movimiento del eslabonamiento, P24 se desplaza en la dirección de la recta PI2P... según el teorema de los tres centros; pero en un valor extremo de la razón de velocidades, P24 debe estar instantáneamente en reposo (su dirección de recorrido sobre esta recta debe estar invirtiéndose). Esto ocurre cuando la velo cidad de Pu. considerado como un punto del eslabón 3, queda dirigida a lo largo del eslabón acoplador. Esto será cierto sólo cuando el eslabón acoplador sea per pendicular al eje de colíneación, puesto que P13 es el centro instantáneo del eslabón 3. Una inversión del teorema (considerando al eslabón 2 como fijo) afirma que un valor extremo de la razón de velocidades W3/W2 de un eslabonamiento de cuatro barras0CUI"Tecumulo el e je de colineación esper pendicular al seguidor (eslabón 4). 3-16 INDICIlli DE MÉRITO; VENTAJA MECÁNICA En esta sección se estudiarán algunas de las razones, ángulos y otros parámetros de los mecanismos que indican si un mecanismo en particular es eficiente o deficiente. Muchos autores han definido este tipo de parámetros en el curso de los afios y no han podido lk;gar a un acuerdo respecto un solo "índice de mérito" para todos los mecanismos. No obstante, todos los que se han empleado poseen varias caracterís ticas en comÚll, incluyendo el hecho de que la mayor parte de ellos pueden rela cionarse con las razones de velocidades del mecanismo y, por ende , pueden deter minarse exclusivamente por la geometría del mismo. Además, la mayor parte dependen de cierto conocimiento de la aplicación del mecanismo, sobre todo de cuáles son los eslabones de entrada y salida. Con frecuencia resulta conveniente en el análisis o la síntesis del mecanismo, construir la gráfica de tales índices de mérito § A. S. lIaJI. Jr. contribuyó con una demostración rigurosa de este teorema, en un apéndice a la ponencia de Fn:udensteÍn.
- 133. VELOCIDAD 117 e FIgura 3-30Eslabonamiento de cuatro barras. para una revolución de la manivela de entrada, y observar en particular sus valores mínimo y máximo, al evaluar el diseiío del mecanismo o su adaptabilidad a una aplicación en especial. En la sección 3-14 se explicó que la razón de la velocidad angular del eslabón de salida al de entrada de un mecanismo es inversamente proporcional a los seg mentos en los que el centro instantáneo común corta la línea de los centros. Por consiguiente, en el eslabonamiento de cuatro barras de la figura 3-30, si los eslabones 2 y 4 son los de entrada y salida, respectivamente, entonces W4 RpA W2 = RpD es la ecuación para la razón de la velocidad de salida a la de entrada. En la sección 3-15 se explicó también que los extremos de esta razón ocurren cuando el eje de colineación es perpendicular al acoplador, el eslabón 3. Si ahora se supone que el eslabonamiento de la figura 3-30 carece de fuerzas de fricción o de inercia durante su funcionamiento, o que estas son despreciables en comparación con el momento de torsión de entrada T2, aplicado al eslabón 2, y el momento de torsión de salida T4• el momento de carga resistiva sobre el eslabón 4, entonces se puede obtener una relación entre T2 y T4• Puesto que las fuerzas de fricción e inercia son despreciables, la potencia de entrada aplicada al eslabón 2 es la negativa de la potencia aplicada al eslabón 4 por acción de la carga; por lo tanto, (a) o bien, (3-26) La venta ja mecánica de un mecanismo es la razón instantánea de la fuerza (momento de torsión) de salida a la fuerza (momento de torsión) de entrada. En este caso se observa que la ventaja mecánica es el recíproco negativo de la razón de velocidades. Cualquiera de las dos se puede utilizar como índice de mérito al juz gar la capacidad de un mecanismo para transmitir fuerza o potencia.
- 134. 113 TE0R1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS e Figura 3-31 Eslabonamiento de cuatrq barras ep posición de volquete. En la figura 3-31 se ha vuelto a trazar el esquema d$tl mecanismo en la po sición en la que los'eSlabOnes 2 y � se encuentran sobre hi misma recta. En esta posición, RpA y W4 están pasando por cero; por ende, se obtiene un valor extremo de la ventaja mecánica (infinito). Cuando un mecanismo se encuentra en esta fase se dice que está en volquete. 'A meftudo se emplean estas posiciones en volquete para 'producir una gran ventaja'íneeánica;'oo ejemplo se tiene en'el mecanismo de sujeción de la figura 2-6. Continuando,' seitrazan'B'A y C'D perpendÚ:ulares a la recta PBC de la figura 3-30. Sean támbién p y y 'los 'ánguÍos agudos formados por el acoplador, o su ex tensión, ' y los ángulos 'de s.Hida y " entrada, respcl!tivamente. Así pues, por trián- guios semejantes, ; RpD 'RC'D ReD setÍy RpA = RB'A = RBA sen {3 (h) Luego, aplicando la (3-26) se ve que otra expresión para la ventaja mecánica es t = _ (d2 = _ -:= Re -""". D_ sen _-,- 'Y W 4 ' RBAsen {3 (3-27) . . L a (3-27) muestra que l a ventaja m�cánica es ioiinita siempre que el ángulo {3 sea O ó ISO", es decir, siempre que el mecanismo esté en laJX)sición de volquete. En la sección 1-9 se defi,nió el ángulo y comprendido entre el acoplados y el eslabón seguidor como el ángulo de transmi$ión. Este ángulo se utiliza también con frecuencia como índice de mérito para un eslabol)alniento de cuatro Qarras. La ecuacióJl (3-27) n;u,testra,que la ven�aja mecánica disminuye cuando el ángulo de transmisión es,mucho menor que un ángulo recto. $i -el ángulo de transm�sión �e reduce en exceso, la ventaja mecánica se empequeñece e incluso una cantidad muy pequeña de fricción hará que el mecanismo se trabe. Para evitar lo anterior, una regla empírica común es que no se debe usar un eslabonamiento de cuatro barras en una región en la que el ángulo de transmisión sea menor que, por ejemplo 45 Ó 50° . El mejor eslabonamiento de cuatro barras, 'con base en la calidad de su fuerza de transmisión, tendrá un ángulo de transmisión con desviación mínima de 90°. En otros �ecanismos, por ,e jemplo, dientes de engrane� acoplados o si$te mas de leva y seguidor, se usa el émgu/o depr �ión como indice de mérito. El án- tCompárese este resultado con la ecuación (3-t9).
- 135. , .' VELOCIDAD(la9 gulo de presión se define como el ángulo agudo comprendido entre 'la dirección de la fuerza de salida y la dirección de la velocidad del punto en el que se apJica la fuerza de salida. Los ángulos de presión se estudiarán'ton mayor minuciosidad en los capitulos 6 y 7 . En el eslabonamiento de cuatro barras, el ángulo de presión es el complemento del de transmisión. Otro índice de mérito que se ha propuesto :f: es el déterminante de los coe ficientes de las ecuaciones simultáneas que relacionan a las velocidades dependien tes de un mecanismo. Así, en el ejemplo 3-5 se vio que las velocidades dependientes de un eslabonamiento de cuatro barras están relacionadas p,�r medio de las ecuaciones RcB sen lhw3 ReD sen 84w4 =:= RYA sen 82W2 , El determinantede los coef" téienfes'és Como lo incli�a d� lDanera. obvia la regla de Cramer, las solucione� ' 'P�ra l;¡ls .�e-:t locidades ck:pendientes, en este caso, W3 Y W4, deben incluir este determinante en el denomi�adoi. Esto .se justifica.en la solucióñ ' del eslabonamiento de cuatro harras, ecl!aciones '(3-18) y (3-19). Aunque la forn.1a de este deterniinante cambia para dif .erentes. mecanism�s. siempre se puede definir uno de este tipo y siempre aparece en los denominadores de todas las soluciones de velocidades dependientes. Cuando este determinante se hace pequefio, la ventaja mecánica se reduce tambié� y la utilidad del mecanismo se reduce en tales regiones. Todavia no se ha v�sto, pero también es verdad que este mismo determinante aparece del mismo modo en el denominador de las acelerf!ciones dependientes y todas las demás can tidades que requieren que se tomen derivadas de la ecuación de cierre del circuito. Si este determinante es pequefio el mecanismo funcionará con deficiencia en todos los aspectos -fuerza de transmisión, transformación del movimiento, sensibilidad a errores de fabricación. etc. 3-17 CEN1RODAS En la sección 3-10 se hizo notar que la ubicación del centro instantáneo de velo cidad estaba definido sólo instantáneamente, y que cambiaria conforme el me canismo se moviera. Si se encuentran las ubicaciones de los centros instantáneos para todas las fases posibles del mecanismo, se verá que describen curvas o lugares U. Denavit y otros, "Velocity, Acceleration, and Static Force Analysis of Spatial Linkages," J. AppJ. Mech., ASME TraM., voL 87, series E, no. 4, pp. 903-910, 1965.
- 136. 120 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Centroda fija /' Figura 3-32 Centroda fija. geométricos, denominados centrodas.tEn la figura 3-32, el centro instantáneo P13 se localiza en la intersección de las extensiones de los eslabones 2 y 4. Conforme el eslabonamiento se mueve pasando por todas las posiciones posibles, Po describe la curva conocida con el nombre de centrodafija sobre el eslabón 1. En la figura 3-33 se ilustra la inversión del mismo eslabonamiento en el que el eslabón 3 está fijo y el l es movible. Cuando esta inversión se mueve pasando por todas las posiciones posibles, P13 describe una curva dif erente sobre el eslabón 3. Para el eslabonamiento original, en el que el eslabón 1 está fijo, ésta es t Las opiniones parecen estar igualmente divididas sobre si estos lugares geométricos se deben denominar centrodas o polo das. En general, los que prefieren usar el nombre centro instantáneo los llaman centrodas y los que usan el vocablo polo los denominan polodas; aunque también se ha aplicado el nombre de ruletas. Los equivalentes tridimensionales son superficies regladas que se conocen como axodas. Centroda móvil Figura 3-33 Centroda móvil.
- 137. VELOCIDAD 121 Tangente alas centrodas Centroda fija Centroda móvil Figura 3-34 Contacto porrodadura entre centrodas. la curva trazada por PI3 sobre el sistema de coordenadas del eslabón móvil 3; y se denomina centroda móvil. En la figura 3-34 se presenta la centroda móvil, unida al eslabón 3, y la cen troda fija unida al eslabón l . Aquí se imagina que los eslabones 1 y 3 se han maquinado para adquirir las formas reales de las centrodas respectivas, y que los eslabones 2 y 4 se han eliminado por completo. Si ahora se deja que la centroda móvil ruede sobre la centroda fija sin resbalar, el eslabón ;3 tendrá exactamente el mismo movimiento que poseía en el eslabonamiento original. Esta notable pro piedad que se origina en el hecho de que un punto de contacto por rodadura es un centro instantáneo, resulta de gran utilidad en la síntesis de los eslabonamientos. Esta propiedad se puede reenunciar como sigue: El movimiento plano de un cuerpo rígido en relación con otro es completamente equivalente al movimiento por rodadura de una centroda sobre la otra. El punto instantáneo de contacto por rodadura es el centro instantáneo, como se muestra en la figura 3-34. También se muestran la tangente común a las dos centrodas y la normal común, llamada tan gente a las centrodas, y normal a las centrodas; se usan a menudo como los ejes de un sistema de coordenadas para desarrollar ecuaciones para una curva del aco� pIador u otras propiedades del movimiento. Las centrodas de la figura 3-34 fueron generadas por el centro instantáneo P13 sobre los eslabones 1 y 3. Otro conjunto de centrodas, ambas móviles, es el que se genera sobre los eslabones 2 y 4 cuando se considera el centro instantáneo P24 • En la figura 3·35 se ilustran estas últimas como dos elipses, para el caso de un eslabonamiento cruzado de doble manivela, en el que éstas son iguales. Estas dos centrodas ruedan una sobre la otra y describen el movimiento idéntico entre los eslabones 3 y 4 que resultaría de la operación del eslabonamiento de cuatro barras original. Se puede usar esta construcción como base para el desarrollo de un par de engranes elípticos.
- 138. m TEORlA DEMÁQUINAS y MECANISMOS Figura 3-35 PROBLEMAst 3-1 El vector de posición de un punto está dado por la ecuación R IOOe'''', en donde R se da en pul gadas. Encuéntrese la velocidad del punto cuando t = 0.40 s. 3-2 La ecuación R = (t2 + 4)e-''',110 define la trayectoria de una partícula. Si R se da en metros, deter� mínese la velocidad de la partícula en t = 20 s. 3-3 Si ,el automóvil A se desplaza hacia el sur a 55 millaslh y el automóvil ·B a 40 millas con una direc ción que forma un ángulo ¡le 60° con la norte, hacia al este, ¿cuál es la diferencia de velocidad entre B y A? ¿Cuál es la velocidad a�arente de B para el conductor del A ? 3-4 E n la figura, la rueda 2 ira a 600 rpm e impulsa a la rueda 3 sin resbalar. Encuéntrese la diferencia de velocidad entre los puntos B y A . 3-5 Dos puntos, A y B, localizados a lo largo del radio de una rueda (véase la figura), tienen una mag nitud de la velocidad de 80 y 140 mih, respectivamente. La distancia entre los puntos es RBA = 300 mm. a) ¿Cuál es el diámetro de la rueda? b) Encuéntrese VAB, VBA Y la velocidad angular de la rueda. t AÍ asignar los problemas, quizá el maestro desee especificar el método de resolución que debe utilizarse, en vista de la variedad de planteamientos presentados en el texto. Problemas 3-4 Y 3-5
- 139. B f Trayectoriade! avión B 1 )0 , 200 . milla� V I Trayectoria del avión A ¡ 60: � 450 A ' Problemas 3-6 y 3-8 R4B = 400 mm. A { / /' --;1: � � A VELOCIDAD 123 '---j�---- x Problema 3-9 RAo, = 4 pulg, RBA= 10 pulg, Ro.o, 1 0 pulg, RBO• = 12 pulg. Problema 3-10 RAo, 150 mm, RYA = 300 mm, Ro.o, 75 mm, RBO• = 300 mm, ROA 150 mm, ReD = 100 mm. 3-6 Un avión sale del punto B y vuela hacia el este a 350 millas/h. Simultáneamente, en el punto A, a 200 millas al sureste (véase la figura), otro avión despega y vuela al noreste a 390 millas/h. a) ¿A qué distancia se acercarán los aviones uno del otro si vuelan a la misma altitud? b) Si ambos despegan a las 6:00 p.m., ¿a qué hora ocurrirá esto? 3-7 A los datos del problema 3-6, agréguese un viento de 30 millas/h proveniente del oeste. a) Si A vuela con el mismo rumbo, ¿cuál es su nueva trayectoria? b) ¿Qué cambio produce el viento en los resultados del problema 3-61 3-8 La velocidad del punto B del eslabonamiento ilustrado en la figura es de 40 mis. Determinese la velocidad del punto A y la velocidad angular del eslabón 3. 3-9 El mecanismo que aparece en la figura es impulsado por el eslabón 2 a bl:! = 45 rad/s emr. Encuén trense las velocidades angulares de los eslabones 3 y 4. 3-10 La manivela 2 del mecanismo de eslabón de empuje ilustrado en la figura correspondiente, es im pulsado a bl:! 60 rad/s mmI. Determinense las velocidades de los puntos B y e y las velocidades an gulares de los eslabones 3 y 4. 3-11 Calcúlese la velocidad del punto e sobre el eslabón 4 del mecanismo que se muestra en la figura, si la manivela 2 es impulsada a ro, = 48 radls cce. ¿Cuál es la velocidad angular del eslabón 31
- 140. 124 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 3-12 La figura muestra un eslabonamiento de barras paralelas en el que los eslabones opuestos tienen longitudes iguales. Para este eslabonamiento, demuéstrese que (1)) es siempre cero y que(l)4 (1)2' ¡'Cómo describirla el movimiento del eslabón 4 en relación con el 21 e ---- x Problema3-11RAo, = 8pulg,.RBA = 32pulg, Ro,o, = 16pulg, RBo.= 16pulg, Reo. = 12pulg. Problema3-12 3-13 La figura ilustra el eslabonamiento antiparalelo o de barras cruzadas. Si el eslabón 2 es impulsado a (1)2 ':' 1 rad/s cmr, determi�as velocidades de los puntos e y D. 3-14 Encuéntrese la velocidad del punto e del eslabonamiento ilustrado en la figura correspondiente, suponiendo que el eslabón 2 posee una velocidad angular de 60radls crnr. Hállense también las ve locidades angulares de los eslabones 3 y 4. Problema 3-13 RAo, 3-14 RAo, RBA RBO, 300 mm, RBA = Ro.o, 150 mm, ReA 6 pulg, Ro.o, = RBO, 10 pulg, ReA = pulg. -- x RDB = 75 mm. Problema 3-15 La inversión del mecanismo de corredera-manivela mostrado en la figura impulsa el eslabón 2 a (1)2 60 rad/s cmr. Determínese la velocidad del punto B y las velocidades angulares de los esla bones 3 y 4. 3-16 Encuéntrese la velocidad del punto e del acoplador y las velocidades angulares de los eslabones 3 y 4 del mecanismo ilustrado, si la manivela 2 posee una velocidad angular de 30 radls mmr .
- 141. VELOCIDAD 125 Problema 3-15RAo, = 75 mm, RBA = 400 mm, Ro.o, = 125 mm. Problema 3-16 RAo, = 3 pulg, RBA = ReB = 5 pulg, Ra.o, = 10 pulg, RBO, = 6 pulg. 3-17 El eslabón 2 del eslabonamiento ilustrado en la figura correspondiente posee una velocidad angular de 10 rad/s crnr. Determínese la velocidad angular del eslabón 6 y también las velocidades de los puntos B, C y D. 3-18 La velocidad angular del eslabón 2 del mecanismo de eslabón de arrastre que se muestra en la figura es de 16 rad/s mmr. Constrúyase un diagrama polar de velocidades para la velocidad del punto B, para todas las posiciones de la manivela. Compruébense las posiciones de las velocidades máxima y mínima, aplicando el teorema de Freudenstein. �---;;----B Problema 3-17 RAo, = 2.5 pulg, RBA = 10 pulg, ReB = 8 pulg, RCA Roc = 4 pulg, Ro"o, = 8 pulg, RlJOr, = 6 pulg. Problema 3-18 RAo, = 350 mm, RBA = 425 mm, Ro,o, = lOO mm, RBO, = 400 mm. 3-19 El eslabón 2 del mecanismo ilustrado en la figura es impulsado a 11)2 = 36 rad/s mmr. Cálculese la velocidad angular del eslabón 3 y la velocidad del punto B. 3-20 Calcúlese la velocidad del punto C y la velocidad angular del eslabón 3 del mecanismo de eslabón de empuje ilustrado en la figura. El eslabón 2 es el impulsor y gira a 8 rad/s emr. 3-21 El eslabón 2 del mecanismo que aparece en la figura correspondiente posee una velocidad angular de 56 rad/s cmr. Determínese Vc. 3-22 Encuéntrense las velocidades de los puntos B, C y D del mecanismo de doble corredera presentado en la figura, si la manivela 2 gira a 42 rad/s cmr. 3-23 La figura presenta el mecanismo usado en un motor en V de 60° de dos cilindros, compuesto en parte de una biela articulada. La manivela 2 gira a 2 000 rpm mmr. Determínense las velocidades de los puntos B, C y D.
- 142. 126 ' TEORIA DEMÁOUINAS y MECANISMOS Problema 3-19 RAo, 5 pulg, RBA = RBo.. 8 ' pulg, Ro..o,. = 7 pulg, Problema 3-20 RAa: 150 mm, ReA Reo. = 250 mm, Ra,o, = 75 mm, ReA = 300 mm, ReB = 100 mm. B e Problema 3-21 RAo, = Ree 150 mm;RBA RBo. = 250 mm, Ro.o, 100 mm, ReA 300 mm. Problema 3-22 R"o, 2 pulg, RBA = 10 pulg, ReA = 4 pulg, ReB = 7 pulg, Roc = 8 pulg. Problema 3-23 R"o, = 2 pulg, Re" = ReB 6 pulg. ReA = 2 pulg, Roc 5 pulg.
- 143. , . VE1.00lDAD127 3-24 Formúlese un análisis completo de velocidad para el eslabonamiento ilustrado en la figura corres pondiente, Uado que � = 24 rad/s. mmr. ¿Cuál es la velocidad absoluta del punto B1 ¿Cuál es su ve locidad para un observador que se 4f;:splaza junto con el eslabón 41 . �� , I 3-25 Determinese VB-para.el eslabonamiento presentado en la figura correspondiente si V A ..'tpie/s. 3-26 La figura-de este problema ilustra una variación del mecanismo de yugo escocés. Este mecanismo es impulsado por la manivela 2 a � " 36 rad/s emr. Calcúlese la velocidad de la cruceta, esla bón 4. 3-27 Hágase un análisis completo de velocidad del eslabonamiento ilustrado en la figurá: corresPondien te, para (0)2 " 72rad/s crnr. A -'---�-x Problema 3-24 RAo, ' = 8pulg, Ro.hz 20 pulg. Problema3-25 Problema 3-26 RAo¡ = 250 mm. Problema 3-27 RAo, = Roc = 1.5 pulg, RBA = 10.5 pulg, Ro.o¡ = 6 pulg, RBo. 5 pulg, Ro"o, = 7 pulg, RE� = 8 pulg.
- 144. US' 1EORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS ---- 2r---� Problema 3-28 Las dimensiones se dan en milimetros. Problema 3-29 3-28 Los eslabones ranurados 2 y 3 son impulsados en forma independiente a f»2 = 30 rad/srnmr y (0)3 = 20rad/s mmr, respectivamente. Calcúlese la velocidad absoluta del centro del pasador P4 que va den tro de las dos ranuras. 3-29 El mecanismo ilustrado se impulsa de tal manera que Ve = 10 pulg/s hacia la derecha. Se supone que existe un contacto por rodadura entre los eslabones 1 y 2; pero que puede haber deslizamiento entre los eslabones 2 y 3. Determínese la velocidad angular del eslabón 3. 3.30 La leva circular ilustrada se impulsa a una velocidad angular de f»2 = 1.5 rad/smmr. Existe un con tacto por rodadura entre la leva y el rodillo, eslabón 3. Calcúlese la velocidad angular del seguidor os cilante, eslabón 4. 3-31 El mecanismo ilustrado en la figura es impulsado por el eslabón 2 a 10 rad/s cmr. Se tiene un con tacto por rodadura en el punto F. Determinese la velocidad de los puntos E y G, Y las velocidades an- ,� guiares de los eslabones, 3, 4, .5 Y 6. 3-32 La figura presenta el diagrama esquemático de una bomba de dos émbolos. La bomba es impul sada por un excéntrico circular, eslabón 2, a f»2 = 2.5 rad/s cmr. Calcúlense las velocidades de los dos pistones, eslabones 6 y 7. Problemas 3-30 Y 3-31
- 145. VELotIDAD 129 Problema 3-32 Problema3-33 ( 3-33 El tren de engranes epicíclico que se muestra en la figura correspondiente es impulsado por el brazo, eslabón 2, a 6»2 = 10 rad/smmr. Deterrnlnese la velocidad angular del eje de salida que va conec tado al engrane 3 . 3-34 E l diagrama muestra una aproximación esquemática plana d e una suspensión delantera d e au tomóvil. El centro del rodillo es el término utilizado por la industria para describir el punto en torno al cual parece girar el cuerpo del automóvil, en relación con el piso. Se supone que hay pivoteo, pero no resbalamiento entre las ruedas y la carretera. Después de hacer un esquema, aplíquense los conceptos de los centros Instantáneos para encontrar una técnica que sirva para localizar el centro del rodillo. 3-35 Localícense todos los centros instantáneos del eslabonamiento del problema 3-22 .3-36 Determlnense todos los centros instantáneos del mecanismo del problema 3-25. 3-37Encuéntrense todos los centros instantáneos del mecanismo del problema 3-26. 3-38 Localicense todos los centros instantáneos del mecanismo del problema 3-27. 3-39 Encuéntrense todos los centros instantáneos del mecanismo del problema 3-29. 3-40 Hállense todos los centros instantáneos del mecanismo del problema 3-30. Problema 3-34
- 146. CAPÍTULO CUATRO ACELERACIÓN 4-1 DEFINICIÓN DEACELERACIÓN En la figura 4-1a se observa primero un punto móvil en la ubicación Pen donde tiene una velocidad Vp. Después de un breve intervalo de tiempo !:it, se observa que el punto se ha desplazado siguiendo cierta trayectoria hasta la nueva ubica- ción P', y que su velocidad ha cambiado a Vp, que puede diferir de Vp tanto en magnitud como en dirección. Se puede evaluar el cambio de velocidad4Vp: como se indica en la figura 4-lb. La aceleraci.ón promedio del punto P durante el intervalo es AVPI!:it. La aceleración instantánea (de aqui en adelante llamada, sencillamente. ace leración) del punto P se define como la rapidez de cambio de su velocidad res pecto al tiempo, es decir, el limite de la aceleración promedio para un intervalo de tiempo infinitesimalmente pequeño Ap = lim 4Vp = dVp =� At->o!:it dt dt (4-1) Puesto que la velocidad es una cantidad vectorial, ..1Vp y la aceleración Ap también son cantidades vectoriales y ambas tieneIJ, magnitud y dirección, Asimis mo, al igual que la velocidad, el vecfor aceleración se define apropiadamente sólo para un punto; el término no se debe aplicar a una recta, un sistema de coorde nadas, un volumen o cualquier otra colección de puntos ya que las aceleraciones de los diversos puntos que intervengan pueden diferir,
- 147. z y ' ......---- Trayectoria del puntoP ' ' Vp' I I P' I ____ �Vp O�---------------------------x (al Figura 4-1 Cambio en la velocidad de un punto en movimiento, ACELERACIÓN 131 °v lb) Al igual que la velocidad, la aceleración de un punto en movimiento será con siderada en forma diferente por observadores diferentes. La aceleración no depen de de la ubicación real del observador, sino que depende críticamente del movi miento de éste o, mas bien, del movimiento del sistema de coordenadas de tal observador. Si la aceleración es detectada por un observador situado en el sistema absoluto de coordenadas se le menciona como aceleración absoluta y se denota mediante el símbolo Ap/1 o simplemente Ap, lo cual es coherente con la notación utilizada para la posición, el desplazamiento y la velocidad. 4-2 ACELERACIÓN ANGULAR DE UN CUERPO RíGmO En la figura 4-2 se considera el movimiento de un cuerpo rígido. Dos puntos del cuerpo, P y Q, sufren primero desplazamientos pequefios durante un intervalo breve de tiempo, &t, y llegan a las nuevas posiciones xxi y Q'. A continuación, durante otro pequefto intervalo de tiempo, cubren otros pequefios desplazamientos para llegar a las posiciones P" y Q". Se recordará (Sec. 3-3) que estos despla zamientos sirvieron para obtener el vector diferencia de velocidad VPQ Y para definir el vector velocidad angular � del cuerpo en movimiento. Al hacerlo se tomó el punto de vista de un observador en un sistema de coordenadas en mo vimiento cuyo origen se desplaza junto con el punto Q, pero cuyos ejes se man tienen paralelos a los de los ejes de coordenadas absolutas. Se recordará asimismo que un observador de esta indole percibe sólo la rotación del cuerpo en tomo al
- 148. 132 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 4-1 (al Figura 4-3 Q (b) punto Q y, como se mostró en la figura 3-4, a él le parece que el vector de diferen cia de posición RPQ describe un cono cuyo eje define la dirección de w. Al desarrollar las fórmulas para la aceleración, ahora se desea extender este punto de vista para dos intervalos de tiempo sucesivos. En la figura 4-30 se toma la perspectiva del mismo observador en movimiento, pero sin rotación. Durante el primer intervalo de tiempo, el cuerpo gira en torno a Q hasta que P llega a P', con RpQ describiendo una sección de cono en torno al eje w. Durante el segundo inter-
- 149. ACELERACIÓN 133 valo, larotación continúa hasta que P' llega a P". Sin embargo, en esta ocasión, la rotación puede tener un tamafto diferente y realizarse en torno a un eje diferen te; de donde, se muestra RÍ>Q describiendo un segundo cono con el eje modificado ro', El cambio en la velocidad angular del cuerpo está dado por La aceleración angular del cuerpo se define como la rapidez de cambio de su velocidad angular, y su símbolo es a , 4ro dro a !�Tt=dt (4-2) Como se ve en la figura 4-3a, el cambio en la velocidad angular puede incluir un cambio en la magnitud (si la rapidez de la rotación aumenta o decrece) Y. o bien, un cambio en la dirección (si se modifica el eje de la rotación). Al igual que 4(1), del cual proviene, no existe razón alguna para creer que a posea una dirección a lo largo de ro o bien, ro'; sino que puede tener una dirección totalmente nueva. Como el vector velocidad angular ro, el vector aceleración angular a se aplica a la rotación absoluta del cuerpo rígido completo, y con frecuencia se le asigna un subindice del número del sistema de coordenadas del cuerpo en movi miento, por ejemplo, a2 o a2/1. 4-3 DIFERENCIA DE ACELERACIONES ENTRE PUNTOS DE UN CUERPO RÍGIDO Siguiendo con la figura 4-3a, se puede escribir la ecuación de diferencia de velo cidad que proviene de cada uno de los desplazamientos sucesivos y vpo VP - VQ=ro x Rpo Vpo=Vp - Vó=ro' x Rpo (a) (b) Los dos vectores de diferencia de velocidad se muestran tangentes a los conos res pectivos en Py P'. Al restar la ecuación (a) de la (b), se obtiene 4VPQ=VÍ>Q-VpQ (e) =4Vp 4VQ (d) En la figura 4-3b se muestra la sustracción gráfica de la (e) como su frontera ex terior. Se observará que Vpo y VPQ tienen una diferencia de dirección en D.O ya que, según las ecuaciones (b) y (a), son perpendiculares a los radios del cono rÍ>Q y rPO> respectivamente. Las magnitudes VÍ>Q y VPQ no son necesariamente iguales. Para contribuir a la evaluación de 4VPO> a continuación se divide en dos com ponentes, 4Vn, tomada como la cuerda de un arco circular con centro en Q y radio VPQ, Y 4VI, tomada a lo largo de VPQ"
- 150. 134 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 4.VPQ= 4.Vn + 4.Vi En breve se descubrirá el significado de los superindices. (e) Si por ahora este estudio se concentra tan sólo en 4.vn , se puede evaluar su magnitud trazando su mediatriz que pasa por Q. Así pues, !:l fJ !:lvn = 2VpQ senT Si se supone que el intervalo de tiempo !:lt (y, por lo tanto, el desplazamiento an gular) es pequeño, el seno del ángulo pequeño se puede aproximar por el ángulo mismo Ahora se puede dividir entre !:lt y tomar el límite, definiendo así lo que se conoce con el nombre de componente normal de la diferencia de aceleración. A esta ex presión se le asocia el símbolo Ai'>o An I, !:lvn lím ( !:l fJ V ) PQ= lm�= A t PQ át....o I..lt át-íl I..l Si se aplica la definición de velocidad angular, esto se convierte en A1>Q = wVpQ Asimismo, en la figura 4-3b se observa que, en el límite, la cuerda 4.vn queda per pendicular a VPQ> Por consiguiente, se pueden restaurar los atributos véctoriales a la ecuación, escribiendo A1>Q = ú> X VPQ Recordando la ecuación (3-3) correspondiente al vector de diferencia de velocidad, esto se puede escribir en la forma (4-3) Si el cuerpo que contiene a los dos puntos P y Q tiene un movimiento plano, se pueden encontrar otras formas útiles a partir de las ecuaciones (4-3) y (3-3) para evaluar A1>Q A1>Q= -w2RpQ (4-4) An _ V�Q PQ- RpQ (4-5) Ahora, el análisis se concentrará en 4.vt, el otro término de la ecuación (e). Puesto que 4.Vn es la cuerda de un arco circular, la magnitud de 4.Vt se puede evaluar como !:lVI VpQ VPQ Iú>' x RpQI-Iú> x RPQI = w'rÍ>Q- wrpQ Luego se divide entre!:lt y se toma el limite, definiendo con ello a la componente tangencial de la diferencia de aceleración A�Q
- 151. ACELERACIÓN 135 Al -lím Ll VI l' w'rEo - wrpQ _ l ' (Llw ) PQ - 1m Al - 1m -¡- t rpQ At-o At-o � t.t-o � Se observa que, en el limite, las direcciones de AVI, VPQ Y VEo se acercan a la tan gente del cono en P. Por ende, es factible restaurar las propiedades vectoriales de esta ecuación como se indica a continuación A�Q = l��(�7x RpQ ) o bien, recordando la (4-2), A�Q = a x RpQ (4-6) Ahora, después de haber examinado las componentes por separado, la (e) se divide entre Llt, se toma el límite y se define el vector diferencia de aceleración en tre dos puntos P y Q de un cuerpo rigido A - lím AVPQ - dVPQ - An +Al PQ - At-o Llt - dt - PQ PQ (4-7) Cuando se forma el mismo limite a partir de la (d), se obtiene la ecuación de la diferencia de aceleración APQ Ap AQ o bien, Ap = AQ +ApQ (4-8) Esta importante ecuación es una de las bases primarias para el análisis de acele ración, porque permite encontrar la aceleración de un punto P partiendo de la de Q Figura 4-4
- 152. 136 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS cualquier otro punto Q del mismo cuerpo rígido, y la diferencia de aceleración en tre ambos. Según la ecuación (4-7), la diferencia de aceleración consta de dos com ponentes que pueden evaluarse a partir de las ecuaciones (4-3) y (4-6), si se conocen las propiedades ro y (l del movimiento de rotación del cuerpo. En la figura 4-4 se ilustran las direcciones de las componentes de la diferencia de aceleración, y en donde se muestra una vez más el movimiento cónico que vería un observador en un sistema de coordenadas que se traslada con el punto Q, por lo que respecta a RpQ• Ambas componentes quedan en el plano definido por la base del cono. Los superíndices n y t se refieren a las componentes que son normales y tangentes al círculo de la base del cono. La componente normal A�Q siempre está dirigida hacia el centro de este círculo; la dirección de A�Q siempre es tangente a este círculo, pero su sentido depende del de (l. Una vez más se hace hincapié en que (l y ro no tienen por lo común la misma dirección en el espacio tridimensional. La ecuación de la diferencia de aceleración se puede resolver por medios muy similares a los que se emplearon en el capítulo 3 para la ecuación de la diferencia de velocidad. 4-4 ANÁLISISGRÁFICO DE LA ACELERACIÓN; POLÍGONOS DE ACELERACIONES Como en el análisis de velocidad, el enfoque gráfico proporciona un método poderoso y de fácil aplicación para analizar aceleraciones en mecanismos bidimen sionales. Como primer ejemplo del análisis gráfico de la aceleración, considérese el movimiento del eslabón no restringido que se ilustra en la figura 4-5a, con las velocidades que se muestran en el polígono de velocidades, figura 4-5b. Supóngase que se da la aceleración de dos puntos, A y B, Y se desea determinar la aceleración del punto e y la aceleración angular del eslabón (se observará que esto es una con tinuación de la sección 3-4, figura 3-6). En general, resulta conveniente dibujar la figura a escala y resolver para todas las velocidades importantes antes de dar prin cipio al análisis de la aceleración propiamente dicho. A continuación, considérese la ecuación de la diferencia de aceleración (4-8), (a) En la figura 4-5c se muestra la solución l gráfica de esta ecuación para ABA. En su obtención es necesario elegir una escala para la representación gráfica de los vec tores aceleración; también se elige un punto de partida DA. Se representan grá ficamente los vectores AA y AB a la escala seleccionada, teniendo ambos su origen en DA y terminando en los puntos A y B, puesto que son aceleraciones absolutas. Según la ecuación (a), el vector que se extiende entre sus extremos ahora se iden tifica como la diferencia de aceleración ABA y, dentro de la precisión gráfica, da una representación correcta tanto de la magnitud como de la dirección.
- 153. ACELERACIÓN 137 A¡¡r;;..---..¡¡.... (a) O�A v (b) (e) (fl A AA (e) OA e B (g) FIgura 4-5 La dirección de RBA se conoce a partir del diagrama del eslabón (Fig. 4-5a). Basándose en esta dirección, el vector ahora se divide en ABA en sus componentes normal y tangencial (b) Estas aparecen ilustradas en la figura 4-5c y se repiten en el dibujo del eslabón, en la figura 4-5d, en donde se pueden ver con mayor claridad sus direcciones. Se puede hallar la aceleración angular midiendo a escala la magnitud de la componente tangencial de la diferencia de aceleración y la distancia entre los pun-
- 154. 138 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS tos, y aplicando la (4-6). En el caso de un movimiento plano el vector « es per pendicular al plano del movimiento y su magnitud está dada por (e) Su sentido se puede determinar visualmente basándose en la figura 4-5d. Tomando la perspectiva dcr un observador que no gira y se mueve con el punto A, la com ponente tangencial AkA se puede concebir como la rotación del eslabón en tomo al punto A, en la dirección de «, en este caso, en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj. Se observa que si se hubiera encontrado AAB en lugar de ABA. el sentido de A�B habría sido opuesto al de AkA. No obstante, se concebiría como si indicara una rotación del eslabón en torno al punto B. Por consiguiente, el sentido de « habría resultado ser de todos modos el mismo que el del movimiento de las manecillas del reloj. Ahora que se ha determinado « se está en posición de calcular la aceleración absoluta del punto e, relacionándolo con los puntos A y B por medio de las ecuaciones de la diferencia de aceleración 00 vv vV ov" Iv vV oV Ac == AA+ACA+Ab AB+AcB+Ah (d) Dado que los puntos A, B Y e están en el mismo eslabón, las componentes nor males ACA y ACB tienen cada unaJa forma-w2R [Ec. (4-4)]. En vista de que se conoce ro (o se encuentra partiendo de VBA), las dos magnitudes se pueden cal cular utilizando RCA Y RcB• respectivamente, y resultan ser iguales a w2R. Estos se suman después gráficamente a AA y AB, como se ilustra en la figura 4-5e. Nótese que el signo menos de la (4-4) significa que ACA es paralelo a RCA, pero de sentido opuesto y, análogamente, para ACB y RcB. Continuando con la ecuación (d), ahora es preciso sumar las componentes tangenciales Ab y Ah, las que, por lo que es tipula la ecuación (4-6), son perpendiculares a RCA Y RcB, respectivamente. Estas dos rectas se tr�an como se indica en la figura 4-5e y se intersecan en el punto identificado por la letra e. La ecuación (d) revela que la aceleración absoluta del punto e está dada por el vector que va de OA a e en el poligono de aceleraciones. En la figura 4-51 se presenta con la ubicación adecuada en el diagrama del eslabón. Según el método que se acaba de explicar, no se utilizó el valor previamente calculado de « . Un método alterno habría sido usar « y la (4-6) para calcular ya sea A�A o Ah. Sólo habría sido necesaria una de las dos ecuaciones (d) con este método para localizar el punto e y determinar Ac. En la figura 4-5g se muestra el mismo poligono de aceleraciones con el trián gulo ABe sombreado y en el que se han suprimido las componentes normal y tan gencial de la diferencia de aceleración. Se observa una vez más que el triángulo ABe del polígono de aceleraciones tiene una forma semejante a la del eslabón original ABe. Se puede demostrar que, en efecto, este es el caso, escribiendo las ecuaciones correspondientes a la magnitud de cada lado. Cada vector de diferencia de aceleración está constituido por una componente normal y una tangencial, y los
- 155. ACELERACIÓN 139 tres formanun triángulo rectángulo como se observa en la figura 4-5e. Por lo tan to, aplicando el teorema de Pitágoras se encuentra, por ejemplo, la magnitud de ABA como sigue: Del mismo modo, y RCAyw4+0:2 RCBYw4+0:2 (e) (j) (g) Por ende, se ve que los lados del triángulo ABC del polígono de aceleraciones son proporcionales a los lados del eslabón original ABC, en donde el factor de propor cionalidad depende del movimiento de rotación del eslabón. Esta figura de forma semejante a la del polígono de aceleraciones se conoce con el nombre de imagen de aceleraciones del eslabón, y cada eslabón en movimiento tiene una imagen de aceleraciones correspondiente en el polígono de aceleraciones. Al igual que en el caso de la imagen de velocidades, se puede usar el concepto de imagen de aceleraciones para simplificar mucho la resolución del ejemplo an terior. Una vez que se han localizado los puntos A y B de la imagen de acelera ciones se puede construir el triángulo de la imagen de aceleraciones trazando proporcionalmente los lados con los del eslabón, o construyendo los ángulos o: y {3, como se indica en la figura 4-5g. Nótese que cuando se aplica este método, se evita el cálculo de las dos componentes normales de la (d). Aunque el ángulo de rotación de la imagen de aceleraciones relativo al propio eslabón no es un valor que se determine con facilidad (depende de la magnitud de ro y tanto de la magnitud como de la dirección de a), las otras propiedades de la imagen de velocidades se trasladan a las imágenes de aceleraciones: l . La imagen de aceleraciones de cada eslabón rígido es una reproducción a escala de la forma del eslabón en el polígono de aceleraciones. 2. Las letras que identifican los vértices de cada eslabón son las mismas que se tienen en el polígono de aceleraciones y se encuentran en tomo a la imagen de aceleraciones en el mismo orden y en la misma dirección angular que alrededor del eslabón. 3. La razón del tamaño de la imagen de aceleraciones de un eslabón y el tamaño del propio eslabón depende del movimiento de rotación del eslabón. En general, no es la misma para los diferentes eslabones de un mecanismo. 4. El punto 0,.. del polígono de aceleraciones es la imagen de todos los puntos que tienen aceleración absoluta igual a cero. Se trata de la imagen de aceleraciones del eslabón fijo. 5. La aceleración absoluta en algún punto de cualquier eslabón se representa por medio de la recta que va de OA a la imagen del punto en el polígono de aceleraciones. La diferencia de aceleración entre dos puntos, póngase por caso P y Q, se representa mediante la recta que va del punto imagen P al punto imagen Q.
- 156. 140 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS la) Xl I / I An / CDI I I I F l", A't'-_ B CD lb) Figlll'a 4-6 Análisis gráfico de aceleración de un eslabonamiento de cuatro barras, ejemplo 4-1: a) diagrama a escala y b) poligono de aceleraciones. Como se dijo en relación al análisis gráfico de la velocidad, se puede hacer uso de la conveniencia del concepto de imagen de aceleraciones a fin de acelerar la resolución y reducir los cálculos numéricos. No obstante, se puede dar la impresión de un truco gráfico sin base teórica firme; de donde, conviene seguir escribiendo las ecuaciones correspondientes de la diferencia de velocidad y la diferencia de aceleración siempre que se emplee el concepto de imagen, hasta haberse fami liarizado perfectamente con los principios fundamentales. A continuación se presentarán dos ejemplos más para dar una mayor experiencia por lo que respecta al análisis gráfico de la aceleración. E;jempló 4-1 El eslabonamiento de cuatro barras ilustrado en la figura 4-00 se analizó en el ejem plo 3-1, en lo referente a las velocidades; y su polígono de velocidades se dio en la figura 3 -7b. Suponiendo que el eslabón 2 es impulsado con una velocidad angular constante, determinense las aceleraciones absolutas de los puntos E y F, Y las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 4. SOLUCIÓN Partiendo del punto pivote fijo A, se principia por escribir la ecuación de diferencia de aceleraciones para la aceleración del punto B. ( 1) Las componentes de la ecuación de la diferencia de aceleración se calculan partiendo del movi miento angular especificado del eslabón 2, A�. W�RBA = (94.2rad/s)2(�Pie)= 2958 pie/s 2 A�A a2RBA (O rad/s2)(�Pie)= o· Se elige el punto 0,0. y una escala para las aceleraciones, y se traza A�A (con dirección opuesta a la de RBA) , con el fin de localizar el punto B en la imagen de aceleraciones, como se consigna en la figura4-6b, resolviendo así la ecuación (1).
- 157. ACELERACIÓN 141 A continuaciónse escriben las ecuaciones de la diferencia de aceleración que relacionan al punto C con los puntos B y D, (2) Con la información medida a escala en el poligono de velocidades, se calculan las magnitudes de las dos componentes normales de la diferencia de aceleración, A�s Vh = Res A " _ V�D CD- ReD (38.4 pie/s)2 938 pie/s 2 18112 pie (45.5 pie/s)2 2268 pie/s 2 11/12 pie Éstas dos componentes normales tienen sentidos opuestos a Res y Reo. respectivamente. Como lo establece la ecuación (2), se agregan al polígono de aceleraciones partiendo de los puntos B y D, respectivamente, y se muestran mediante las líneas a trazos de la figura 4-6b. Luego se trazan rectas perpendiculares a trazos que pasen por los extremos de estas dos componentes normales; éstas representan la adición de las dos componentes tangenciales Af:.s Y Af:.D, como se requiere, completando así la ecuación (2). Su interseccÍón se identifica como el punto imagen e de ace leración. Ahora se encuentran las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 4 a partir de las dos componentes tangenciales A::-s 160 pie/s2 107 radfs2 crnr Resp. ('J=-- 18/12 pie Re8 ('4 AtD RCD = lt 2 pie = 1822 rad/s2 mmr Resp. en donde las direcciones se encuentran aplicando la técnica de simple observación ilustrada en el último ejemplo, figura 4-5d. La aceleración absoluta del punto E se calcula ahora relacionándolo con los puntos B y C. que están también en el eslabón 3, por medio de las ecuaciones de la diferencia de aceleración, (3) Si así se desea, la resolución de estas ecuaciones puede seguir los mismos métodos empleados para la (2). Un segundo método es utilizar el valor de al, que ahora se conoce, con el propósito de cal cular una o ambas componentes tangenciales. Sin embargo, es probable que el método más sen cillo sea construir el triángulo de las imágenes de aceleración BCE para la recta 3, utilizando como base a ACB Y la forma del eslabón 3. Cualquiera de estos métodos lleva a la localización del punto imagen de aceleración E indicado en el polígono de aceleraciones, figura 4-6b. La acele ración absoluta del punto E se mide entonces a escala y se encuentra que es AIi= 1960 pie/s 2 Resp. Se puede aplicar también cualquiera de estos métodos para hallar la aceleración absoluta del punto F. Las ecuaciones apropiadas de la diferencia de aceleración, que lo asocian a los puntos e y D del eslabón 4, son AF=AD+A'FD+A�= Ac+Ak+A�c (4) Su resolución conduce a la ubicación del punto imagen F, como se ilustra en el polígono de aceleraciones, y el resultado es AF=2 580 pie/s 2 Resp.
- 158. 142 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Al repasar este ejemplo, es evidente que la estrategia global para el análisis gráfico de la aceleración, el orden y el número de las ecuaciones escritas, sigue exactamente el sistema usado en el análisi¡¡ gráfico de la velocidad. Aunque hay dos componentes en cada diferencia de aceleración y sólo una por cada diferencia de velocidad, las componentes normales se pueden calcular siempre basándose en la información contenida en el polígono de velocidades; dicho de otra manera, nunca contienen una incógnita. Las incógnitas de la ecuación de la diferencia de aceleración surgen casi siempre de la magnitud desconocida de la componente tan gencial, la cual depende de la aceleración angular de un eslabón, y la magnitud o dirección desconocidas de una de las aceleraciones absolutas. Ji;jemplo 4-2 En el ejemplo 3-2 se hizo el análisis de velocidad de un mecanismo excéntrico de corredera y manivela. El polígono de velocidades se ilustró en la figura 3-8b. Suponiendo que la velocidad dada de la corredera fuera constante, determínense la aceleración absoluta instantánea del punto D y las aceleraciones angulares de los eslabones 2 y 3. SOLUCIÓN El diagrama a escala del mecanismo se ilustra una vez más en la figura 4-7a. El poligono de aceleraciones se inicia eligiendo una escala y el polo OA, como se ve en la figura 4-7b. Puesto que la velocidad Vese da como constante, su aceleración es cero y, por ende, el punto imagen de aceleración e se identifica con OA. A continuación se escriben las ecuaciones de la diferencia de aceleración, para la aceleración del punto B, relacionándolo con dos puntos cuyas aceleraciones se conocen t , los puntos e y A, AB = Yc0+ ABe + A�e �O+ ABA + A�A (5) Se pueden calcular las magnitudes de las dos componentes normales a partir de la información obtenida del diagrama de posiciones y del polígono de velocidades, A" V�e (7.5 m/s) Be RBe O.1 4 m m s ( l0.0 m/S)2 =2000 I2 0.05 m m s Ti unque se conocen l�-puntos lIñagen -de aCeleraciSn'�de (; y-A;'sería ' un error iñexcusable !bbujar ... !lna -"imageñ de'!'aceleracioñe;¡' -dettnfuJ.�Úl�ABC;�pof(i�e notodos estos - puntos ;;tAn en el'mismo eslabón. y, D (a) B (b) Figura 4-7 Análisis gráfico de aceleración correspondiente a un mecanismo excéntrico de corredera y manivela, ejemplo 4-2 a) diagrama a escala (las dimensiones se dan en milimetros) aceleraciones.
- 159. ACELERACIÚN 143 Estas setrazan paralelas, pero con sentido opuesto a RBC Y KsA, respectivamente; y se suman a Ac Y AA, como se muestra mediante las rectas a trazos de la figura 4-7b. Ahora se efectúa la adición de las componentes tangenciales de la (5), trazándolas perpen diculares a KBC y KBA, respectivamente. Su intersección se identifica como el punto imagen de aceleración B. Dado que se conocen los puntos imagen B y C, se puede trazar la imagen de aceleraciones del eslabón 3 para localizar el punto imagen D. Teniendo cuidado de que la imagen no se voltee, se ilustra sombreada en el polígono de aceleraciones. Abora se puede medir a escala la aceleración absoluta del punto D, desde OA hasta el punto imagen D; y el resultado es AD 1300m/5z Resp. Las aceleraciones angulares de los eslabones 2 y 3 se determinan partiendo de las dos com ponentes tangenciales de la (5) A�A 1 260 m/52 az = -- = 25 200rad/s2 mmr Resp. RBA 0.05 m A' 2300m/s2 al = � = 16400 rad/S2 cmr Resp. RBc 0.14m Nótese que a2 se encuentra en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj, a pesar de que el movimiento de la corredera es hacia la izquierda. Este ejemplo debe ser una advertencia suficiente para aquellos que se sientan inclinados a determinar por intuición las direcciones de las aceleraciones; éstas no son fáciles de imaginar y se deben obtener a partir de principios básicos, en lugar de tratar de adivinarlas. En el ejemplo 3-2 se vio que Ilt)¡ tiene sentido opuesto al del movimiento de las manecillas del reloj, como era de esperarse; el que a2 tenga un sentido igual al del movimiento de las manecillas del reloj revela que el eslabón 2 se está desace lerando en su movimiento de rotación. 4-5 ACELERACIÓN APARENTE DE UN PUNTO EN UN SISTEMA DE COORDENADAS EN MOVIMIENTO En la sección 3-5 se encontró que era necesario desarrollar la ecuación de la ve locidad aparente para situaciones en las que convenia describir la trayectoria por la Figura 4-8 Desplazamiento aparente.
- 160. 144 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS que se mueve un punto, en relación con otro eslabón móvil; pero que no convenía describir el movimiento absoluto del mismo punto. Investiguemos ahora la ace leración de un punto de esta naturaleza. Para hacer un repaso, en la figura 4-8 se ilustra un punto P3 se mueve siguiendo una trayectoria conocida, la ranura, en relación con el marco de referencia móvil X2Y2Z2. El punto P2 tantáneamente con el P3• aceleraciones de los puntos P3 sea factible calcular (o medir) en un sistema mecánico típico. En la figura 4-9 se recuerda cómo percibiría esta misma situación un obser vador móvil unido al eslabón 2. Para él, la trayectoria de P3, la ranura, parecería estacionaria y le parecería que el punto P3 la velocidad aparente VP]/2. Se recordará que en la sección 3-5 se definió otro sistema de coordenadas móviles ¡ni!, en donde p se definió como un vector unitario en la dirección del radio vector de curvatura de la trayectoria, T se definió como el vector unitario tangente a la trayectoria en Py i! era normal al plano que contiene a p y T, for mando así un sistema derecho de coordenadas cartesianas. Después de definir s como una distancia escalar de arco que mide el desplazamiento de P3 la trayectoria curva, se dedujo la ecuación (3-9) para la velocidad aparente (a) Considérese la rotación del radio vector de curvatura; barre cierto ángulo pequeño 1l<fJ conforme P3 Trayectoria trazada por P3 sobre --' el eslabón 2 '" Z2 p )-:--- _________....1 ---- x2 Figura 4-9 Desplazamiento aparente °2 del punto p] como lo ve un obser vador situado sobre el eslabón 2.
- 161. ACELERACIÓN 145 breve intervalode tiempo At. El pequeño ángulo y la pequeña distancia están relacionados mediante la expresión A<f> = As p Si esto se divide entre At y se toma el límite para un At infinitamente pequeño se encuentra que d<f> _ 1 ds _ Vpy2 (j¡-pdt---¡;- (b) Esta es la rapidez angular a la que parece girar el radio vector de curvatura p (y también T), tal como lo ve un observador móvil en el sistema de coordenadas 2, conforme el punto P3 se desplaza a lo largo de su trayectoria. Se puede dar a esta rapidez de rotación sus propiedades vectoriales apropiadas como una velocidad angular aparente, observando que el eje de esta rotación es paralelo a v. Por con siguiente, se define � = ��v = V;Y2V (c) A continuación se intenta hallar la derivada respecto al tiempo del vector unitario T , de tal modo que se pueda derivar la ecuación (a). En vista de que T es un vector unitario, su longitud no cambia; no obstante, tiene una derivada debido a su cambio de dirección, esto es, su rotación. En el sistema absoluto de coor denadas, i' está sujeto a la rotación c;, y también a la velocidad angular Q), con la que está girando el sistema de coordenadas móvil 2. Por,ende, Pero, cuando se usa la ecuación (e), esta expresión se convierte en Ahora, si se toma la derivada respecto al tiempo de la (a), se encuentra que dVP3/2 d2s A ds di' �s A ds A A ds Vpy2 A -¡¡¡- = dt2 '1'+ dt dt = dt'i '1'+ dtQ)XT- dt--¡;-P y, al aplicar la (a), esto se reduce a dVpy2 -¡¡¡- (d) (e) (j) Nótese que los tres términos de la ecuación anterior no se definen como las componentes de la aceleración aparente. Para ser coherente, el término aceleraci6n
- 162. 146 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS aparente debe incluir sólo aquellas componentes que serian vistas por un obser vador !üo al sistema móvil de coordenadas. La ecuación anterior se deduce en el sistema absoluto de coordenadas e incluye el efecto de rotación de ro, que no sería detectado por el observador móvil. No obstante, se puede encontrar con facilidad la aceleración aparente, a la que se le da la notación Ap¡/2, igualando a cero a ro en la (f). Esto da las dos componentes restantes en donde Apy2 = Apy2+A�y2 An _ V}3/2 � P/2----P 3 P (4-9) (4-10) recibe el nombre de componente normal indicando que siempre es normal a la trayectoria y está dirigida hacia el centro de curvatura (la dirección -p) . en tanto que (4-11) se conoce como componente tangencial, indicando que siempre es tangente a la trayectoria (la dirección T ). A continuación se observa que el radio vector de curvatura p gira tanto a causa de ro como de ej.. Por ende, su derivada est Ahora se puede escribir la ecuación de posición basándose en la figura 4-9, Rp) = Rc,+p y con la ayuda de la (g), se puede tomar su derivada respecto al tiempo:!: (g) VP3 VC2+roxP+Vp¡/2 (h) Al derivar una vez más esta ecuación con respecto al tiempo, se obtiene � dVp¡12 Ap¡ AC2+el X P+ro x dt + ---¡¡¡- y, con la ayuda de las ecuaciones (f) y (g), esto se convierte en Ap3 = AC2+el X p+rox (ro X p)+Zro X VP)!2- V;J/2 p+ �:� T (i) t Nótese que la magnitud de p se trata como constante en la cercanía del punto P, debido a su definición. En realidad, no es una constante, sino un valor estacionario; su segunda derivada es diferen te de cero, pero la primera es cero en el instante considerado. :j: El primero de los dos términos de la ecuación (h) es igual a Vp,; de donde, es equivalente a la ecuación de la velocidad aparente. No obstante, nótese que aun cuando p = Rp,c" sus derivadas no son iguales; y no giran a la misma velocidad. Por consiguiente, faltarían algunos de los términos de la si guiente ecuación si, por el contrario, se derivara la ecuación de la velocidad aparente.
- 163. ACELERACIÓN 147 Los primerostres términos de esta ecuación se reconocen como las componen tes de Ap2 y los dos últimos términos como los componentes de la aceleración aparente Ap,/2' Por lo tanto, se define un símbolo para el término restante, (4-12) Este término recibe el nombre de componente de Coriolis de la aceleración. Es evidente que se trata de un término de la ecuación de la aceleraCión aparente. Sin embargo, a diferencia de lo que pasa con las componentes deAPJf2' no la percibe un observador en movimiento que se encuentre fijo en el sistema móvil de coorde nadas 2. Con todo, sigue siendo un término en la (l) y forma parte de la diferencia entre Ap3 y Ap2 detectadas por un observador absoluto. Con la definición, la (l) se puede escribir de la siguiente manera, conocida como ecuación de la aceleración aparente. (4-13) en donde las definiciones de las componentes individuales son las expresadas en las ecuaciones (4-10) a (4-12). En las aplicaciones es importante en extremo reconocer ciertas caracteristicas de esta ecuación: 1) Satisface los objetivos de esta sección porque relaciona las aceleraciones de dos puntos coincidentes de diferentes eslabones, en una forma sig nificativa. 2) Sólo existe una nueva incógnita entre las tres componentes nuevas definidas. Las componentes normal y de Coriolis se pueden calcular a partir de las ecuaciones (4-10) y (4-12) basándose en la información sobre la velocidad, no con tribuyen con nuevas incógnitas. No obstante, la componente tangencial A�3/2, ten drá casi siempre una magnitud desconocida en la aplicación, puesto que no se puede encontrar d2s/dt 2• 3) Es importante hacer notar la dependencia de la (4-13) respecto a la capacidad de reconocer en cada aplicación la trayectoria que traza p)t sobre el sistema de coordenadas 2. Esta trayectoria constituye la base para las direcciones de las componentes normal y tangencial, y también es necesaria para determinar p para la (4-10). Por último, una advertencia, la trayectoria descrita por P3 sobre el eslabón 2 no es necesariamente la misma que la descrita por P2 sobre el eslabón 3. En la figura 4-9, la trayectoria de P3 sobre el eslabón 2 es muy clara, es la ranura curva. La trayectoria de P2 sobre el eslabón 3 no es clara en lo absoluto. Como resultado de ello existe una manera natural correcta e incorrecta de escribir la ecuación de la aceleración aparente para dicha situación. La ecuación es perfectamente válida; pero inútil, porque se desconoce p para la compo nente normal. Nótese asimismo que Af,¡P2 emplea 6)2, mientras que Af,2P¡ usa W3. Se debe tener cuidado extremo al escribir la ecuación apropiada para cada apli cación, identificando la trayectoria conocida.
- 164. 148 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Ejemplo 4-3 En la figura 4-10 se representa un bloque, 3, que se desliza hacia afuera sobre el eslabón 2, con una rapidez uniforme de 30 mIs, mientras que el eslabón 2 está girando con una velocidad angular constante de 50 radls cmr. Determínese la aceleración absoluta del punto A del bloque. SOLUCIÓN En primer lugar calcúlese la aceleración absoluta del punto coincidente A� que éstá inmediatamente debajo del bloque; pero perteneciente al eslabón 2, A", =%0+ A�,o, +�� A�!o, =W�RA,o,=(50 rad/s)2(500mm) l 250 mis' Se construye la gráfica de esta expresión, determinando el punto imagen de aceleración A,. Luego se reconoce que el punto AJ está restringido a desplazarse sólo a lo largo del eje del eslabón 2. Esto proporciona una trayectoria para la que se puede escribir la ecuación de la aceleración aparente, Los términos de esta ecuación se calculan como sigue y se suman gráficamente en el poligono de aceleraciones, AA)A,=2W2 VA,/2 = 2(50 rad/s)(30 mIs) 3000 m/s2 A n _ V�)/2 (30 mIs)' O A,/2 - P 00 rapidez uniforme a lo largo de la trayectoria Esto localiza el punto imagen de aceleración AJ y el resultado es AA) 3 250 mIs' Resp. Ejemplo 4-4 Hágase un análisis de aceleración del eslabonamiento ilustrado en la figura 4-11, para la velocidad con$tante de entrada W2 = 18 rad/s mmr. SoWCIÓN En primer lugar se realiza un análisis completo de velocidad, como se indica en la figura. Esto da VA= 12 pie/s VB,A =10.1 pie/s VBJ/4=6.5pie/s w] W4 7.77 rad/s mmr Para hallar las aceleraciones, primero se encuentra AA =�O+A�o,+%,O A�o, W�RAo, = (18 rad/s)2(�2 Pie)=216 pie/s2 y trácese la gráfica de esto para localizar el punto imagen de aceleración A. Luego escríbase la ecuación de la diferencia de aceleración, VV >Iv (IV AH)= AA +A�)A +A�"" (l) El término A¡,A está dirigido de B hacia A y se agregan al polígono de aceleraciones, como se in dica. El término A�,A tiene magnitud desconocida, pero es perpendicular RBA• Puesto que la (1) tiene tres incógnitas, no se puede resolver; de donde, se busca una segunda
- 165. ACELERACIÓN 149 Yl lor----�--------------Xl Figura 4-10Ejemplo 4-3. ecuación para ABJ. Considérese la perspectiva de un observador situado en el eslabón 4; éste podría ver al punto B, moviéndose sobre una trayectoria rectilinea a lo largo de la línea central del bloque. Con esta trayectoria, ahora se puede escribir la ecuación de la aceleración aparente ( 2) En vista de que el punto B4 está sujeto mediante pasador al eslabón de base, tiene aceleración cero. Las otras componentes de la ecuación (2) son AÍl,B. = 2W4Ve,/4 2(7.n rad/s) (6.5 pie/s) 101 pie/s2 A�,/4 V�¡J' (6.5 pie/sJ2 O P 00 La componente de Coriolis se agrega al poUgono de aceleraciones originándose en el mismo pun to B. (DA), como se muestra. Por último, se suma AII"., cuya magnitud se conoce, gráficamente a ésta en la dirección definida por la tangente a la trayectoria. Esta última cruza la recta des conocida de AlijA. ecuación ( 1), localizando así el punto imagen de aceleración B3' Cuando el poligono se mide a escala. se encuentra que los resultados son A�". = 103 pie/s? AliJA 16 pie/s2 A A Figura 4-11 Ejemplo 4-4: RAo, =.8 pulg. RBo, = 1 0 pulg.
- 166. 150 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 4son a4= a3= A�)A = 16 pie/s2 12.3 rad/s2 crnr RBA 15.6/12pie. En este ejemplo se observa que se pueden imaginar tanto la trayectoria de B3 sobre el eslabón 4 corno la de B4 sobre el eslabón 3 y que pudo haberse usado cualquiera de ellas al de cidir el·planteamiento. Sin embargo, aun cuando B4 está sujeto a la base (eslabón 1), se des cbnoce la trayectoria del punto B3 sobre el eslabón 1. Por ende, no se puede calcular en forma directa el término A11,/1 . Ejemplo 4-5 En el ejemplo 3-3 (Fig. 3 - 11) se realizó el análisis de velocidad del mecanismo in vertido de corredera-manivela ilustrado en la figura 4-12. Determínese la aceleración angular del eslabón 4, si el eslabón 2 se impulsa con una velocidad constante. SOLUCI6NRevisando el ejemplo 3-3 se recordará que VA,=9pie/s VAD=7.24pie/s VA"4=5.52 pie/s W2=36 rad/s rnrnr W3 = W4=7.55 rad/s cmr Para analizar las aceleracionesse principia escribiendo AA,= �o+ A�E + %0 A�E = W�RAE =(36rad/s)2(i2 Pie)= 324pie/s2 y se traza la gráfica de esto corno se muestra en la figura. A continuación se observa que el punto A2 se desplaza recorriendo la trayectoria rectilínea ilustrada, en relación con un observador situado en el eslabón 4. Conociendo esta trayectoria, se escribe (a) F (b) (e) Figura 4-12 Ejemplo 4-5
- 167. vv oV VV."..,0 o"; AA, '" AA. + A :4,A,+ A ;A,I' + A�214 en donde A:4",. '" O ya que p ca y ACELERACIÓN A" V�,D_(7.24pie/s)2 - 542 . 1 2 A,D R"'D - 1 1.6/12 pie - . pIe s 151 (3) (4 ) El término A:4.v se suma a partir de OA, seguido por una recta de longitud desconocida corres pondiente a A�.D' Puesto que no se conoce aún el punto imagen A.,no se pueden sumar los tér minos A�2A. y A;'",. como lo exige la (3). No obstante, se pueden transferir estos dos términos al otro miembro de la ecuación (3) y restarse gráficanIente del punto de imagen A2, completando así el polígono de aceleraciones. Ahora se puede hallar la aceleración angular del eslabón 4, 284pie/s _ 2 1 1 .6/12 pie - 294 rad/s cmr Resp. Esta necesidad de restar los vectores es común en problemas de aceleración que comprenden la componente de Coriolis y se deben estudiar con extremo cuidado. Nótese que no se puede em plear la ecuación opuesta que comprende a A:4J2 en vista de que p y, por ende, A�<i2 sería una incógnita adicional (la tercera). 4-6 ACELERACIÓN ANGULAR APARE NTE Aunque rara vez resulta útil, para tener el cuadro completo, se sugiere que también se defina el término aceleración angular aparente. Cuando dos cuerpos rígidos giran con aceleraciones angulares diferentes, la diferencia vectorial entre ellos se define como la aceleración angular aparente, La ecuación de la aceleración angular aparente también puede escribirse (4-14) Se observará que Ct3/2 es la aceleración angular del cuerpo 3, como apareceria ante un observador fijo en el cuerpo 2 y que gira con él. 4-7 CONTACTO DIRECTO Y CONTACTO POR RODADURA Por 10 que se explicó en la sección 3-7, se recordará que el movimiento relativo en tre dos cuerpos en contacto directo puede ser de dos clases; se puede tener una velocidad aparente de deslizamiento entre los cuerpos, o bien, puede no existir tal deslizamiento. El término contacto por rodadura se definió de tal manera que im plicara que no es posible deslizamiento alguno y se desarrolló la condición de con tacto por rodadura, ecuación (3-13), a fin de indicar que la velocidad aparente en un punto de este tipo es cero. Ahora se pretende investigar la aceleración aparente en un punto de contacto por rodadura.
- 168. 152 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS / -- <�r;y��o �;de / 2 Figura 4-13 Contacto por rodadura. P3 sobre el eslabón 2 Considérese el caso de una rueda circular en contacto por rodadura con otro eslabón recto, como se ilustra en la figura 4-13. Aunque se reconoce que se trata de un caso muy simplificado, los argumentos que se desarrollen y las conclusiones a las que se llegue son completamente generales y se aplican a cualquier situación de contacto por rodadura, sin importar las formas de los dos cuerpos o si cualquiera de ellos es el eslabón de base. Para mantener este concepto claro en la mente, al eslabón base se le ha asignado el número 2 en este ejemplo. Una vez que se da la aceleración Ac del punto central de la rueda, se puede elegir el polo DA y se puede comenzar el poligono de aceleraciones trazando Ac. No obstante, al relacionar las aceleraciones de los puntos P3 y P2 , en el punto de contacto por rodadura, se están manejando dos puntos coincidentes de cuerpos diferentes. Por lo tanto, se puede pensar en aplicar la ecuación de la aceleración aparente. Para esto, es preciso identificar la trayectoria que describe uno de estos puntos sobre el otro cuerpo. En la figura aparece ilustrada la trayectoriat que el punto P3 describe sobre el eslabón 2. Aunque la forma precisa de la trayectoria depende de las formas de los dos eslabones en contacto, siempre se tendrá una cús pide en el punto de contacto por rodadura, y la tangente a esta trayectoria pun tiaguda será siempre perpendicular a las superficies en contacto. Puesto que se conoce esta trayectoria, ya es posible escribir la ecuación de la aceleración aparente Al evaluar las componentes, se debe tener presente la condición de velocidad de contacto por rodadura, a saber Vp, y v 2 An - PJ/2 - O P/2- -- - J P De donde, sólo una componente de la aceleración aparente, A�,/2, puede ser di ferente de cero. Debido a la confusión posible de llamar componente tangencial (tangente a la trayectoria puntiaguda) a este término diferente de cero, mientras que su dirección es normal a las superficies rodantes, se adoptará un nuevo superíndice y se le t Esta curva en particular se conoce con el nombre de cicloide.
- 169. ACELERACIÓN 153 llamará aceleraciónde contacto por rodadura A�lI2. Por consiguiente, en el caso de contacto por rodadura, la ecuación de la aceleración aparente se transforma en (4-15) y se sabe que el término Ah/2 tiene siempre una dirección perpendicular a las superficies en el punto de contacto por rodadura. Para entender mejor el método gráfico para el análisis de la aceleración de mecanismos ,de contacto directo y de contacto por rodadura, se contrastarán las soluciones de dos ejemplos muy similares. Ejemplo4-6 Dado el dibujo a escala y el análisis de velocidad de la leva circular de contactodirec to, con sistema de seguidor oscilante de cara plana, ilustrado en la figura 4-14a, determinese la aceleración angular del seguidor en el instante que se muestra. La velocidad angular de la leva es CtJ-¡ 10 rad/s mmr y su aceleración angular es a2 '" 25 rad/s2 mmr. SOLUCIÚN En la figura 4-14c se ilustra el polígono de velocidades del sistema de leva y se· guidor. El poligono de aceleraciones, figura 4-14<1, se principia calculando la aceleración del punto Bl y construyendo su gráfica, en relación con el punto A AB2 AA+AB2A+A�2A V]¡,A (30pulg/s)2 AB,A R 300 pulg/s2 B,A A�,A = a2RS,A '" (25 radfs2)(3 pulg) = 75 pulg/sl (1) Estas se representan gráficamente como se indica y se encuentra el punto imagen de aceleración Cl construyendo la imagen de aceleración del triángulo ABlC2• Si se procede como se hizo en la sección 3-7, se encontraría a continuación la velocidad del punto Cl.Si se intenta este planteamiento al análisis de aceleración, la ecuación es (2) y se basa en la trayectoria que traza el punto Cl sobre el eslabón 3, presentada en la figura 4-14a. No obstante, este método resulta inútil porque se desconoce el radio de curvatura de esta trayec toria y, por ende, es imposible calcular A�2/3 • Para evitar este problema se toma un camino dis tinto; es decir, se busca otro par de puntos coincidentes en donde se conozca la curvatura de la trayectoria. Si se considera la trayectoria trazada por el punto Bl sobre el eslabón 3 (extendido), se verá que sigue estando a uua distancia constante de la superficie; es una recta. Este nuevo plantea miento se concibe mejor si se considera el mecanismo ilustrado en la figura 4· 14b, y se observa que posee un movimiento equivalente al original. Habiendo imaginado así una ranura en el mecanismo equivalente como una trayectoria, queda perfectamente aclarado cómo se debe proceder; la ecuación apropiada es (3) en donde Bl es un punto coincidente con B2 , pero situado en el eslabón 3 . En vista de que la trayectoria es una recta, o Aíi¡Bl = 2"'l VB¡/l = 2( 10 rad/s)(50 pulg /s) 1000 pulgN
- 170. 154 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Trayectoria de C1 � ,..- _ _ " sobre el eslabón - . 3 (a) Trayectoria de B2 sobre el eslabón 3 (el (d) Fi�ura 4-14 Ejemplo 4-6. Se puede hallar la aceleración de B3 a partir de en donde �O + AllJD + A�]D V�JD (35.4pulg/s)" 3.58 puIg I -.... I " I , I 1 lc J¡ 1 I ,,/ I _.... I I (b) 350 puIg/s2 3 (4) Al hacer las sustitución de la ecuación (4) en la (3), y reacomodando los términos, se llega a una ecuación que sólo tiene dos incógnitas, vV Iv oV" 'l/v oY AB, - A B,B, - A�2i3 A llJD + A�JD ( 5) Esta ecuación se resuelve gráficamente como se ilustra en la figura 4-14d. Una vez que se ha en contrado el punto imagen B3 , se encuentra con facilidad e" construyendo la imagen de ace-
- 171. ACELERACIÓN 155 leración deltriángulo DBJe}, incluido por completo en el eslabón 3. Se ha ampliado la figura 4-14d para presentar las imágenes de aceleración completas de los eslabones 2 y 3, con el fin de lograr una mejor representación e ilustrar una vez más que no existe una relación obvia entre las ubicaciones finales de los puntos imagen e2 y e3,como lo sugiere la ecuación (2). Finalmente, se puede determinar la aceleración angular del eslabón 3 como sigue: 938pulg/s2 3.58 pulg 262 rad/s2 mmr Resp. (6; A continuación consideramos otro problema ejemplo que está íntimamen te relacionando con el anterior. Ejemplo 4-7 Dado el dibujo a escala y el análisis de velocidad del rodillo circular, que rueda sin resbalar sobre el seguidor oscilante de cara plana ilustrado en la figura 4-150, determínense las aceleraciones angulares tanto del seguidor como del rodillo, en el instante indicado. La velocidad angular del eslabón 2 es W2 10 rad/s mmr y su aceleración angular es al = 25 rad/s2 mmr. SOLUC16N En la figura 4-15b aparece el polígono de velocidades completo. El análisis de aceleración se desarrolla exactamente como se indica en el ejemplo anterior. Una vez más, resulta inútil proceder en principio con las ecuaciones correspondientes a las aceleraciones de los puntos (a) (b) (e) Figura 4-15 Ejemplo 4-7.
- 172. 156 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS el y e4 , una vez más es preciso usar el mecanismo equivalente de la figura 4-14b, Sólo se debe considerar la condición de contacto por rodadura después de que se ha encontrado la aceleración del punto el Luego se puede relacionar el punto de aceleración e4 con la del punto B4 , V�,B, (14,8 pulg 15)2 RC8 - 1.50 pulg 146 pulg Is2 También se puede escribir la ecuación de la aceleración del contacto por rodadura (4-15) para esta situación Ac, = AC3 + Aé4i3 (8) Recordando que Aé4i3 es perpendicular a las superficies en el punto e, se puede construir grá ficamente las soluciones simultáneas para las ecuaciones (7) y (8) ilustradas en la figura (4-lSe), Por último, se puede hallar la aceleración del rodillo como se indica a continuación (7) Ah8, 406 pulg/s2 2 a4 1.50 pulg 271 rad/s cmr Resp. ( 9) La aceleración angular del eslabón 3 es idéntica a la que se determinó en el ejemplo 4-6, a) = 262 rad/s2 mmr Resp. 4-8 MÉTODOS ANALÍTICOS DEL ANÁLISIS DE LA ACELERACIÓN En esta sección se extienden los métodos analíticos del análisis de la velocidad desarrollados en las secciones 3-8 y 3-9 para incluir el análisis de las aceleraciones. El método de Raven se basa en el álgebra compleja. Se recordará la forma general de la primera derivada respecto al tiempo de un vector bidimensional, ex presado en forma compleja polar, de la ecuación (3-14), R = Reí/l + jÓRei/l (a) Derivando una vez más con respeto al tiempo, se obtiene la forma general de la segunda derivada respecto al tiempo (4-16) Para ilustrar el método de Raven, analicemos el mecanismo excéntrico de corredera y manivela que aparece en la figura 4-16. Para los simbolos definidos en ella, la ecuación de cierre del circuito es (b) en donde 'lo 01 = -90°, '2, '3, Y 04 O son constantes. El ángulo (J2 es el ángu lo de la entrada impulsada y se supone que es conocido. Si se aplican los métodos de las secciones 2-8 y 3-8 se encuentra que la posición desconocida y las variables de velocidad son (4-17) (4-18)
- 173. y ACELERACIÓN 157 Figura 4-16Mecanismo excéntrico de corredera y manivela. (4-19) (4-20) Las aceleraciones se calculan aplicando la forma general, ecuación (4-16), para tomar la segunda derivada respecto al tiempo de la ecuación de cierre del circuito. Esto da (e) Aplicando la fórmula de Euler para separar esta ecuación compleja polar en sus componentes real e imaginaria, se obtiene ;:4 = -82'2 sen 82 - Ó�'2 cos 82 - 83'3 sen 83 - Ój'3 COS 83 (d) 0 = 82'2 COS 82 - Ó�'2 sen82 + D3'3 COS 83 - Ój'3 sen 83 (e) Estas dos ecuaciones se pueden resolver simultáneamente para las dos incógnitas de aceleración, 83 y ;:4 , •• '2 ' 2 e - -'2 COS 82 82 + '2 sen82 82 + ') sen83 83 3 - ') COS 83 74 = -'2 sen82 82 '3 sen 83 e3 '2 COS 82 Ó� - '3 COS 83 ój (4-21) (4-22) La solución se considera ahora completa, puesto que las ecuaciones (4-17) a (4-22) se pueden evaluar numéricamente (en ese orden) para cada ángulo de la manive la, (Jz , dadas las dimensiones 'l. '2, Y ') Y la velocidad y aceleración de entrada, 82 y e2• Sin embargo, como preparación para el estudio de la dinámica del motor de combustión interna, que se desarrollará en el capítulo 14, conviene sefialar q'.le, con las sustituciones de lo expresado en las ecuaciones (4-17), (4-19) Y (4-21), Y tras muchas operaciones adicionales, las ecuaciones (4-20) y (4-22) se pueden escribir como (4-23) (4-24)
- 174. 158 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Si se toma el caso del mecanismo radial de corredera y manivela (rl O) y se supone que r3 es mucho mayor que r2 (cos (h = 1), se obtienen las siguientes so luciones aproximadas (4-25) (4-26) A continuación se presenta otro ejemplo que servirá para ilustrar el método de Raven. Ejemplo 4-8 Desarróllese una expresión angular para la aceleración angular de la manivela de salida de un eslabonamiento de cuatro barras. SOLUC10N Puesto que se trata de una continuación del ejemplo 3-5, ya se conocen las solu ciones para la posición y la velocidad. La ecuación de cierre del circuito se toma de ese ejemplo y la rotación corresponde a la figura 2-13: ( 1) Recordando que todas las longitudes son constantes, se aplica la ( 4-16) para tomar la segunda derivada respecto al tiempo. Esto da Las operaciones subsecuentes se facilitan más si esta ecuación se divide entre ei� - 6�RsAei(8,-93l + j8zRsAe/ce,-81l - 6�s + j83Rcs = -6IRcveíC8d31 + j8.RcveJce.-8,) (3) Debido a esta rotación del eje real, la componente real de la ecuación (3) no contiene a la incóg- � � , -9�RsA cos (92 - 9,) - 8zRsA sen (e2- 93) - 9Ulcs = -81RcDcos (e. - 83) - 8.RcD sen(94 - (3) (4) y se puede resolver con suma facilidad para 9. , . RSAsen (92 - 83)82 + RSA COS (82 - 83)9i + Rcs9� - RCD cos (e. - 93)9¡ é. RCD sen(04 - 03) Resp. (4-27), Si la (2) se divide entre eje. y se toman las componentes reales, se puede encontrar también una solución para el , 8 - RSA sen (e2 e.)82 + RBA COS (82 - 9.)9� + Rcs cos (O. - 81)9i - RCDel 3 - RC8 sen(e. - 83) (4-28) Los dos ejemplos anteriores muestran que, como se señaló en el caso de las ecuaciones de velocidades de la sección 3-8, se repite el hecho de que las ecuaciones de aceleraciones siempre son lineales en las incógnitas. Por consiguiente, su so lución, aunque quizá algo tediosa, también es directa.
- 175. ACELERACIÓN 159 El métodode Chace �l'�_ a el análisis de la aceleración comprende las deri vadas de vectores unitarios. Según la (3-21), la primera derivada respecto al tiempo de un vector típico R es R = RR+ wR(k x R) (j) en donde wk es la velocidad angular del vector R. Derivando una vez más con res pecto al tiempo da ... u " . Á A A . "" A A ;'" R = RR + RR + ciJR(k x R) + wR(k x R) + wR(k x R) (g) No obstante, si ciJ se identifica como a, la aceleración angular del vector R, y se aplica la (3-20), esto se reduce a (4-29) Esta es una expresión general para la segunda derivada respecto al tiempo de cual quier vector bidimensional. t Se ilustrará el método de Chace para el análisis de la aceleración, obteniendo las aceleraciones en el mecanismo invertido de corredera manivela que se ilustra en la figura 3-15. La ecuación de cierre del circuito es (h) Utilizando la forma general, ecuación (4-29), y reconociendo que rilo r2, Y Í'l son constantes, se toma la segunda derivada del tiempo de la ecuación (h) -w�r2Í'2 + a2r2(k x "2) = '¡¡4 + 2W47'4(k x "4) - w�r¡¡4 + a4r4(k x Í'4) (i) Puesto que se conocen las soluciones de la posición y la velocidad, por lo visto en la sección 3-9, y puesto que se dan Wz y a2 como las condiciones de manivela de entrada, las dos únicas incógnitas en esta ecuación son '4 y a4. Como se hizo en el análisis de velocidad al aplicar el método de Chace, se trata de eliminar una de las incógnitas mediante la elección cuidadosa de las direc ciones a lo largo de las cuales se toman las componentes. Notando que y se toma el producto escalar de cada término de la ecuación (l) con k x Í'4 , para eliminar '4 -w�r2i2 • (k x "4) + a2r2(k X Í'2) • (k x 1'4) = 2W47'4+ a4r4 de lo cual se despeja a"" t La restricción bidimensional se debe a la suposición de que w es igual a k. (j) (k)
- 176. 160 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Del mismo modo, se puede tomar el producto escalar de la (¡) con f4 y se elimina a a4. Esto da (1) 4-9 CENTRO INSTANTÁNEO DE ACELERACIÓN Aunque de poca ayuda en el análisis, conviene definir el centro instantáneo de aceleración, o polo de aceleración, para un mecanismo de movimiento plano, aun que sólo sea por evitar la implicación de que el centro instantáneo de velocidad también es el centro instantáneo de aceleración. Este último se define como la ubicación instantánea de un par de puntos coincidentes de dos cuer pos rígidos dif erentes, en donde las aceleraciones absolutas de los dospuntos son iguales. Si se considera un cuerpo fijo y otro móvil, el centro instantáneo de aceleración es el punto del cuerpo en movimiento que posee una aceleración absoluta igual a cero en el instante considerado. En la figura 4-17a, sea P el centro instantáneo de aceleración, un punto de aceleración absoluta cero cuya ubicación se desconoce. Supóngase que otro punto, A , del plano móvil tiene una aceleración conocida AA y que se conocen CA) y a del plano móviL Entonces se puede escribir la ecuación de la diferencia de aceleración, (o) Despejando AA , se obtiene AA = w2RpARpA - aRpA(k x RpA) (b) Ahora, puesto que RPA es perpendicular a k x RPA, los dos términos de la derecha de la (b) son las componentes rectangulares de AA, como se ilustra en la figura 4-17b. Tomando esta figura como base, se puede obtener la magnitud y la direc ción de RpA ----------------- x (a) (b) (4-30) Figura 4-17 Centro instantáneo de aceleración.
- 177. ACELERACION 161 (4-3 1) Laecuación (4-31) afirma que se puede hallar la distancia RpA , del punto A hasta el centro instantáneo de aceleración, partiendo de la magnitud de la acele ración AA de cualquier punto del plano en movimiento. Puesto que el denomi nador w 2 siempre es positivo, el ángulo y siempre es agudo. Hay muchos métodos gráficos para localizar el centro instantáneo de acele ración. t Aquí se presenta un método sin incluir su demostración. En la figura 4-1 8 se dan los puntos A y B Y sus aceleraciones absolutas AA y AB• Prolónguense AA y AB hasta que se intersequen en Q; constrúyase luego un círculo que pase por los puntos A, B Y Q. Dibújese ahora otro circulo que pase por los extremos de AA y AB , Y el punto Q. La intersección de los dos circulos sitúa al punto P que es el cen tro instantáneo de aceleración. 4-10 ECUACIONES DE EULER-SAVARy :j: En la sección 4-5 se desarrolló la ecuación de la aceleración aparente (4-13). Luego, en los ejemplos que siguieron, se encontró que era de suma importancia el hecho de elegir un punto cuya trayectoria aparente fuera conocida, de tal modo que t N. Rosenauer y A.H. Willis, Kinematics e l Mechanisms, Associated General Publications, Sid ney, Australia, 1953, pp. 145-156; reeditado por Dover, New York, 1967; K. Hain (traducido por T.P. Goodman y otros), Applied Kinematics 2a. ed., McGraw-HilI, New York, 1967, pp. 149-158. :j: Las referencias más importantes y útiles sobre este tema son Rosenauer y Willis, ep. cit., cap. 4; A.E.R. de Jonge, HA Brief Account of Modern Kinematics", Jrans. ASME, vol.65, 1943,pp. 663-683; R.S. Hartenberg y J. DenaVÍt, Kinematics Synthesis 0 1Linkages, McGraw-Hill, New York, 1964, cap. 7; A.S. Hall, Jr. , Kinematics and Linkage Design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1961, cap. 5 (este libro es realmente una obra clásica sobre la teoría de los mecanismos y contiene muchos ejemplos útiles); Hain, op. cit., cap. 4. A Figura 4-18 Método de los cuatro círculos para localizar el centro instantáneo de aceleración P.
- 178. 162 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS pudiera hallarse por simple observación el radío de curvatura de la trayectoria, necesario para la componente normal de la ecuación (4-10). Esta necesidad de conocer el radio de curvatura de la trayectoria dicta a menudo el método de plan teamiento para resolver este tipo de problemas, como en la figura 4-6b, y en ocasiones necesita incluso la concepción de un mecanismo equivalente. Seria más conveniente si se pudiera escoger un punto arbitrario y calcular el radío de cur vatura de su trayectoria. En mecanismos planos se logra esto aplicando los mé todos que se presentan a continuación. Cuando dos cuerpos rígidos se mueven en relación el uno del otro, siguiendo un movimiento plano, cualquier punto A elegido arbitrariamente, uno de ellos, describe una trayectoria o lugar geométrico relativo a un sistema de coordenadas fijo en el otro. En cualquier instante dado existe un punto A', perteneciente al otro cuerpo, que es el centro de curvatura del lugar geométrico de A . Si se toma la in versión cinemática de este movimiento, A' describe también un lugar geométrico relativo al cuerpo que contiene a A , Y sucede que A es el centro de curvatura de es te lugar geométrico. Por consiguiente, cada punto actúa como el centro de cur vatura de la trayectoria trazada por el otro, y se dice que son conjugados el uno del otro. La distancia entre estos dos puntos conjugados es el radio de curvatura de cualquiera de los dos lugares geométricos. En la figura 4-19 se presentan dos círculos cuyos centros son e y e'. Con sideremos el círculo con centro en e' como la centroda fija, y el círculo con centro e como la centroda móvil de dos cuerpos que experimentan cierto movimiento plano relativo en particular. En realidad, la centroda fija no lo está necesariamen te, sino que pertenece al cuerpo que contiene a la trayectoria cuya curvatura se busca. Tampoco es necesario que las dos centrodas sean círculos; lo único que in teresa son los valores instantáneos y, por conveniencia, se supondrá que las cen trodas son círculos que se ajustan a las curvaturas de las dos centrodas reales, en la región cercana a su punto de contacto P. Como se sefialó en la sección 3-16, cuan do los cuerpos que contienen a las dos centrodas poseen un movimiento relativo entre sí, dichas centrodas parecen rodar una en contra de la otra, sin resbalar. Por supuesto, su punto de contacto P es el centro instantáneo de velocidad. Debido a estas propiedades, se puede pensar que las dos centrodas circulares representan realmente las formas de los dos cuerpos en movimiento, si esto ayuda a concebir el movimiento. Si la centroda móvil tiene cierta velocidad angular dada w relativa a la cen troda fija, la velocidad instantáneat del punto e es Vc = wRcp (a) Del mismo modo, el punto arbitrario A, cuyo punto conjugado A' se desea encon trar, tiene una velocidad de t Todas las velocidades utilizadas en esta sección son, en realidad, velocidades aparentes relativas al sistema de coordenadas de la centroda fija; se escriben como velocidades absolutas para simplificar la notación .
- 179. Centroda móvil + Normal alas centrodas Polo de inflexión -;""---1¡--_ _ ....._ Centro de curvatura Centroda fija Figura 4-19 Construcción de Hartmann. ACELERACIÓN 163 Lugar geométrico de A a las centrodas (b) Conforme progresa el movimiento, el punto de contacto de las dos centrodas y, por ende, la ubicación del centro instantáneo P, se mueve a lo largo de ambas centrodas, con cierta velocidad v. Como se muestra en la figura, se puede hallar v conectando una recta que vaya del extremo de Vc hasta el punto G'. De otra manera, se puede determinar su magnitud partiendo de v = R pC' Vc RcC' (e) En la figura 4-19 se presenta una construcción gráfica para A', el centro de curvatura del lugar geométrico del punto A, y recibe el nombre de construcción de Hartmann. En primer lugar, se encuentra la componente u de la velocidad v, del centro instantáneo, como esa componente paralela a VA o perpendicular a RAP• A continuación, la intersección de la recta AP y la recta que conecta a los extremos de las velocidades VA Y u da la ubicación del punto conjugado A' . El radio de curvatura p del lugar geométrico del punto A es p = RAA,.
- 180. 164 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS También resultaria conveniente una expresión analítica para localizar el punto A' , Y se puede obtener a partir de la construcción de Hartmann. La magnitud de la velocidad u está dada por u v sent{! (d) en donde t{! es el ángulo medido desde la tangeute a las centrodas a la línea de ac ción de RAP• Luego, observando los triángulos semejantes de la figura 4-19, se puede escribir también u RpA' V RAA, A (e) Ahora, al igualar las expresiones de las ecuaciones (d) y (e), y sustituir lo ex J?resado en las ecuaciones (a), (b) y (e), da Si se divide entre w sen t{! y se invierte, se llega a RAA, RcC' w RAPRpA' sen t{! RcpRpC' v Luego, tomando en cuenta que RAA' == RAP RA,p Y RcC' = Rcp reducir esta ecuación a la forma (_ 1 _ 1 )sen .1' ___ RAP - RA,p 'f' Rcp RC'P (1) (g) RC'p, se puede (4-32) Esta importante expresión es una de las formas de la ecuación de Euler-Savary. Una vez que se conocen los radios de curvatura de las dos centrodas Rcp Y RC'p, se puede aplicar esta ecuación para determinar las posiciones de los dos puntos con jugados A y A' relativas al centro instantáneo P. Antes de proseguir, es preciso aclarar algo sobre las convenciones de los sig nos. Cuando se usa la ecuación de Euler-Savary, es factible elegir arbitrariamente un sentido positivo para la tangente a las centrodas; entonces, la normal positiva a las centrodas está entonces a 90° de ella, en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj. Esto establece una dirección positiva para la recta CC' que se puede usar para asignar los signos apropiados a Rcp y RC'p. De manera análoga, se puede elegir una dirección positiva arbitraria para la recta AA'.Entonces se toma el ángulo t{! como positivo en el sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj, partiendo de la tangente positiva a las centradas hasta el sentido positivo de la recta AA'. El sentido de la recta AA' da también los signos apropiados para RAP y RA'p , para la ecuación (4-32). Existe un inconveniente importante con la forma anterior de la ecuación de Euler-Savary, en que es preciso encontrar los radios de curvatura de ambas cen trodas, Rcp Y Re,p, Por lo general, se desconocen tanto como la curvatura del propio lugar geométrico; puede vencerse esta dificultad buscando una nueva for ma de la ecuación.
- 181. ACELERACIÓN 165 Consideremos elpunto particular identificado como l en la figura 4-19. Este punto se localiza sobre la normal a las centrodas en la posición definida por (h) Si se elige este punto en particular para A en la (4-32), se encuentra que su punto conjugado l' deben estar localizado en el infinito. El radio de curvatura de la trayectoria del punto l es infinito y el lugar geométrico de l tiene, por ende, un punto de inflexión en l. El punto l se conoce con el nombre de polo de inflexión. Consideremos ahora si hay algunos otros puntos lA del cuerpo en movimiento que tengan también radios de curvatura infinitos en el instante considerado . Si es así, entonces, para cada uno de dichos puntos, R1AP = O y, según }as ecuaciones (4-32) y (h) (4-33) Esta ecuación define un círculo llamado circulo de inflexión cuyo diámetro es R¡p, como se ilustra en la figura 4-19. Todo punto de este círculo tiene su punto con jugado en el infinito y, por lo tanto, cada uno posee un radio de curvatura infinito en el instante que se muestra. Ahora, con la ayuda de la (4-33), la ecuación de Euler-Savary se puede escribir en la forma (4-34) Asimismo, después de varias operaciones, a esto se le puede dar la forma (4-35) Cualquiera de estas dos formas de la ecuación de Euler-Savary, (4-34) y (4-35), es más útil en la práctica que la (4-32), ya que no exigen que se conozcan las cur vaturas de las dos centrodas. Lo que sí requieren es encontrar el círculo de in flexión; pero en el siguiente ejemplo se demostrará cómo se puede hacer esto. Ejemplo 4-9 Hállese el círculo de inflexión para el movimiento del acoplador del eslabonamiento de corredera y manivela ilustrado en la figura 4-20, y determinese el radio instantáneo de cur vatura de la trayectoria del punto e del acoplador. A Figura 4-20 Ejemplo 4-9. RAo, = 2 pulg • RBA 2.5 pulg.
- 182. 166 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS SOLUCiÓN Se principia en la figura 4-21 por localizar el centro instantáneo P en la intersección de la recta 02A y la recta que pasa por B, perpendicular a su dirección de recorrido. Por defi nición, los puntos B y P deben estar sobre el circulo de inflexión; de donde, sólo se necesita conocer un punto adicional para construir el circulo. Por supuesto, el centro de curvatura de A se encuentra en O2, que se llamará ahora A'. Tomando el sentido positivo de la recta AP como descendente y hacia la izquierda, se tiene R"A' = -2 pulg y RAP 2.64pulg. Entonces, al hacer la sustitución correspondiente en la (4-35), se obtiene 2.642 _ 2 .00 = -3.48 pulg (1) Con esto, se miden 3.48 pulg a partir de A para localizar lA, un tercer punto sobre el circulo de in· flexión. Ahora, se puede construir el circulo que pasa por los tres puntos B, P e l A, y puede determinarse su diámetro, R¡p = 6.28 pulg. Resp. Figura 4-21 Ejemplo 4-9.
- 183. ACELERACIÓN 167 También puedentrazarse, si se desea, la normal y la tangente a las centradas como se ilustra en la figura. Después, al trazar el rayo Rclc y tomar como su sentido positivo el descendente y hacia la iz quierda se puede medir Rcp = 3.1 pulg y RC1c = - 1.75 pulg . Al sustituir estos valores en la ( 4-35), se puede despejar el radio de curvatura instantáneo de la trayectoria del punto C. R'h 3.12 1 p = Rcc = RlcP = - 1. 75 -5. 4 9pu g Resp. en donde el signo negativo indica que C' está debajo de C sobre la recta C'CP. 4-11 CONSTRUCCIONES DE BOBILLIER (2) La construcción de Hartmann, sección 4-10, proporciona un método gráfico para encontrar el punto conjugado y el radio de curvatura de la trayectoria de un punto en movimiento; pero requiere que se conozca la curvatura de las centrodas fija y móvil. Sería conveniente contar con métodos gráficos para obtener el círculo de in flexión y el conjugado de un punto dado, sin necesidad de conocer la curvatura de las centrodas. En esta sección se presentan este tipo de soluciones gráficas que reciben el nombre de construcciones de Bobillier. Para entender estas construcciones gráficas, considérese el círculo de inflexión y la normal a las centrodas N así como la tangente a las centrodas T, ilustradas en la figura 4-22. Seleccionemos dos puntos cualesquiera A y B del cuerpo en mo vimiento, que no estén sobre una recta que pase por P. Ahora, con la ecuación de Euler-Savary, es factible encontrar los dos puntos conjugados correspondientes A' y B'. .La intersección de las rectas AB y A'B' se identifica con la letra Q; entonces, N ----4-----����--------�--- T Figura 4-22 Teorema de Bobillier .
- 184. 168 TEORLA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS la recta que se traza por P y Q se denomina eje de colineación. Este eje se aplica sólo a las dos rectas AA' y BB' , de modo que se dice que pertenece a estos dos rayos; asimismo, el punto Q se localizará en forma distinta sobre el eje de coli neación, si se elige otro conjunto de puntos A yB , sobre los mismos rayos. Sin embargo, existe una relación única entre el eje de colineación y los dos rayos usados para definirlo. Esta relación se expresa en el teorema de Bobillier, el cual afirma que el ángulo medido de la tangente a las centradas hasta uno de estos rayos es el negativo del ángulo medido del eje de colineación hasta el otro rayo. Al aplicar la ecuación de Euler-Savary a un mecanismo plano, por 10 común se pueden encontrar dos pares de puntos conjugados por simple observación y, a partir de ellos, se busca determinar en forma gráfica el círculo de inflexión. Por ejemplo, un eslabonamiento de cuatro barras con una manivela OzA y un seguidor 04B tiene a A y Oz como un juego de puntos conjugados, y a B y 04 como el otro, cuando se tiene interés en el movimiento del acoplador en relación con el marco de referencia. Dados estos dos pares de puntos conjugados, ¿cómo se aplica el teorema de Bobillier para hallar el circulo de inflexión ? En la figura 4-230, supóngase que A y A' y B Y B' representan los pares conocidos de puntos conjugados. Los rayos trazados por cada par se intersecan en P, el centro instantáneo de velocidad, dando un punto del circulo de inflexión. El punto Q se localiza a continuación, por medio de la intersección de un rayo que pase por A y B con otro que pase por A' y B'. Después se puede trazar el eje de colineación como la recta PQ. El siguiente paso se ilustra en la figura 4-23b. Al trazar una recta por P, paralela a A'B', se identifica el punto W como la intersección de esta recta con la recta AB. Ahora se hace pasar por W una segunda recta paralela al eje de coli neación. Esta recta se interseca con AA' en lA y con BB' en lB" los dos puntos adicionales del círculo de inflexión que se están buscando. Ahora se podría construir el círculo por los tres puntos lA, lB, y P; pero existe una manera más fácil. Recordando que un triángulo inscrito en un semicirculo es un triángulo recto que tiene al diámetro por hipotenusa, se levanta una perpen dicular a AP en lA y otra a BP en lB. La intersección de estas dos perpendiculares da el punto /, el polo de inflexión, como se ilustra en la figura 4-23c. Puesto que PE es el diámetro, se pueden construir con suma facilidad el círculo de inflexión, la normal a las centrodas N y la tangente a las centrodas T. Para demostrar que esta construcción satisface el teorema de Bobillier, nótese que el arco que va de P a lA es inscrito por el ángulo que forma IAP con la tan gente a las centrodas. Pero el mismo arco también es inscrito por el ángulo PIAla; de donde, estos dos ángulos son iguales. Pero la recta IAlB se trazó originalmente paralela al eje de colineación; en c{)nsecuencia, la recta PlB forma también el mismo ángulo f3 con el eje de colineación. El problema final es aprender a usar el teorema de Bobillier para hallar el conjugado de otro punto arbitrario, por ejemplo e, cuando se da el círculo de in flexión. En la figura 4-24 se une e con el centro instantáneo P y se localiza el pun to de intersección le con el círculo de inflexión. Este rayo sirve como uno de los
- 185. ACELERACIÓN 169 N --------�����--------_+------ T (el Figura4-23 Construcción de Bobillier para localizar el círculo de inflexión. dos que se necesitan para localizar el eje de colineación. Para el otra, se puede usar también la normal a las centradas, en vista de que se conoce tanto 1 como su punto conjugado I', en el infinito. Para estos dos rayos, el eje de colineación es una recta que pasa por P , paralela a la recta lel, como se mostró en la figura 4-23. Lo que falta de la construcción es semejante a la de la figura 4-23 . Q se localiza por la in-
- 186. 170 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS N Q Figura 4-25 Ejemplo 4-10. T Figura 4-24 Construcción de Bobillier para localizar el punto conjugado e'. tersección de una recta que pase por 1 y C, con el eje de colineación. Luego, una recta que pase por Q e [', en el infinito se interseca con el rayo PC en C', el pun to conjugado para C. Ejemplo 4-10 Aplíquese el teorema de Bobillier para hallar el centro de curvatura de la curva del acoplador del punto e, correspondiente al eslabonamiento de cuatro barras ilustrado en la figura 4-25. SOLUCIÓN Localicese el centro instantáneo P en la intersección de AA' y BB'; localícese tam bién Q¡ en la intersección de AB y A'B'. PQI es el primer eje de colineaci6n. Pasando por P, trácese una recta paralela a A'1J' a fin de localizar a W sobre AB. Trácese una recta paralela a
- 187. ACELERACIÓN 171 PQI, pasandopor W, para ubicar a lA sobre AA' y a l B sobre BB'. Luego, pasando por lA, trácese una perpendicular a AA' y, pasando por lB ' una perpendicular a BB'. Estas perpendi culares se intersecan en el polo de inflexión l y definen el círculo de inflexión, la normal a las centrodas N y la tangente a las centrodas T. Para obtener el punto conjugado de C, trácese el rayo PC y localícese le sobre el círculo de inflexión. El segundo eje de colineacíón PQ2, perteneciente al par de rayos pe y PI, es una recta que pasa por P, paralela a una recta (suprimida) que va de 1 a le. El punto Q2 se obtiene como la intersección de este eje de colineación y una recta le. Ahora, pasando por Q2 ' trácese una recta paralela a la normal a las centrodas; su intersección con el rayo PC da C', el centro de curvatura de la trayectoria de e 4-12 CÚBICA DE CURVATURA ESTACIONARIA Considérese un punto del acoplador de un eslabonamiento plano de cuatro barras que genera una trayectoria relativa al marco de referencia cuyo radio de curvatura, en el instante considerado, es p. Puesto que la curva del acoplador, en la mayor parte de los casos, es de sexto orden, este radio de curvatura cambia continuamen te conforme el punto se mueve. Sin embargo, en ciertas situaciones, la trayectoria tendrá una curvatura estacionaria, lo cual significa que dp = 0 ds (a) en donde s es la distancia recorrida a lo largo de la trayectoria. El lugar geomé trico de todos los puntos del acoplador, o el plano en movimiento, que tienen cur vatura estacionaria en el instante considerado, recibe el nombre de cúbica de cur vatura estacionaria o bien, en algunas ocasiones, curva delpunto en circulación . Se debe observar que la curvatura estacionaria no significa necesariamente curvatura constante, sino más bien que el radio de curvatura que varía continuamente está pasando por un máximo o un mínimo. Aquí se presentará un método gráfico rápido y simple para obtener la cúbica de curvatura estacionaria, según descripción de Rain. t En la figura 4-26 se tiene el eslabonamiento de cuatro barras A'ABB', en donde A' y B' son los pivotes en el marco. Entonces, A y B poseen una curvatura estacionaria, de hecho, una cur vatura constante en torno a los centros en A' y B'; por consiguiente, A y B están sobre la cúbica. El primer paso de la construcción es obtener la normal a las centrodas y la tangente a las centradas. Dado que no se necesita el círculo de inflexión, se localiza el eje de colineación PQ como se ilustra, y se traza la tangente a las centrodas T con el ángulo '" respecto a la recta PB', igual pero con dirección opuesta al ángulo I/J , de la recta PA' al eje de colineación. Esta construcción se deduce directamente del teorema de Bobillier. También se puede construir la normal a las centrodas N. En este punto conviene reorientar el dibujo sobre la mesa, del tal modo que la regla T o la orilla horizontal del aparato de dibujo quede a lo largo de la normal a las centradas. tHain, op. cit., pp. 498-502.
- 188. 172 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS l ' 1 " : " , I ' , -- �- -_ ' , S I -_ "- ' 1 - - - "- l ¡ '�- - -- I ' - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - l- - - - - - - ���- Be ' Figura 4-26 Cúbica de curvatura estacionaria. I T A continuación se traza una recta que pase por A, perpendicular a PA, y otra que pase por B, perpendicular a PE. Estas rectas se intersecan con la normal a las centrodas y la tangente a las centrod::ls en AN, AT Y BN, BT, respectivamente, como se muestra en la fig. 4-26. Ahora se dibujan los dos rectángulos PANAaAT y PBNBaBT; los puntos Aa Y Ba definen una recta auxiliar G que se usa para obtener otros puntos de la cúbica. Ahora se elige cualquier punto So de la recta G. Un rayo paralelo a N ubica a "ST y otro paralelo a T localiza a SN. Conéctese ST con SN y trácese una perpen dicular a esta recta que pase por P; esto ubicará al punto S, otro punto de la cúbica de curvatura estacionaria. Ahora se repite este proceso con la frecuencia que se desee, eligiendo diferentes puntos sobre G, y se traza la cúbica como una curva suave que pase por todos los puntos S así obtenidos. Nótese que la cúbica de curvatura estacionaria posee dos tangentes en P, la tangente normal a las centrodas y la tangente tangente a las centrodas. El radio de curvatura de la cúbica en estas tangentes se obtiene como se indica a continuación. Prolónguese G para que se interseque con T en GT y con N en GN (no aparece en la ilustración). Luego, la mitad de la distancia PGT es el radio de curvatura de la cúbica en la tangente normal a las centrodas, y la mitad de la distancia PGN es el radio de curvatura de la cúbica en la tangente a la tangente de las centrodas.
- 189. ACELERACIÓN 173 Se produceun punto con propiedades interesantes en la intersección de la cúbica de curvatura estacionaria con el círculo de inflexión; conocido como punto de Ball. Un punto del acoplador coincidente con el punto de Ball describe una trayectoria que es aproximadamente una recta, en virtud de que tiene curvatura es tacionaria y se localiza en un punto de inflexión de su trayectoria. La ecuación de la cúbica de curvatura estacionaria* es s�n", +N c�s '" � O (4-36) en donde r es la distancia del centro instantáneo hasta el punto de la cúbica, medida con un ángulo '" respecto a la tangente a las centrodas. Las constantes M y N se obtienen aplicando dos puntos cualesquiera que se sepa están sobre la cúbica, como por ejemplo, A y B de la figura 4-26. Sucede tambiént que M y N son, respectivamente, los diámetros PGr y PGN de los círculos con centro sobre la tangente a las centrodas y la normal a las centrodas, cuyos radios representan las curvaturas de la cúbica en el centro instantáneo. PROBLEMAS:!: 4-1 El vector de posición de un punto se define mediante la ecuación en donde R se da en pulgadas y t ( t3). • R 4t -3 i + IOj , en segundos. Calcúlese la aceleración del punto cuando t = 2 s. , 4-2 Encuéntrese la aceleración en t = 3 s de un punto que se mueve según la ecuación Las unidades son metros y segundos. 4-3 La trayectoria de un punto se describe por la ecuación R (t2 + 4)e�j�tI10 en donde R se expresa en milimetros y t en segundos. Para t = 20 s, encuéntrese el vector tangente unitario para la trayectoria, las componentes normal y tangencial de la aceleración absoluta del punto y el radio de curvatura de la trayectoria. 4-4 El movimiento de un punto se describe mediante las ecuaciones en donde x y y se dan en pies y t en t3 sen21Tt y = 6 x = 4t cos 1Tt3 y segundos. Calcúlese la aceleración del punto cuando t = 1 .40 s. *Si se desea una deducción de esta ecuación, véase Hall, op. cit., pág. 98, o Hartenberg y Denavit, op. cit., p. 206. t D. C. Tao, Applied Linkage Synthesis, Addison, Wesley, Reading, Mass. , 1964, p. 1 1 1. :1:Al asignar los problemas, quizá el maestro desee especificar el método de resolución a seguir, en vista de la diversidad de planteamientos que se dan en el texto.
- 190. 174 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 2 A 0---% .L.....AA. 600 p;./,' t=1 50 pie/s2 300 60° A 2 B e Problema 4-5RAo, = 500 mm.Problema 4-6 RBA = 2 0 pulg. 4-S El eslabón 2 de la figura posee una velocidad angular W2 120 cmr y una aceleración angular de 4800rad/s2 cmr en el instante que se muestra. Determínese la aceleración absoluta del punto A . 4-6 E l eslabón 2 está girando e n e l mismo sentido del movimiento d e las manecillas del reloj, como se indica en la figura. Encuéntrese su velocidad angular y aceleración, así como la aceleración de su punto medio C. 4-7 Para los datos que se dan en la figura, determínese la velocidad y la aceleración de los puntos B y C. 4-8 En el caso del mecanismo de línea recta ilustrado en la figura, Wz = 20 rad/s mmr y 1X2 = 140rad/s2 mmr. Determínese la velocidad y la aceleración del punto B, y la aceleración angular del eslabón 3. 4-9 En la figura correspondiente, la corredera 4 se está moviendo hacia la izquierda a una velocidad constante de 2 0 m/52• Calcúlese la velocidad y la aceleración del eslabón 2. 4-10 Resuélvase el problema 3-8 para la aceleración del punto A y la aceleración angular del eslabón 3. 4-11 En el caso del problema 3-9, encuéntrense las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 4. 4-12 Resuélvase el problema 3-lO para la aceleración de! punto C y las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 4. 4-13 Calcúlese la aceleración del punto C y las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 4, con los datos del problema 3-1 1 . 4-14 Con los datos del problema 3-13, calcúlense las aceleraciones de los puntos C y D, Y la aceleración angular del eslabón 4. 4-15 Con los datos del problema 3-14, calcúlense la aceleración del punto C y la aceleración angular del eslabón 4. 4-16 Resuélvase el problema 3-1 6 por lo que respecta a la aceleración del punto C y la aceleración an gular del eslabón 4. 4-17 Determínese la aceleración del punto B y las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 6, para el problema 3-17. VA -20 pie/s e Problema 4-7 RBA = 16 pulg , RCA = 10 pulg , RCB 8 pulg. B ~ 3 e °2 � _ _ � Problemas 4-8 ,y 4-9 R40! RcA RBA = 100 mm.
- 191. ACELERACIÓN 175 B A qc. _ _ -'- Problemas4-24 a 4-30 4-18 Con los datos del problema 3-18, ¿qué aceleración angular se le debe dar al eslabón 2 para que en la posición que se muestra la aceleración angular del eslabón 4 sea cero? 4-19 Con los datos del problema 3-19, ¿qué aceleración angular se le debe dar al eslabón 2 para que la aceleración angular del eslabón 4 sea lOO rad/s2 rnrnr, en el instante que se muestra? 4-20 Resuélvase el problema 3-20 para la aceleración del punto C y la aceleración angular del eslabón 3. 4-21 Con los datos del problema 3-21, calcúlese la aceleración del punto C y la aceleración angular del eslabón 3. 4-22 Determínese la aceleración de los puntos By D del problema 3-22. 4-23 Encuéntrense las aceleraciones de los puntos B y D del problema 3-23. 4-24 a4-30 La nomenclatura para este grupo de problemas se indica en la figura, y las dimensiones y los datos aparecen en la tabla adjunta. En cada caso, se deben determínar los valores de 63, 64, (0)3, (0)4, a3, y «4. La velocidad angular W2 es constante para cada problema y se usa un signo negativo para indicar el sentido del movimíento de las manecillas del reloj. Las dimensiones de los problemas con número par se dan en pulgadas; y los problemas impares se expresan en milímetros. Probo TI T2 T3 4-24 4 6 9 4-25 100 150 250 4-26 14 4 14 4-27 250 100 500 4-28 8 2 10 4-29 400 125 300 4-30 16 5 12 T4 10 250 10 400 6 300 12 62, grad 240 -45 O 70 40 210 315 W2, rad/s l 56 10 -6 12 -18 - 18 4-31 La manivela 2 del sistema ilustrado posee una velocidad de 60 rpm cmr. Determinese la velocidad y la aceleración del punto B y la velocidad y aceleración angulares del eslabón 4. 4-32 El mecanismo ilustrado en la figura es un mecanismo de dirección marino denominado corredera de Rapson. 02B es la caña del timón y AC es la varilla de mando. Si la velocidad de AC es de 10 pulg/min hacia la izquierda, determinese la aceleración angular de la caña del timón. 4-33 Determínese la aceleración del eslabón 4 del problema 3-26. 4-34 Con los datos del problema 3-27, determínese la aceleración del punto E. 4-35 Calcúlese la aceleración del punto B y la aceleración angular del eslabón 4 que se citó en el pro blema 3-24. 4-36 Con los datos del problema 3-25, determínese la aceleración del punto B y la aceleración angular del eslabón 3. 4-37 Suponiendo que los eslabones 2 y 3 del problema 3-28 están girando a velocidad constante, en cuéntrese la aceleración del punto P4'
- 192. 176 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS B y x Problema 4-31 Ro,o, = 12 pulg, RAo, = 7 pulg, RBO, = 28 pulg. Problema 4-32 4-38 Resuélvase el problema 3-22 para las aceleraciones de los puntos A y B. 4-39 Con los datos del problema 3-33, determínese la aceleración del punto C. y la aceleración angular del eslabón 3, si a la manivela 2 se le imprime una aceleración angular de 2 rad/s2 cmr. 4-40 Determínense las aceleraciones angulares de los eslabones 3 y 4 del problema 3-30. 4-41 Para el problema 3-3 1 , determínese la aceleración del punto G y las aceleraciones angulares de los eslabones 5 y 6. 4-42 Encuéntrese el CÍrculo de inflexión para el movimiento del acoplador del mecanismo de doble corredera ilustrado en la figura. Escójanse varios puntos sobre la normal a las centrodas y determínense -i----- B Problema 4-42 RBA = 125 mm. Problema 4-43 RCA = 2.5 pulg, RAo, = 0.9 pulg, RBO, = 3.5pulg, Rpo, = l . 1 7 pulg. sus puntos conjugados. Háganse las gráficas de las porciones de las trayectorias de estos puntos, para que el lector se convenza de que, en efecto, los conjugados son los centros de curvatura. 4-43t Encuéntrese el círculo de inflexión para el movírniento del acoplador relativo al marco del eslabonamiento ilustrado en la figura. Encuéntrese el centro de curvatura de la curva de acoplador del punto C y genérese una porción de la trayectoria de C para verificar los resultados. t Este mecanismo aparece en la obra de D. Tesar y J. C. Wolford, "Five Point Exact Four-Bar Straight-Line Mechanisms", Trans. 7th Con/. Mech., Penton, Cleveland, Ohio, 1962.
- 193. A�__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ � B ACELERACIÓN 177 Problema4-45 RAA, = Ipulg, RBA = 5pulg , RB'A' = 1 .75 pulg, RBB, = 3.25 pulg. 4-44 Para el movimiento del acoplador en relación con el marco, hállese el círculo de inflexión, la nor mal a las centrodas, la tangente a las centrodas y los centros de curvatura de los puntos e y D del eslabonamiento del problema 3-13. Elíjanse puntos del acoplador que coincidan con el centro instan táneo y el polo de inflexión, y trácense sus trayectorias. 4-45 En un papel de 18 x24 pulg, trácese el eslabonamiento ilustrado en la figura, con sus dimensiones reales, ubicando A' a 6 pulg del borde inferior y a 7 pulg del derecho. Se aprovechará mejor el papel in clinando el marco aproximadamente 15�, como se indica. a) Encuéntrese el círculo de inflexión. b) Trácese la cúbica de curvatura estacionaria. e) Elíjase un punto e del acoplador que coincida con la cúbica y constrúyase la gráfica de una por ción de su curva del acoplador cerca de la cúbica. el) Encuéntrese el punto conjugado C. Trácese un círculo que pase por e y cuyo centro sea e y compárelo con la trayectoria real de C. e) Encuéntrese el punto de Ball. Localícese un punto D en el acoplador, en el punto de Ball, y cons trúyase la gráfica de una porción de su trayectoria. Compárese el resultado con una recta.
- 194. CAPÍTULO CINCO ----------------------------------------------- ---------� MÉTODOS NUMÉRICOSEN EL ANÁLISIS CINEMÁTICO 5-1 INTRODUCCIÓN Los primeros cuatro capítulos se dedicaron a desarrollar una base teórica firme para el análisis cinemático de los mecanismos. Se han presentado los métodos para el análisis de posición, desplazamiento, velocidad y aceleración, y se citaron ejem plos de cómo pueden aplicarse tales métodos a la resolución de problemas en el plano. Por sus propias definiciones, las soluciones de velocidad y aceleración son problemas del análisis vectorial. Sin embargo, aunque se utilizó una notación vec torial rigurosa en todos los desarrollos anteriores, se presentó una gran variedad de técnicas de solución, incluyendo soluciones gráficas, técnicas algebraicas, álgebra vectorial y métodos del álgebra compleja. Como se vio, la base teórica de todos es tos procedimientos es la misma; no obstante, cada método de resolución posee sus propios puntos débiles y fuertes que le son característicos. Desde un punto de vista histórico, las técnicas gráficas han desempeñado un papel predominante en la resolución de problemas de cinemática, en el plano. Esto se entiende con facilidad tomando en cuenta las ventajas del procedimiento grá fico: se realiza sencilla y rápidamente, y ofrece una visión interna excelente del funcionamiento de un mecanismo en particular, debido a la facilidad con que se pueden concebir los pasos de resolución. También evita las operaciones algebraicas tediosas inherentes a la resolución de ecuaciones de orden elevado o trascendentes. No obstante, el método gráfico cuenta también con ciertas desventajas. Cuan do se trabaja con una escala razonable, en la mayor parte de los problemas se puede esperar una solución con un error del 1 o 2 por ciento, si se tiene el cuidado suficiente. Sin embargo, no es factible esperar una mayor precisión a partir de una
- 195. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 179 solución gráfica. Asimismo, un método gráfico es una buena elección cuando se analiza un mecanismo en una sola posición; pero se hace muy laborioso cuando se trata de muchas posiciones, debido a que debe iniciarse cada una de ellas como si se tratara de un problema completamente nuevo. Con frecuencia, el disefío de una máquina requiere encontrar la velocidad máxima de un punto o la fuerza máxima que se transmite a través de una articulación, en todo su ciclo de operación. En tales circunstancias, cuando se trabaja gráficamente, se ha hecho práctica común obtener soluciones únicamente para unas cuantas posiciones, suponer, sin demos tración, que los valores obtenidos son representativos y luego aplicar un factor de seguridad adecuado para cubrir esta suposición arriesgada. Por otro lado, ya sea que se basen en el álgebra compleja o en el álgebra vec torial, los métodos algebraicos no adolecen de las desventajas antes citadas. La exactitud del método no se ve limitada por el álgebra sino sólo por la exactitud de los datos del problema, y el cuidado que se tenga en la evaluación numérica final de los resultados. Asimismo, una vez que se ha obtenido la/orma algebraica de la solución, se puede evaluar con la frecuencia que se desee, en diferentes posiciones del mecanismo, con muy poco esfuerzo. Los inconvenientes de los procedimientos algebraicos son la necesidad de operaciones matemáticas tediosas que se pueden requerir para determinar la forma de la solución y la posibilidad de un error matemático, puesto que se reduce la intima relación entre la concepción y la in tuición física. En resumen, aunque la preferencia histórica se ha inclinado a favor .de los procedimientos gráficos, dicha preferencia se vio totalmente trastornada por el desarrollo de la computadora digital y, en los últimos afios, de la calculadora elec trónica de bolsillo. Antes de que surgieran estas herramientas, la promesa de una mayor exactitud para los procedimientos algebraicos fue un tanto ficticia, porque la regla de cálculo no brindaba una precisión mayor que la que ofrecían las cons trucciones gráficas cuidadosas. Por otro lado, la precisión de la calculadora o la computadora digital sobrepasa con mucho la que requieren los problemas de disefío mecánico, y no exige más esfuerzo por parte del disefíador que la prepa ración cuidadosa de los datos de entrada. La segunda ventaja notable de la computadora es su capacidad de ��nservar y reutilizar un programa de trabajo. Por ende, vale la pena realizar las tediosas manipulaciones matemáticas para encontrar la forma de la solución, puesto que ahora sólo se necesita hacerlo una vez y luego puede usarse para una gran variedad de problemas, con dimensiones diferentes o en posiciones diferentes. Aunque el es fuerzo para resolver un problema particular en una posición dada es quizá mayor, esto puede quedar recompensado por las soluciones casi instantáneas en otras posiciones o con los cambios en las dimensiones de los eslabones. Aunque esta capacidad para reutilizar un programa se restringió inicialmente a las grandes com putadoras digitales, ahora es bastante común en las calculadoras de bolsillo programables, en las que se cuenta con cintas magnéticas de memoria en las que se pueden almacenar programas operacionales para uso posterior. Dada esta capacidad de conservarlos y reutilizarlos, ahora vale la pena escribir programas un tanto complejos para computadora o calculadora, porque el esfuer-
- 196. 180 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS zo invertido en escribirlos lo justifica su uso repetido. En general, se dispone de al gunos programas bastante complejos (véase la sección 5-5), los cuales permiten una amplia variedad de capacidades de análisis; incluso en problemas muy compli cados, tan sólo se requiere un esfuerzo mínimo en la preparación de los datos por parte del diseñador. A decir verdad, áreas del conocimiento tales como el análisis de esfuerzos, se han revolucionado por completo gracias a la aplicación de pro cedimientos basados en computadoras que se han desarrollado en los últimos años. Con el tiempo, esto mismo puede suceder en los campos de la cinemática de los mecanismos o la dinámica de las máquinas. No obstante, en la actualidad, la necesidad primordial es la comprensión básica de los principios fundamentales de la manera en que se puede usar la computadora en estas áreas, puesto que el de sarrollo y la adopción de programas generales de gran alcance están todavía en la infancia. El propósito de este capítulo es presentar una comprensión básica de cómo puede usarse la calculadora electrónica o la computadora digital para resolver las relaciones cinemáticas de los capítulos anteriores. Los métodos fundamentales em pleados son las técnicas algebraicas, incluyendo vectores y álgebra compleja, que ya se trataron con cierta profundidad. El objetivo de este capítulo no es volver a desarrollar las técnicas del álgebra compleja de Raven, por ejemplo, sino presentar lineamientos que muestren la manera en que se pueden programar para usarlos en la computación digital. Hasta ahora, el material referente a los análisis de posición, desplazamiento, velocidad y aceleración se han presentado sin hacer mención al guna de las computadoras, de modo que este capitulo se puede ocupar de ellos en forma conjunta. Aquí se presentará el procedimiento general para usar una com putadora en esos problemas y se harán muchas sugerencias sobre estilos y pro cedimientos de programación. Luego, al proseguir con los capítulos subsiguientes, con frecuencia se hará una pausa para reflexionar sobre cómo se puede programar ese aspecto en particular. Este capítulo no tiene como fin convertirse en un tratado sobre análisis nu mérico, ni presentar los detalles de algún lenguaje de programación para com putadora en particular. La presentación que se hace aquí está encaminada a un as pecto un tanto general, puesto que cada individuo se verá limitado en su elección por los medios con los que cuente y los lenguajes de que disponga. Es más, la tec nología de las computadoras sigue avanzando "Con gran rapidez, y cualquier procedimiento especifico pronto se volverá obsoleto. 5-2 PROGRAMACIÓN DE UNA CALCULADORA ELECTRÓNICA En esta sección se presentan varios ejemplos apropiados para obtener soluciones utilizando una calculadora programable; aunque, por supuesto, también son aplicables en grandes computadoras. Los lectores que usen una calculadora no programable o que tenga una capacidad limitada de almacenamiento, seguirían las mismas estrategias para resolver estos ejemplos; pero encontrarían necesario volver a marcar las operaciones cada vez que se inicien.
- 197. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 181 Para principiar a enfocar un problema que va a resolverse en una calculadora programable, el primer paso es desarrollar un método apropiado, denominado al goritmo. Se debe recordar que una calculadora (o computadora) sólo puede manejar cantidades numéricas y no símbolos algebraicos; de donde, es necesario desarrollar por completo una solución algebraica de forma cerrada para el pro blema deseado, antes de que pueda programarse. No se puede usar una calcu ladora con este fin; y sólo es útil cuando llega el momento de evaluar la respuesta numérica para un conjunto específico de datos numéricos. Al desarrollar el algoritmo para un problema en cinemática, se puede usar cualquiera de los métodos algebraicos de los capítulos anteriores. Por supuesto, no se puede hacer que la calculadora lea datos tales como las longitudes de los eslabones a partir de un dibujo; en consecuencia, se debe considerar con mucho cuidado cuál debe ser el conjunto mínimo de datos que se pedirán al usuario. Asimismo, es preciso ver que los pasos de solución queden ordenados de tal manera que, en cada uno de ellos, se disponga de los datos requeridos ya sea por parte del usuario o del paso de cálculo previo. Ejemplo 5-1 Desarróllese un algoritmo apropiado para una calculadora electrónica programable, para hallar la suma R=rl+r2 +... +r¡ +... +rm +al x bl + a2 x �+... +a¡ x b¡ +...+8. X b. (1) en donde los datos de entrada van a ser las coordenadas cartesianas de los vectores tridimensio nales r¡, aj, y b¡ r¡ r:1+ r�j+rfk a¡=aji+aJj+ajk bj=b¡l+bJj+bjk (2) (3) (4) El resultado final se va a almacenar, en la forma de coordenadas cartesianas, en las memorias 1,2 Y 3. SOLUCIÓN El siguiente algoritmo se presenta como una serie de pasos, aunque se podría mostrar con igual facilidad en forma de diagrama de flujo. Paso 1. Sitúense las memorias en cero. Paso 2. Recíbanse los datos enteros para m; almacénese m en la memoria 4. Paso 3. Si la memoria 4 es cero o positivo, pásese al paso 8. Paso 4. Recíbanse los datos para rf y súmense a la memoria l. Paso 5. Recíbanse los datos para r; y súmense a la memoria 2. Paso 6. Recíbanse los datos para rl y súmense a la memoria 3. Paso 7. Súmese 1 a la memoria 4 y regrésese al paso 3. Paso 8. Recíbanse los datos enteros para n; almacénese - n en la memoria 4. Paso 9. Si la memoria 4 es cero o positivo, pásese el paso 16. Paso 10. Recíbanse los datos para aj, al y af; almacénense en las memorias 5, 6 Y 7, respec tivamente. Paso 11. Redbanse los datos para bt, b; Y bj; almacénense en las memorias 8, 9 y lO, respec tivamente. Paso 12. Calcúlese a;bj - a¡bJ y súmese el resultado a la memoria 1.
- 198. 182 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Paso 13. Calcúlese aib¡- aib¡ y súmese el resultado a la memoria 2. Paso 14. Calcúlese ajb; a}bj y súmese el resultado a la memoria 3. Paso 15. Súmese 1 a la memoria 4 y regrésese al paso 9. Paso 16. Muéstrese sucesivamente en la pantalla el contenido de las memorias 1, 2 Y 3, como los resultados para RX, RY Y R', respectivamente. Se pueden usar los datos siguientes para comprobar la programación obtenida. Dados m= 2,f¡ -41+2j, f2=2i-3k,n 2,a¡=i-3j,b¡ 21+2k, a2=4i+.3j,� i. El vector solución es R= -si. En este ejemplo se observará que el cuidado que se ponga en enunciar cada paso de un algoritmo con precisión, reducirá enormemente el tiempo requerido para escribir un programa, y eliminará muchas fuentes potenciales de error. Es cribir cada paso o dibujar un diagrama de flujo, antes de hacer la programación, ayudará también en la búsqueda posterior de errores posibles, y en la presentación del programa final. Conforme se desarrolla el algoritmo, tambien se debe considerar con amplitud el uso eficiente de las memorias disponibles. La mayor parte de los programas para calculadora encontrarán que las memorias insuficientes son el factor limitante en la complejidad de los algoritmos que sea factible emplear. En el caso del ejem plo anterior, puede verse cómo se usó la memoria 4 para almacenar tanto a m como a n, y cómo se usó cada vector recibido como datos antes de que se recibiera el siguiente, en lugar de admitir y almacenar todos los vectores antes de que se iniciaran los cálculos. Por lo tanto, el programa resultante sólo necesita 10 me morias y no queda limitado por lo que respecta a los números de vectores m y n. Cuando se completa la programación, se debe dar atención especial a la re dacción del programa; porque, de otra manera, se corre el riesgo de olvidar el procedimiento de resolución cuando se desee volver a usarlo. La documentación debe incluir, como minimo, una descripción breve del método usado, toda su posición limitante, una lista del número, orden y forma de los datos de entrada necesarios, y una descripción del número, orden, forma y ubicación de los resul tados finales. Además, también se considera que un problema de ejemplo, junto con sus datos numéricos y su solución, constituyen una parte recomendable de un programa bien documentado. La buena documentación es quizá el aspecto más importante de la escritura de un programa y, sin embargo, a menudo es la más descuidada. Con frecuencia, esto conduce a tener que volver a desarrollar, con el costo consecuente, programas ya existentes, debido a que su documentación es inadecuada y, por ende, resultan inútiles cuando se presenta la necesidad de uti lizarlos. Ejemplo 5·2 Desarróllese un algoritmo para un programa de calculadora que tenga por fin cal cular la posición, la velocidad y la aceleración de todos los eslabones de un mecanismo excéntrico de corredera-manivela. Las dimensiones r¡, r2, Y '3, consignadas en la figura 5-1, se van a recibir como datos. La solución se va a iniciar con el ángulo especificado de la manivela /h y se va a in crementar en el ángulo especificado 1182, con la frecuencia que se desee. Se supondrá además que: la velocidad angular de la manivela, especificada por el usuario, es constante.
- 199. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTlCO 183 SOLUCIÚN El desarrollo de las ecuaciones de posición, velocidad y aceleración para el mecanis mo excéntrico de corredera y manivela se puede llevar a cabo por medio del método de Raven, aplicando álgebra compleja, como se describió con todo detalle en las secciones 2-10, 3-8 Y 4-8. Las ecuaciones finales son de la (4-17) a la (4-22). El algoritmo para evaluarlas con una calcula dora programable podria ser como sigue: Paso l. Recíbanse los datos numéricos para T10 T, Y Tl, Y almacénense en las memorias 1,2 Y 3, respectivamente. Pasa 2. Recíbanse los datos numéricos para82, t:.82 Y 82, Y almacénense en las memorias 4, 5 Y 6, respectivamente. Paso 3. Calc.llese T2 sen 82 y T2 cos 8" Y almacénense en las memorias 7 y 8, respectivamente. Paso 4. Calcúlese y muéstrese en la pantalla 8} = sen -1 [(TI + T2 sen8;)/TJ]. Paso 5. Calcúlese T) senely T) cos 03, y almacénense en las memorias 9 y 10, respectivamente. Pasa 6. Calcúlese y muéstrese en la pantalla T. T2 COS82 + T2 cos 8). Paso 7. Calcúlese y muéstrese en la pantalla é} = - (é,T, cos (2)/(r2 cos el). Paso 8. Calcúlese y muéstrese en la pantalla r. = - é2T, sen 82 - Ó)T) sen 8l. Paso 9. Calcúlesey muestrese en la pantalla él = (¡ijT2 , sen 82 + ír3 sen (3)/(T3 COS �). Paso 10. Calcúlese y muéstrese en la pantalla r4 = -(e3T)sen 8l + ¡ijT2COS 82 + éíT)cos 8). Pasa 11. Súmese 1182 de la memoria 5 a 82 de la memoria 4. Paso 12. Regrésese al paso 3 y repitase. Como comprobación de la exactitud del programa, úsese: TI 0.150 m, T2 = 0.300 m, r3 = 0.900 m, 82 0, t:.82 = 90°, y Ó2 = 40 rad/s. Cuando se llega a la posición 82 = 2700 , el conjunto de resul tados redondeados que se presenten deben ser 8) = 9.594°, T4 = 0.887 m, é3 = 0, '4 = 12 rt;tls, 83 = - 540.899 rad/s2, Y ;4 = 81.135 m/S 2 . Este ejemplo pone en evidencia la cuestión de las unidades. Se considera buena-, práctica obtener las ecuaciones para los programas de esta índole sin hacer referencia alguna a un conjunto de unidades en particular. Luego, es factible aplicar cualquier sistema de ellas con el programa, siempre y cuando sean coheren tes. La alternativa es restringir el programa a un conjunto particular de uni dades. En todo caso, la elección de las mismas se debe establecer con toda claridad en la documentación. En el ejemplo anterior, el programa mismo es independiente del conjunto de unidades empleado; sin embargo, puesto que los datos de prueba se dieron en metros, los resultados tuvieron las unidades de metros por segundos y metros por segundo al cuadrado. El ejemplo revela también un caso típico de equilibrio necesario entre el uso eficiente de las memorias y la velocidad mejorada de los cálculos. Las memorias 7 Figura 5-1 Ejemplo 5-2. Mecanismo excéntrico de corredera-manivela.
- 200. 184 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS a 10 se elr.plearon en los pasos 3 y 5 para almacenar términos geométricos a los cuales se recurre repetidas veces en los cálculos de los pasos 4 y del 6 al 10. Al usar estas cuatro memorias, las funciones trigonométricas se calculan una sola vez cada illla, ahorrando así illl tiempo considerable. Si no se cuenta con el número sufi ciente de memorias, podrían volverse a calcular cada vez. También se evitó el uso de más memorias, mostrando inmediatamente los resultados en la pantalla después de calcularlos, en lugar de almacenarlos. Otra cuestión que se presenta también es la de las unidades que se usarán para los valores numéricos almacenados de los ángulos. Evidentemente, para facilitar su uso, cualesquiera datos de entrada que comprendan ángulos, como 82 y !:l(J2 del ejemplo anterior, se deben expresar en grados y no en radianes; no obstante, es preferible usar radianes para las velocidades y las aceleraciones angulares. En la mayor parte de las calculadoras los ángulos se pueden expresar ya sea en grados o radianes, y se aplicarán las filllciones trigonométricas según la situación de un teclado que indica la selección. En tales casos, es preferible dejar todos los ángulos en grados; pero es necesario hacer notar que algunas calculadoras no poseen esta opción. Asimismo, en las computadoras digitales que usan FORTRAN o BASIC, las funciones trigonométricas tales como SIN, COS o TAN presupondrán que los ángulos se expresan en radianes. En estos casos es necesario convertir los datos an gulares de entrada a radianes, por medio de pasos de programa adicionales. y luego convertir cualquier ángulo calculado nuevamente a grados, para presentarlo en la pantalla. Por lo común, el mejor método para comprobar un programa es comparar los resultados con una solución gráfica del mismo problema. Los ángulos se pueden medir rápidamente con illl transportador. Mientras que un punto decimal se puede colocar erróneamente en un programa de computadora, un vector que sea 10 veces más largo que lo normal no pasará inadvertido en una solución gráfica. De la mis ma manera, la precisión gráfica es casi siempre suficiente como para verificar si un programa de computadora funciona en forma adecuada, ya que generalmente los errores de programación darán origen a diferencias más bien drásticas que sutiles en los resultados. Ejemplo 5-3 Desarróllese un algoritmo para un programa de calculadora para calcular la posición angular y velocidad de todos los eslabones de un eslabonamiento plano de cuatro barras. Las lon gitudes de los eslabones TI, T2, 'l, Y 74 que se dan en la figura 5-2 se recibirán como datos, junto con el ángulo inicial especificado 82, el incremento en el ángulo Á82, y la velocidad angular 82 de la manivela de entrada. SOLUC¡Ól' El desarrollo de las ecuaciones apropiadas se hizo en las secciones 2-10 y 3-8, y se trata de las ecuaciones (2-58), (2-59), (3-18) Y ( 3-19). El algoritmo para su evaluación es el si guiente: Paso 1. Recibanse los datos numéricos para TI> '2.'r) y 7., Y almacénense en las memorias 1,2, 3 Y 4, respectivamente. Paso 2. Recíbanse los datos numéricos para fh, Á(J2 y 82, Y almacénense en las memorias 5, 6 y 7, respectivamente.
- 201. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 185 Paso 3. Calcúlese a = (ti+d -rT - d)/2r3r4 y almacénese en la memoria 8. Paso 4. Calcúlese b = rtlr3r4 y almacénese en la memoria 9. Paso 5. Calcúlese e = r2 sen (J2 y almacénese en la memoria 10. Paso 6. Calcúlese d = r2 cos (J2 y almacénese en la memoria 11. Paso 7. Calcúlese y preséntese en la pantalla el ángulo de transmisión "Y = cos-I (a +bd). Paso 8 Calcúlese sen "Y y cos "y, Y almacénense en las memorias 12 y 13. Paso 9. Calcúlese y muéstrese en la pantalla. (J 2 -1 -c+r4sen"y 3 = tan d + r3 - r, - r4 cos "Y y almacénese en la memoria 14. Paso JO. Calcúlese y muéstrese en la pantalla Paso 11. Calcúlese y muéstrese en la pantalla 9 - 92r2 sen«(J4 -(J2) 3 - r3 sen"y Paso 12. Calcúlese y muéstrese en la pantalla 9 - 92r2 sen«(J3 - (J2) 4 - r4 sen"y Paso 13. Súmese !l(J2 de la memoria 6 a (J2 de la memoria 5. Paso 14. Regrésese al paso 5 y repítase. Para comprobar el programa, úsese un eslabonamiento de manivela y oscilador con las si guientes dimensiones: r, = 10 pulg, r2 = 4 pulg, r3 = 10 pulg y r4 = 12 pulg. En (J2 = O, 92 = 45 rad/s, los resultados redondeados son "y = 30°, (J3 = 93.8°, (J4 = 123.7°, Y 93 = 94 = -30 rad/s. El algoritmo antes descrito da la solución para la configuración abierta de un eslabonamiento plano de cuatro barras. Dependiendo de la situación inicial, es probable que el usuario desee resolverlo para la configuración cruzada. Como lo indican las ecuaciones (2-58) y (2-59), se obtendría el caso de la configuración cruzada cambiando los signos más y menos en los numeradores de los pasos 9 y 10. Esto requiere una leve reprogramación, a medida que se corre cada conjunto de datos del problema, lo que crea una situación poco deseable. Una alternativa sería solicitar otro elemento de los datos de entrada que especificara la configuración ----�__�--------------��- �------Xl Figura 5-2 Ejemplo 5-3.
- 202. 186 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS buscada, yluego modificar el algoritmo para que se bifurque hacia las ecuaciones apropiadas. Una alternativa más seria calcular y presentar en la pantalla ambas configuraciones para cada conjunto de datos del problema. No obstante, cada una de estas alternativas requiere más memorias yun programa más largo. Una cuestión íntimamente relacionada con esto es la que consiste en saber, si las ecuaciones originales se desarrollaron con la precisión necesaria para hacer que se distingan las configuraciones abierta y cruzada del eslabonamiento. Si se hubieran usado las ecuaciones (2-52) y (2-53) en lugar de las (2-58) y (2-59), por ejemplo, habría sido necesario ver que los ángulos <p yo/fueran ambos meno res que 1800,Y que if¡ fuera positivo en tanto que sen </> tuviera el mismo signo que sen (J2. Estas son condiciones no fáciles de programar y pueden resultar engañosas cuando se trata de juzgar lo apropiado de una solución analítica. A primera vista, las ecuaciones (2-58) y (2-59) parecen ser más complicadas que la (2-52) y(2-53), pero no requieren estas pruebas adicionales. Este tipo de sutilezas se pasan a menudo por alto (o se desprecian deliberadamente), cuando se desarrollan ecuaciones para resolver a mano, porque se pueden tomar en cuenta con facilidad por el conocimiento de la naturaleza física de la situación en la etapa apropiada de los cálculos. Sin embargo, al escribir un programa, cada detalle se debe definir con precisión, de tal suerte que sea factible ejecutarlo en una calculadora o compu tadora que son, en resumidas cuentas, aparatos sin inteligencia. Otro aspecto importante es el referente a los cuadrantes de los ángulos, sobre todo al calcular las funciones trigonométricas inversas, como el arco coseno del paso 7 o los arcos tangentes de los pasos 9 y 10. Este tipo de filllciones trigono métricas inversas son, por sus definiciones matemáticas, multiformes, o de valores múltiples. Con todo, cada programa para calculadora o computadora dará lugar a una sola respuesta, elegida por decisión del fabricante más que del programador. Es preciso tener un cuidado extremo para saber cuál es el cuadrante específico seleccionado para que una calculadora en particular proporcione el resultado, al emplear esta clase de funciones de valores múltiples, no siempre son los mismos en calculadoras diferentes. Algunas calculadoras vienen equipadas para efectuar directamente la conver sión de un vector bidimensional, de la forma rectangular bien la polar,o a la fun ción inversa, de la forma polar a la rectangular. Después de colocar las componen tes x yy de un vector en los registros apropiados, basta un solo golpe de tecla (o paso del programa) para obtener tanto la magnitud como el ángulo del vector. Más aún, en este caso se obtendrá el ángulo en el cuadrante apropiado,determinado por los signos de las componentes x yy. Si se dispone de esta índole de conver siones, se pueden usar para evitar el cálculo directo del seno yel coseno, digamos como alternativas de los pasos 5 y 6 del ejemplo anterior. También es factible usarlas para evitar el dilema del cuadrante de las funciones trigonométricas inver sas, si se pueden calcular tanto el coseno como el seno del ángulo t t Al escribir un programa para computadora en FORTRAN, se puede obtener la misma ventaja usando la función ATAN2 en lugar de ATAN, ASIN o ACOS. No obstante, en algunas computadoras,
- 203. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 187 5-3 PROGRAMACIÓN DE LAS ECUACIONES DE CHACE Cuando se analizan mecanismos planos resulta muy útil contar con un conjunto de programas ya escritos y probados para la resolución de los cuatro casos de la ecuación de cierre del circuito en el plano que comprenda dos incógnitas. Estos cuatro casos se identificaron y analizaron en el capitulo 2. Los procedimientos gráficos de resolución se presentaron con todo detalle en la sección 2-7, las so luciones con álgebra compleja en la sección 2-8 y las soluciones con álgebra vec torial de Chace en la sección 2-9. En esta sección se presentan algoritmos para la solución numérica de cada uno de los cuatro casos, aplicando el método de Chace en una calculadora electrónica. Por lo que respecta a la notación, se supone que la ecuación bidimensional de cierre del circuito que se va a resolver se ha reducido previamente a tres vectores con dos incógnitas. Así pues, tiene la forma eé=AÁ+BB (5-1) A donde C por ejemplo, es un vector unitario a lo largo del vector C; forma un án- gulo 6c en relación con el eje xy posee las componentes éx y éY en las direc cionesxy y. Puesto que a menudo los cuatro casos se usarán juntos, resulta útil organizar sus datos en la forma semejante. Por consiguiente, se supone que las memorias 1 a 12 están reservadas para los valores de L": 6c, ex, ey, A, OA, A AY, B, OB, BX, y BY, respectivamente. Se supone que si se necesita la solución de un caso en par ticular se introducirán datos conocidos en las memorias apropiadas. Entonces se cargará y se correrá el programa, situando los resultados en otras memorias apropiadas. Por lo tanto, los problemas de introducción de datos y presentación de los resultados se consideran como algo independiente de los algoritmos de solu ción. Ejemplo 5-4 Desarróllese un algoritmo para resolver el caso 1 de la ecuación (5-1) cuando las in cógnitas son e y Oc. Supóngase que los datos para AX, AY, BX y BY ya están almacenados en las memorias 5, 6, 9 y lO, respectivamente. Se deben calcular los valores ex, e" e y Be Y alma cenarlos en las memorias l a 4, respectivamente. SOLUCIÓ!'l La ecuación apropiada para encontrar la solución es la (2-39); y el algoritmo es: Paso 1. Calcúlese ex AX + BX y almacénese en la memoria 1. Paso 2. Calcúlese e' A' + BY y almacénese en la memoria2. Paso 3. Calcúlese e v'(ex)2 + (eY)2 y almacénese en la memoria 3. Paso 4. Calcúlese Oc = tan-I (e'le:); úsense los signos de ex y e' para que se obtenga el cua drante correcto; y almacénese en la memoria 4. Paso 5. Alto. ATAN2(Y,x) simplemente dividirá el primer argumento entre el segundo y luego utilizará ATAN. Puesto que esto anula por completo el propósito de la función ATAN2, es necesario escribir un sub programa ARCT( Y,X) para ejecutar lo que ATAN2 debe hacer.
- 204. 188 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Para comprobar el programa pueden usarse los siguientes datos: almacénense AX = 5, AY = -8.661, BX = -20, BY = O en las memorias 5, 6, 9 Y 10,respectiva mente. Los resultados redondeados,almacenados en las memorias 1 a 4,deben ser cx = -15.000, CY = -8.661,C = 17.321,Y Oc = 210.0000• Ejemplo 5-5 Desarróllese un algoritmo para la solución del caso 2a de la ecuación (5-1),tomando A y B como incógnitas. Supóngase que los datos de cx, C" OA yeB ya están almacenados en las memorias 1,2,8 Y 12,respectivamente. SOLUCION La solución para el caso 2a está dada por las ecuaciones (2-40) y (2-41). El algoritmo propuesto es: Paso l. Calcúlese Ax = cos OA y Ay = seneA y almacénese en las memorias 5 y 6 . Paso 2. Calcúlese BX = cosOB y BY = sen OB y almacénese en las memorias 9 y 10. Paso 3. Calcúlese P = cos (OB - eA) y almacénese en la memoria 13. Paso 4. Calcúlese A = (CXBY - CYBX)!P y almacénese en la memoria 7. Paso 5. Calcúlese B = (CYAx - exAy)!P y almacénese en la memoria 11. Paso 6. Multiplíquese el contenido de las memorias 5 y 6 por A . Paso 7. Multiplíquese el contenido de las memorias 9 y 10 por B. Paso 8. Alto. Los siguientes datos servirán para comprobar el programa: almacénense cx = -15, CY = -8.661, eA = _600, eB = 1800 en las memorias 1,2,8 Y 12,respectivamente. Los resultados redondeados, almacenados en las memorias 5 a 7 y 9 a 11,deben ser AX = 5.000,AY = -8.661,A = 10.000, W = - 20.000,BY = O,y B = 20.000. Ejemplo 5-6 Desarróllese un algoritmo para resolver el caso 2b de la ecuación (5-1),siendo A yeB las incógnitas. Supóngase que los datos para Cx, c,.,eA y B ya están almacenados en las me morias 1,2,8 Y 11,respectivamente. SOLUCIÓN La solución para el caso 2b está dado por las ecuaciones (2-42) y (2-43). El algoritmo propuesto es: Paso l. Calcúlese A' = coseA y Ay = seneA y almacénese en las memorias 5 y 6 . Paso 2. Calcúlese P = cxA' - cyAx y almacénese en la memoria 13. Paso 3. Calcúlese Q = VB2 - p2 Y almacénese en la memoria 14. Paso 4. Calcúlese A = cxAx + cyAy ::¡: Q y almacénese en la memoria 7 . Paso 5. Calcúlese BX = pAy ± QAx y almacénese en la memoria 9. Paso 6. Calcúlese BY = -pAx ± QAy y almacénese en la memoria 10. Paso 7. Multiplíquese el contenido de las memorias 5 y 6 por A . Paso 8. Calcúlese eB = tan -1 (BY!BX); utilícense los signos de BX y BY para dar el cuadrante correcto; y almacénese en la memoria 12. Paso 9. Alto. Como se analizó en la sección 2-7,existen dos soluciones para el caso 2b; las que aparecen como los diferentes signos en los pasos 4 a 6. Se recomienda escribir dos programas por separado,uno llamado caso 2b usando los signos superiores,y el otro llamado caso 2b' con los signos inferiores. Los programas se pueden comprobar aplicando los datos que se dan a continuación: cx = -15, cy = -8.661, ;eA = -600, y B = 20, almacenados,respectivamente,en las memorias 1,2,8 Y 11. En tal caso,el programa 2b debe dar los resultados redondeados AX = -5.000, AY = 8.661,A = - 1"0.
- 205. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 189 ben ser N 5.000, AY = -8.661, A 10..000, BX = -20.000, BY 0.000, Y (IR"" 180..000°. Estos se deben almacenar en las memorias 5, 6, 7, 9, 10 Y 12, respectivamente. Ejemplo 5-7 Desarróllese un algoritmo para resolver el caso 2e de la ecuación (5-1), siendo 8A y 88 las incógnitas. Supóngase que los datos que corresponden a ex, e', A, y B ya están almace nados en las memorias 1, 2, 9 y 12, respectivamente. SOLUCIÓN La solución para el caso 2e está dada en las ecuaciones (2-44) y (2-45). El algoritmo propuesto es: Paso l. Calcúlese P (A' B2 + e2)/2e2 y almacénese en la memoria 13. Paso 2. Calcúlese Q Y(A/ef - p2 Y almacénese en la memoria 14. Paso 3. Calcúlese A' = pe' OC' y almacénese en la memoria 5. Paso 4. Calcúlese AY = Pe' :¡: Qex y almacénese en la memoria 6. Paso 5. Calcúlese 8A = tan�1 (AY/A'); úsense los signos de AX y AY para dar el cuadrante correc- to; y almacénese en la memoria 8. Paso 6. Calcúlese R 1 - P y almacénese en la memoria 13. Paso 7. Calcúlese Bx Rex :¡: OC"' y almacénese en la memoria 9. Paso 8. Calcúlese BY Re' ± OCX y almacénese en la memoria 10. Paso 9. Calcúlese 8B tan-I (BY/BX); úsense los signos de BX y BY para dar el cuadrante correc to; y almacénese en la memoria 12. Paso JO. Alto. Como sucede en el caso 2b, el caso 2e cuenta con dos soluciones y requiere de dos programas por separado. Uno de ellos, el que utilice los signos superiores de los pasos 3, 4, 7 y'8, puede lla marse programa 2e; y el otro, el de los signos inferiores, puede denominarse programa 2e. Los dos programas se pueden comprobar con los siguientes'datos: ex 15, C' = -8.661, A 10, Y B = 20, almacenados enlas memorias 1,2,7 Y 11, respectivamente. Luego, el programa2e debe dar AX = -5.000, AY 8.661,: eA '" 120.000°, BX 17.321, y ()H = 240.000°. Los re sultados del programa 2e' deben ser AX = 5.000, AY = -8.661, eA = -60.000°, B' -20.000, BY = 0.000, Y 8s 180.000°. Todo esto se debe almacenar en las memorias 5, 6, 8, 9, 10 Y 12, res pectivamente. Los programas desarrollados en estos cuatro ejemplos pueden resultar bastan te beneficiosos al realizar la solución de posición de la mayor parte de los mecanis mos planos. Los procedimientos para analizar su velocidad y su aceleración, con el método de Chace, se explicaron en las secciones 3-9 y 4-8. También resulta útil contar con programas comprobados con anterioridad a fin de evaluar operaciones vectoriales como k x A, A· B, y (k x A) . (k x B) y un programa para resolver dos ecuaciones simultáneas lineales con dos incógnitas. Con éstas, se pueden aplicar los métodos de las secciones 3-9 y 4-8 en forma directa y evaluarse con gran rapidez en una calculadora. Aunque en esta sección se ha reforzado el método de Chace, es fácil ver cómo se podrían desarrollar programas paralelos usando álgebra compleja y el método de Raven. De hecho, una vez programados, existen muy pocas diferencias entre los métodos y se pueden entremezclar con toda libertad. Su principal diferencia es fundamentalmente de notación y preferencia del usuario. Por ejemplo, en el curso de los cálculos, AX y AV, desempeñan el papel de las componentes de un vector en el método de Chace, o de las partes real e imaginaria de un número complejo, en el método de Raven.
- 206. 190 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Por supuesto, en el caso de mecanismos tridimensionales, los algoritmos an teriores rinden pocos beneficios y se deben generalizar. Es factible desarrollar procedimientos exactamente paralelos para tres dimensiones en el capitulo 11; sin embargo, los cálculos relativos son necesariamente más complejos y, por lo co mún, van más allá de la capacidad de una calculadora programable. Sin embargo, se pueden aplicar algoritmos similares en una computadora digital, en la que las memorias son más grandes. Para quienes prefieren trabajar con una computadora digital en lugar de una calculadora, los cuatro algoritmos anteriores se pueden programar directamente como se expresaron, en un lenguaje como el FORTRAN o el BASIC. Las me morias mencionadas se sustituirían con nombres de variables como A, AX, THETAB, Y así sucesivamente. Se recomienda que cada algoritmo se programe como un procedimiento por separado para usarse dentro de un programa principal de mayor amplitud, escrito para cada problema. Por ejemplo, al usar FORTRAN, el caso 2a se podría programar como una SUBROUTINE: SUBROUTlNE CASE 2A (CX, CY, THETAA, THETAB, A, B) Esto permitiría que se pidiera a partir de un programa FORTRAN principal, asig nando los valores específicos. CALL CASE 2A (-15.0, -8.661, -60.0,180.0, A, B) y los valores A y B se retornarían bajo esos dos nombres de variables. Entonces cada aplicación requeriría escribir un programa principal para adaptarlo al pro blema particular. Sin embargo, el esfuerzo se reduciría notablemente puesto que se dispondría en una biblioteca de subprogramas precomprobados y se podrian usar con la misma facilidad con que se emplea un cálculo SIN o COSo 54 PROGRAMA DE COMPUTADORA PARA MECANISMOS PLANOS Conforme aumenta la necesidad de introducir más características en un programa, pronto se sobrepasa la capacidad de una calculadora programable, y es preciso recurrir a una computadora digital. Sin embargo, no siempre se tiene acceso a una computadora y. con frecuencia, tiene un costo asociado con su uso. Por consi guiente, conviene usar la calculadora siempre que sea posible. No obstante, gracias a su mayor potencial, a menudo se tiene la justificación suficiente como para ameritar la utilización de una computadora. Del mismo .nodo, cuando se pro grama para una computadora en lugar de para una calculadora, se debe tratar de aprovechar todas sus capacidades al grado máximo posible para que el uso del programa sea más conveniente, más flexible, más poderoso, de comprensión más rápida, etc. El esfuerzo y el costo asociados con la programación para una com putadora suelen ser más altos que en el caso de la calculadora; pero se justifican por los ahorros que se obtienen en su uso reiterado.
- 207. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 191 Por supuesto, todos los algoritmos desarrollados hasta ahora en este capítulo se pudieron programar para una computadora digital; pero, por su naturaleza, son quizá más adecuados para una calculadora. Se trata de programas pequeños cuyo tamaño se restringió intencionalmente para una calculadora; y dejan también una cantidad sustancial de análisis al usuario. Son algoritmos para efectuar pequeños cálculos específicos, o sea, la automatización de cierto número de los pequeños pasos que se presentan con frecuencia al analizar un mecanismo. No se trata de al goritmos para analizar en forma total un eslabonamiento completo, como podría hacerse en una computadora. En esta sección se estudiará un algoritmo adecuado para el análisis cinemático de todos los eslabonamientos planos, en un solo pro grama. Al considerar la programación en una computadora digital, también se debe tener presente que el algoritmo, es decir, el procedimiento de análisis, debe ser apropiado para la capacidad de la computadora, no del usuario, aun cuando la en trada y la salida deben ser apropiados para este último. Con frecuencia se encuen tra que el procedimiento más directo para la solución a mano no es la más apropiada para una computadora; tal es el caso del algoritmo que se explica a con tinuación, que depende de la iteración numérica más que de la solución algebraica de la ecuación de posición. Para hacer más comprensible la técnica de análisis, se explicará en términos del problema ejemplo ilustrado en la figura 5-3; pero es preciso tener presente a lo largo de todo el desarrollo, que lo que se pretende es un procedimiento general y un solo programa. En el caso del problema ilustrado en la figura 5-3, la ecuación de cierre del circuito se puede escribir como (a) en donde el significado del símbolo E quedará aclarado conforme se avance. Ex presada en forma compleja polar, toma la forma y, en el caso del problema general con n vectores, es n E= L ± f¡ejlJ¡ =0 ;=1 (b) (5-2) Figura 5-3 Mecanismo invertido de corredera y manivela.
- 208. 192 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS No es dificil escribir un subprograma para evaluar la ecuación de cierre del circuito para cualquier mecanismo en particular. Para el ejemplo, recurriendo al FORTRAN, el subprograma se podría escribir SUBROUTINE LOOPEQ (LOOP) COMPLEX LOOP (1), R LOOP (1) = R(1) + R(3) + R(4) - R(2) RETURN END Esta subrutina emplea otro subprograma FORTRAN denominado R, que se des cribe a continuación, el cual evaluará un vector expresado en la forma compleja polar dados su longitud y su ángulo. Después de evaluar y sumar cada uno de los vectores, la subrutina LOOPEQ proporciona el resultado, que es E de la (b), en la variable compleja denominada LOOP (l). En el caso general, un problema podría tener varias ecuaciones de cierre del circuito que se programarían como LOOP(l), LOOP(2) y así sucesivamente, en la subrutina LOOPEQ. En general, las velocidades y las aceleraciones se obtendrán a partir de las derivadas respecto al tiempo de la ecuación de cierre del circuito, Según la ecua ción (5-2), éstas son n É }: ± (f¡eiO¡ + jÓ¡r¡eiO¡) = O i=1 n E ? ± (r¡ei8; + j2Ó;f¡ei/J¡ + jii¡r¡eill¡ - Ó¡r¡eil1;) 1=1 que, en el caso de este ejemplo, se convierten en (5-3) (5-4) É = t..eilJ4 + jÓ4r4(l4 jÓ2r2eilJ.¿ = O (e) E = r..elB• + j2fM'4e/84 + j94r4ej84 - tHr4ej/J4 - j92r2ejlJ.¿ + Ó�r2ejlJ.¿ = O (d) en donde se dan Óz y 92 y las incógnitas son 74, Ó4, r4 y 9.. Ahora, en lugar de reprogramar estas expresiones para cada problema nuevo, aprovechemos la subrutina LOOPEQ. Definamos el subprograma R de tal modo que cuando un cierto valor, llamado LEVEL se haga igualO, 1 ó 2, la función R calcule la expresión apropiada de posición, velocidad o aceleración, respectiva mente. En FORTRAN, el subprograma funcional R podría tener la secuencia de la siguiente forma: COMPLEX FUNCTION R(I) COMMON LEVEL,RM(20),RA(20),DRM(20),DRA(20), DDRM(20),DDRA(20) COMPLEX Z,CMPLX,CEXP IF(LEVEL� 1)1,2,3 Z = CMPLX(RM(I),O.O) GO T04
- 209. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 193 2 Z=CMPLX(DRM(I), DRA(I)*RM(I) GO T04 3 Z = CMPLX(DDRM(I)�RM(I)*DRA(I)**2, & 2.0*DRA(I)*DRM(I)+DDRA(I)*RM(I)) 4 R=Z*CEXP(CMPLX(O.O,RA(I))) RETURN END Cuando se use este subprograma para R, supongamos que ya se han calculado los datos apropiados para los valores de las magnitudes RM y los ángulos RA de todos los vectores, y para sus primeras derivadas DRM y DRA, Y sus segundas derivadas DDRM y DDRA, con respecto al tiempo. Nótese en la proposición COMMON antes citada, que se han reservado espacios de memoria pára 20 vec tores, aun cuando en este ejemplo sólo se usan 4. Cada vez que se pide la función R de la subrutina LOOPEQ, se suministra a R un número de vector 1 a R y se evalúa la expresión apropiada de posición, velocidad ° aceleración, dependiendo del valor de LEVEL. En este caso, cuando LEVEL = 0, la subrutina LOOPEQ evaluará LOOP(l) como E de la ecuación (b); pero cuando LEVEL 1 o LEVEL = 2, la subrutina LOOPEQ evaluará LOOP(l) como Eo ti de la ecuación (e) o (el), respectivamente. En todos los casos, s i los datos son exactos, el resultado debe ser LOOP(l) = O. Se podría poner en tela de juicio el propósito de calcular LOOP(l) si siempre es cero para datos correctos; pero esto es precisamente lo importante; si los datos no satisfacen exactamente la condición de cierre del circuito, ecuación (b), LOOP(I) o tE contendrán una evaluación numérica del error, y se pueden usar para ajustar numéricamente los datos hasta que sea correcta. Supóngase que se escribe un programa principal que principia por leer las lon gitudes y los ángulos de todos los vectores en alguna posición inicial del eslabo namiento. Estos datos se medirían en un dibujo, se llevarían al programa principal y almacenarían en las disposiciones RM(20) y RA(20} de COMMON, de acuerdo con sus números de vector. Por supuesto, los datos para RM(1), RM(2), RM(3), RA(l) Y RA(3) se deben medir con exactitud puesto que representan dimensiones fijas del eslabonamiento . El ángulo RA(2) representa el ángulo de entrada de la manivela. RM(4) y RA(4} representan cantidades variables que se deben calcular por medio del programa, y sólo se necesitan valores aproximados de ellas. Supon gamos que existe algún error desconocido asociado con cada una de estas . Enton ces, los valores exactos '4 y 04, son r4 = r4+ or 04=1)4+064 en donde or4 y ol)4fepresentan los errores. (e) (f) Puesto que se dispone de datos para todas las variables RM y RA, se podría citar el subprograma LOOPEQ, pero daría por resultado LOOP(l) con un valor diferente de cero de E. Si la ecuación (b) se desarrolla en una serie de Taylor, se
- 210. 194 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS puede obtener una aproximación de cómo este error en el cierre E está relacionado con or4 Y 004• Suprimiendo los términos orden superior, aplicando la ecuación (b) y reordenando se obtiene (g) Esta es una ecuación compleja, con partes real e imaginaria y, por ende, se resuel ve para los dos errores desconocidos lir4 y li04• A continuación, estos se pueden sumar a r4 y 04 Y el procedimiento se puede repetir hasta que los errores converjan a un valor dentro de una tolerancia aceptable. En ese momento, los valores exactos de f¡ y ¡¡4 se almacenarán en RM(4) y RA(4). Este procedimiento recibe el nombre de método de interación de Newton-Raphson. t Para el eslabonamiento general, la ecuación de iteración se encuentra mediante un desarrollo de la ecuación (5-2) en serie de Taylor', n 2: ± (eje;) [jr¡ + ür¡ei9¡) oOj = - E i=1 (5-5) en donde todos los 5r; y [jO¡ son cero, excepto los correspondientes a las variables dependientes. Puesto que siempre se tiene el doble de variables dependientes que de ecuaciones de cierre del circuito, se contará con el mismo número de ecuaciones y términos desconocidos de error. Las ecuaciones son lineales en los términos de error y se pueden resolver mediante un programa de inversión de matrices, dis ponible en la mayor parte de las bibliotecas de programas estándar para com putadoras digitales. Es muy probable que el lector objete con justa razón que se necesita una gran cantidad de programación especial para formar los coeficientes de la (g), y que la forma de estos coeficientes cambia para cada problema nuevo, contraviniendo asi la meta propuesta de escribir un programa general. No obstante, se puede evitar esto aplicando un método debido a Wengert.tt Supóngase que se igualan a cero los datos de velocidad DRM y DRA, que representan a ;¡ y Ó¡, para todos los vectores. Luego, supóngase que DRM(4), que representa a '4, se iguala a 1 . Si se emplean estos datos para las velocidades, aunque no sean correctos, una comprobación de la ecuación (e) mostrará que se obtiene t J. J. Uicker, Jr., y otros, HAn lnterative Method for the Displacement Analysis of Spatial Link ages", J, Appl, Mech" vol. 31, ASME Trans., vol. 86, series E.,pp. 309-314; 1964. tt R. E. Wengert, HA Simple Automatic Derivative Evaluation Program", Commun, ACM; vol. 7, no. 8, pp, 463-464, 1964.
- 211. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMATICO 195 Del mismo modo, si todas las velocidades se hacen igual a cero, excepto DRA(4) 84 1, entonces Si se generaliza esto, se observará que al hacer iguales a cero todos los datos de velocidad, entonces igualando a la unidad la velocidad de cualquiera de las va riables dependientes y enseguida se pide la subrutina LOOPEQ con LEVEL = 1 , se podrán obtener precisamente los vectores correctos en la variable LOOP, los cuales se necesitan como los coeficientes de la ecuación de iteración (5-5) para la columna de la matriz correspondiente a ese término de error de la variable depen diente. Por lo tanto, al pedir el subprograma LOOPEQ una vez para cada variable dependiente, se puede desarrollar la matriz de los coeficientes de la (5-5) sin co dificación dependiente del problema especializado. Regresando LEVEL a cero, pidiendo una vez más LOOPEQ se producirá la negativa de la columna de cons tantes del segundo miembro de la ecuación (5-5). A continuación se pueden resol ver las ecuaciones por inversión de matrices, aplicando un subprograma estándar tomado de la biblioteca de la computadora. Una vez que converge el procedimiento de iteración antes explicado, esto completa el análisis de posición para la posición presente de entrada de la mani vela. Ahora deben considerarse los análisis de velocidad y aceleración. Reaco modando las ecuaciones (e) y (d) se pueden poner a la izquierda los términos des conocidos,y los términos conocidos se colocan a la derecha, obteniéndose (ei84)t4 + (jr4ei84)84 = - (-jÓ2r2ej�) (h) (ei84)f4 + (jr4ei84)84 = - (-j82r2ei/J:¡ + é�r2ei/J:¡ + j2Ó4t4ei94 - lHr4ei84) (i) Nótese que los coeficientes del primer miembro de estas ecuaciones son idén ticos a los de la (g); de hecho, se encontrará que esto siempre sucede así. Por con siguiente, los análisis de velocidad y aceleración pueden emplear la misma matriz inversa hallada para resolver la ecuación (g), para los errores de posición. Todo lo que se necesita para los análisis de posición y velocidad son las columnas apro piadas de constantes para las ecuaciones (h) e (1). Al igual que antes, éstas se en cuentran mediante la aplicación juiciosa de la subrutina LOOPEQ. Después de igualar todas las velocidades a cero, regresar la velocidad de en trada 82 a su valor apropiado y hacer LEVEL 1 , una petición de LOOPEQ producirá la negativa de la columna de constantes para las ecuaciones de velocidad (h). Con los signos invertidos, estas constantes se pueden multiplicar por la matriz inversa almacenada, para dar los valores de las velocidades dependientes desco nocidas t4 y é4• Una vez concluido esto, se puede hacer lo mismo para el análisis de aceleración. Después de igualar todas las aceleraciones a cero, regresar la aceleración de entrada 82 a su valor apropiado y hacer LEVEL = 2, una petición de LOOPEQ producirá la negativa de la columna de constantes de las ecuaciones de aceleración (1). Al invertir los signos, también se pueden multiplicar estas cons-
- 212. 196 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS tantes por la misma matriz inversa almacenada, para dar los valores de las ace leraciones dependientes desconocidas, r4 y 04• El análisis queda así concluido para esta posición del mecanismo y se pueden imprimir los resultados. Procediendo a analizar la siguiente posición, se puede incrementar el ángulo de entrada de la manivela ()2 en !l(}z y se usan los datos de la última posición como estimaciones iniciales para la siguiente, al repetir el proceso de iteración. Repasemos el proceso una vez más estableciendo los pasos del algoritmo en el orden apropiado para la programación. Suponiendo que el programa estuviera en FORTRAN, se iniciaría definiendo las configuraciones de almacenamiento de los datos. Estas incluyen una proposición COMMON similar a la de la función R, así como las configuraciones para la matriz de los coeficientes, la columna de cons tantes y su producto. Si se diseña el programa para máximos de, por ejemplo, 20 vectores con 10 variables dependientes (cinco circuitos) y una variable de entrada, el almacenamiento de los datos iniciales se podría definir mediante las proposi ciones COMMON LEVEL,RM(20),RA(20),DRM(20),DRA(20),DDRM(20),DDRA(20) DIMENSION COEFF( 10, 1O),CONST(] O),PROD( 1O) El programa principal se escribiría según el algoritmo siguiente: Paso 1. Póngase ceros en todas las configuraciones. Paso 2. Recíbanse los datos para el número de vectores, el de circuitos y los números y tipos (longitud o ángulo de los vectores) de las variables depen dientes y la variable de entrada. Paso 3. Recíbanse los datos para las magnitudes y los ángulos RM(I) y RA(I) de todos los vectores. Paso 4. Recíbanse los datos para el incremento de la variable de entrada, la po sición final, la velocidad de entrada y la aceleración de entrada. Paso 5. Imprímanse todos los datos de entrada. Si el programa es interactivo, per- mítase que los usuarios modifiquen cualquier dato que deseen cambiar. Paso 6. Conviértanse todos los ángulos a radianes. Paso 7. Establézcase un contador de iteraciones, ITER = O. Paso 8. Hágase LEVEL = O Y CALL LOo,pEQ(CONST). Paso 9. Hágase LEVEL = 1 Y J = l . Paso 10. Iguálense a cero todas las velocidades, DRM(I) y DRA(I). Paso 1 1. Hágase la velocidad apropiada, DRM o DRA, igual a 1 para la J-ésima variable dependiente. Paso 12. CALL LOOPEQ(COEFF(J,l» para calcular la J-ésima columna de la matriz de los coeficientes de la ecuación (5-5). Paso 13. Increméntese J y repítanse los pasos 10 a 12 para cada variable depen diente sucesivamente. Paso 14. Utilícese un subprograma de biblioteca para invertir la matriz COEFF. Paso 15. Compruébense las dificultades posibles (determinante cero) durante la
- 213. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 197 inversión matricial del paso 14. Si el determinante es cero, imprímase el men saje apropiado y hacer alto. Paso 16. Hágase LEVEL O Y CALL LOOPEQ(CONST). Paso 1 7. Premultiplíquese la columna CONST por la matriz inversa COEFF para formar la columna PROD de errores negativos - 8r¡ y - 88¡. Paso 18. Fórmense los valores corregidos de posición ri + 5T¡ Y 8; + 5(J¡ para todas las variables dependientes. Paso 19. Si el contador de iteraciones ITER es mayor que 10, ímprímase un men saje adecuado y hacer alto. Paso 20. Si cualquiera de los errores 8r¡ y 80¡ es mayor que una tolerancia acep tablemente pequeña, increméntese ITER en 1 y regrésese al paso 1 0. Paso 21. Póngase ceros en las configuraciones de velocidad, DRM(I) y DRA(I). Luego, introdúzcase el valor de la velocidad de entrada en la variable apro piada. Paso 22. Hágase LEVEL = 1 y CALL LOOPEQ(CONST). Paso 23. Premultiplíquese la columna CONST por la matriz inversa COEFF para formar la columna PROD de velocidades negativas - Ti Y - (j¡> Paso 24. lnviértanse los signos de las velocidades del paso 23 y almacénense en la DRM o DRA apropiada, para cada variable dependiente. Paso 25. Póngase ceros en las configuraciones de aceleración, DDRM(I) y DDRA(I). A continuación, introdúzcase la aceleración de entrada en la va riable apropiada. Paso 26. Hágase LEVEL = 2 Y CALL LOOPEQ(CONST). Paso 2 7. Premultiplíquese la columna CONST por la matriz inversa COEFF para formar la columna PROD de aceleraciones negativas - r¡ y -8;. Paso 28. Inviértanse los signos de las aceleraciones del paso 27 y almacénese en la DDRM o DDRA apropiada para cada variable dependiente. Paso 29. Imprímanse las posiciones (con los ángulos expresados en grados), las velocidades y las aceleraciones de todas las variables dependientes. Paso 30. Si la variable de entrada no ha alcanzado aún la posición final, súmese el incremento de la variable de entrada y regrésese al paso 7. Paso 31. Si es interactiva, pregúntese al usuario si desea continuar. De ser así, regrésese al paso 5. Paso 32. Alto . A quienes han empleado métodos iterativos en otros campos, les parecerá quizá que un programa de esta indole sería terriblemente ineficiente, que requiere un gran número de iteraciones para lograr la convergencia. Sin embargo, en el análisis cinemático, este no es el caso. La experiencia con una amplia variedad de problemas, ha demostrado que, por lo común, bastan tres o cuatro iteraciones para resolver las ecuaciones de cierre del circuito incluso de eslabonamientos muy complicados, con una exactitud mayor que las tolerancias de maquinado de las dimensiones de los eslabones. Aunque la convergencia es lenta en posiciones con
- 214. 198 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS' ventajas mecánicas bajas, jamás se requieren más de cinco iteraciones. Por con siguiente, la prueba del paso 19 nunca se debe satisfacer, a menos que se hayan dado datos no válidos para las dimensiones de los eslabones, o se haya llegado a una posición de centro muerto (véase a continuación) o bien, se tomen pasos ex tremadamente grandes entre posiciones. Otra de las preocupaciones podría ser que el proceso de iteración pudiera no converger a una solución, si cualquiera de las estimaciones iniciales de las variables dependientes tiene un error sustancial, o los incrementos entre posiciones son tan grandes que los valores de la última no resultan ser estimaciones iniciales razo nables para la siguiente. Una vez más, la experiencia no demuestra que estas preocupaciones sean válidas. Los valores iniciales de las variables dependientes se pueden estimar sin necesidad de hacer mediciones, y los cambios en el ángulo de entrada de la manivela del orden de 45 a 60° no generan problemas por lo que res pecta a la convergencia. En el análisis cinemático, el esquema de iteración antes mencionado es muy eficiente y sólo tiene una fuente potencial de dificultad; cuando la matriz de los coeficientes tiene un determinante de cero o cercano a cero, lo que causa pro blemas en el cálculo de su inversa. Como se indica en el paso 15, esto hará que el programa se detenga; sin embargo, al analizar mecanismos diseñados para má quinas reales, esta es una indicación de una dificultad mecánica con el propio dis positivo; se encuentra en una posición de centro muerto o cercano a él. Se puede demostrar esto recurriendo a la ecuación (5-3); si la matriz tiene un determinante de cero, no existe solución finita para las velocidades dependientes, o sea, la de finición de posición de centro muerto (véase la sección 3-16) . Algunos estudiantes de l a Universidad de Wisconsin escribieron un programa denominado KAPCAt, utilizando el algoritmo descrito con anterioridad y que ha resultado sumamente eficiente y fácil de usar. El programa se ha ampliado para producir una imagen del mecanismo en una pantalla para gráficas de computa dora, y en la figura 5-4 se muestran algunas fotografías tomadas de tales imágenes. Sin importar la antigüedad de la computadora en la cual se opere, la velocidad de los cálculos del algoritmo anterior, aunque iterativos, es lo suficientemente rápida como para presentar el mecanismo en movimiento. Como se ilustra en la figura 5- 4, el programa también está equipado para trazar la gráficª-gel lugar geométrico de los puntos en movimiento, facilitando con ello la presentación en la pantalla de curvas del acoplador. Sentándose ante la consola, observando esa presentación, al terando las dimensiones de los eslabones y llevando a cabo el análisis una vez más, el usuario puede diseñar con rapidez un mecanismo que cuente con las propiedades cinemáticas deseadas. El único inconveniente del algoritmo anterior es que el usuario debe escribir un nuevo subprograma LOOPEQ para cada nuevo tipo de mecanismo que va a t El Programa de Análisis Cinemático Utilizando el Álgebra Compleja (Kinematics Analysis Program Using Complex AIgebra, KAPCA) fue escrito por R. A. Lund y O. Hanson, y las mejoras y ampliaciones corrieron a cargo de L .T. Suong, C. R . Kishline y R. Lozano.
- 215. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMÁTICO 199 (al (bl (e) (dI Figura 5-4 Ejemplos de eslabonamientos analizados con el programa KAPCA: a) Mecanismo de co rredera y manivela, mostrando 108 vectores velocidad y aceleración para el pistón (presentados de iz quierda a derecha); b) eslabonamiento de cuatro barras con tres de sus curvas del acoplador trazadas; e) mecanismo de Peaucellier, mostrando la curva rectilinea del acoplador; d) mecanismo de un vehículo elevador de horquilla en su posición abatida. analizar . Aunque esto requiere cierto conocimiento limitado del FORTRAN, es un trabajo fácil de realizar, como lo demuestra el ejemplo previo. Asimismo, una vez que se escriben unos cuantos subprogramas básicos (uno para un eslabonamiento de cuatro barras, 000 para un mecanismo de corredera y manivela, y así sucesi vamente) , se encuentra que muchos mecanismos planos son variaciones de uno de ellos, difiriendo sólo en las dimensiones o en la elección de los eslabones de en trada y salida. 5-5 PROGRAMAS GENERALIZADOS PARA ANÁLISIS DE MECANISMOS Como lo sugiere el programa descrito en la sección anterior, conviene desarrollar programas generales para computadora con intervalos de aplicación muy amplios, para que se puedan justificar los costos de desarrollo a través del uso repetido. Asimismo, cada programa para computadora requiere de cierto estudio inicial y de su experimentación a tanteos por parte del usuario, antes de que se puedan aprovechar plenamente todas sus capacidades; los programas generales necesitan
- 216. 200 mORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS menos tiempo y costo para su aprendizaje que usar un programa diferente para cada nüevo problema. Aunque puede parecer que el programa KAPCA de la sección anterior tiene un amplio intervalo de aplicación, todavia tiene fuertes limitaciones, que rápi damente restringen su utilidad en una situación verdadera de diseño industrial. Es probable que la limitación más severa del KAPCA sea su incapacidad para efec tuar un análisis de fuerza del mecanismo que se está estudiando. El primer programa general ampliamente difundido para analizar mecanis mos, fue el KAM (KinematicAnalysis Method, Método de Análisis Cinemático) que escribió y distribuyó la IBM . Éste incluía las capacidades necesarias para efectuar análisis de posición, velocidad, aceleración y fuerza, tanto para mecanismos planos como espaciales, y se desarrolló en torno a las soluciones del tetraedro vectorial de Chace (Cap. 1 1). Este programa, que se hizo público por vez primera en 1964, constituyó un logro sobresaliente, siendo el primero en reconocer la necesidad de un programa general para sistemas mecánicos que exhiban grandes cambios geométricos. Sin embargo, por ser el primero, tuvo ciertas limitaciones que ahora han sido superadas por los programas modernos y más poderosos que se describen a continuación. También se han desarrollado poderosos programas generalizados aplicando métodos de elementos finitos, el NASTRAN y el ANSYS son dos ejemplos. Estos programas se han desarrollado primordialmente para el análisis de esfuerzos y, por end�, poseen capacidades excelentes tanto para analizar fuerzas estáticas como dinámicas de los sistemas mecánicos. También admiten que los eslabones de un mecanismo simulado se deflexionen bajo cargas y son capaces de resolver pro blemas de fuerzas estáticamente indeterminadas. Son programas de gran capacidad y con amplia aplicación en la industria. Aunque en ocasiones se usan para analizar mecanismos, están limitados por su incapacidad para simular los grandes cambios geométricos que caracterizan a los sistemas cinemáticos. Hay cuatro grandes programas generalizados para computadora para el uso público general, que se dedican al tipo de problemas que se analizaron en este tex to. t Los nombres de estos cuatro r.-:,ogramas son KINSYN, DRAM, ADAMS e IMP. El KINSYN es el único programa generalizado del que se dispone hoy en día, dirigido fundamentalmente a la síntesis cinemática. Se enfoca a la síntesis de los eslabonamientos planos, aplicando métodos análogos a los descritos en el capítulo 10. Este programa fue desarrollado por Kaufman en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. El modo primario de comunicación entre el KINSYN y el usuario es gráfico. Los usuarios introducen los datos que describen sus requisitos de movimiento con una pluma electrónica sobre una tablilla también electrónica de datos; la com putadora recibe el esquema y proporciona la información de diseño solicitada en t R. E. Kaufman, "Mechanism Design by Computer" , Mach. Des., vol. 56, no. 24, pp. 94-100, 1978.
- 217. MÉTODOS NUMÉRICOS ENEL ANÁLISIS CINEMATICO 201 Figura 5-5 Ejemplo de diseño de un eslabonamiento. Este mecanismo de sujeción de tubería fue di señado en unos 15 minutos, aproximadamente, utilizando el KINSYN 111. El KINSYN III fue desa rrollado en la Joint Computer F acility (Instalaciones conjuntas de computación) del Instituto de Tec nología de Massachusetts, bajo la dirección de Roger E. Kaufman, que actualmente funge como profesor de ingeniería en la Universidad George Washington. (Por cortesía delprof esar Roger E. Kau f man. ) una pantalla de presentación gráfica. Los usuarios pueden obtener una buena sen sación intuitiva respecto a la calidad de su diseño, observando su imagen animada en la pantalla de presentación. A partir de esta animación pueden desarrollar juicios concernientes a holguras, velocidades o fuerzas. En la figura 5-5 se ilus traun ejemplo de aplicación del KINSYN sobreunapantallade presentación gráfica. El programa DRAM, que significa Respuesta Dinámica de Maquinaria Ar ticulada (Dynamic Response of Articulated Machinery), es un programa gene ralizado para el análisis cinemático y dinámico de mecanismos planos. Fue de sarrollado por Chace en la Universidad de Michigan. Se puede usar el DRAM inclu so para simular mecanismos planos de extrema complejidad, y proporcionar análisis de posición, velocidad, aceleración y fuerzas estáticas o dinámicas. El programa es interactivo y el usuario se comunica con él recurriendo al lenguaje especial DRAM orientado a problemas, ya sea por teletipo o mediante una terminal de presenta ción gráfica. El programa cuenta con recursos especiales para manejar el impacto entre piezas, así como una gran variedad de efectos de fricción.
- 218. 202 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS -2 2 -400 -200 Desplazamiento vertical del brazo de la rótula 3 ��--------------- Carga vertical de la horquilla O �+-�T-������ 200 400 L- � __ __ __ __ __ __ __ __ _ Carga del amortiguador -500 500 L- __ __ __ __ __ __ __ __ _ FIgura 5-6 Ejemplo de medio sistema de suspensión delantera automotriz, simulado tanto con el programa ADAMS como con el IPM. Las gráficas muestran la comparación de los datos experimen tales de prueba (curvas continuas) y los resultados de la simulación numérica (curvas a trazos), cuando la suspensión pasa por un bache de una pulgada de profundidad. Las unidades de las gráficas son pul gadas y libras, en los ejes verticales, contra el del tiempo en segundos, en los ejes horizontales. (Univer sidad de Wisconsin, Madison, Wisconsin, y Mechanical D ynamics, Inc., Ann Arbor, Michigan.) El programa ADAMS, que significa Análisis Dinámico Automático de Sistemas Mecánicos (Automatic Dynamic Analysis 01Mechanical Systems) ,fue desarrollado también por Chace en la Universidad de Michigan. Al igual que el DRAM, su ob jetivo es el análisis cinemática, estático o dinámico de sistemas mecánicos. No obs tante, permite simular sistemas bidimensionales y tridimensionales. El IMP, Programa Integrado para Mecanismos (In tegrated Mechanisms Program), fue desarrollado por Uicker en la Universidad de Wisconsin. También se puede emplear para simular sistemas planos o espaciales y proporcionar análisis dnemáticos, estáticos o dinámicos. Aunque desde el punto de vista interno son muy diferentes, el IMP y el ADAMS son comparables desde el punto de vista del usuario; ambos tienen la capacidad de simular incluso complejos sistemas tridimensionales de cuerpos rí gidos y proporcionar una amplia gama de análisis, incluyendo posiciones, velo cidades, aceleraciones y fuerzas estáticas y dinámicas. Cada uno de ellos usa su propio lenguaje orientado a problemas, para los datos de entrada, y ambos se
- 219. MÉTODOS N UMÉRICOSEN EL ANÁLISIS CINEMÁTICa 203 pueden emplear ya sea en un medio intermitente, o bien, interactivo. Cualquiera de ellos puede simular la historia de un sistema mecánico, que parte de una cierta configuración inicial y se somete a perturbaciones de fuerza o de movimiento conocidas. Asimismo, los dos tienen capacidad para tener salida en pantalla, en una terminal de presentación gráfica. Una aplicación excelente para cualquiera de estos programas sería la simulación de la suspensión delantera de un automóvil, que se muestra en la figura 5-6. Se ha llevado a cabo la simulación de este mismo problema con ambos programas, y los dos coinciden bien con los datos experimen tales de prueba.t PROBLEMAS 5-1 Escríbase un programa para calculadora o computadora, para el análisit del mecanismo de compás de barras elíptico que se muestra en la figura de esta página. La posición ue partida, eÍ incremento en la posición y la velocidad (constante) del eslabón 4 deben ser recibidos como datos, y deben presentarse en la pantalla la posición, la velocidad y la aceleración de los eslabones2 y 3. 5-2 Escríbase un programa para calculadora o computadora, para analizar la posición, la velocidad y la aceleración del eslabón 4 del mecanismo de yugo escocés ilustrado en la figura. La posición, el incre mento y la velocidad (constante) de la manivela, se deben recibir como datos, y el análisis se continuará sobre el ciclo de operación completo. 5-3 Escríbanse y verifíquense los programas para cada uno de los algoritmos de la sección 5- 2 . 5-4 Escríbanse y verifíquense los programas para cada uno de los algoritmos de l a sección 5-3. 5-5 Escríbase un programa para computadora usando el algoritmo descrito en la sección 5-4. 5-6 Hágase una investigación en las bibliotecas y escríbase un informe acerca de los programas para computadora, para el disefio y el análisis de mecanismos. Se puede desarrollar este informe sobre la descripción de los programas que se mencionaron en la sección 5-5, o bien, incluir descripciones si milares de otros programas. . . - - t Estas simulaciones se realizaron para el Strain H istoryPrediction Committee (Comité de Predicción del Historial de Deformaciones) de la Society o fAutomotive Engineers (Sociedad de Ingenieros en Auto moción). Los datos de vehículo y los resultados experimentales de las pruebasfueron proporcionados por la Chevrolet E ngineering Division, General Motors Corporation. o. "..� . -, � ..- Problema 5-1 Problema 5-2
- 220. CAPiTULO SEIS DISEÑO DE LEVAS Unaleva es un elemento mecánico que sirve para impulsar a otro elemento, lla mado seguidor, para que desarrolle un movimiento especificado, por contacto directo. Los mecanismos de leva y_s�Euidor son sencillos y poco costosos, tienen pocas piezas móviles y ocupan espacios muy �eduddos. Además, no son diftdfes de diseñar movimientos del seguidor que tengan casi cualquier característica deseada. Por estas razones, los mecanismos de leva se emplean profusamente en la ma quinaria moderna. Gran parte del material de este capítulo es una aplicación de la teoría desa rrollada en los anteriores. Además, uno de los problemas más interesantes que se trata es cómo determinar un contorno de leva que produzca, en última instancia, un movimiento especificado. 6-1 CLASIFICACION DE LAS LEVAS y LOS SEGUIDORES La versatilidad y flexibilidad en el diseño de los sistemas de levas se encuentran en tre sus características más atractivas. Con todo, esto da origen también a una gran variedad de perfiles y formas, y a la necesidad de cierta terminología para distin guirlas. Las levas se clasifican según sus formas básicas; en la figura 6-1 se ilustran cuatro tipos diferentes: a) Leva deplaca. llamada también de disco o radial b) Leva de cuña c) Leva cilíndrica o de tambor d) Leva lateral o de cara
- 221. DlSEI'lO DE LEVAS205 (b) (a) ' J 'J Id) Figura 6-1 Tipos de levas: a) de placa, b) de cufia, e) de tambor y ti) de cara. La menos común de ellas en aplicaciones prácticas es la leva de cuña debido a que necesita un movimiento alternativo de entrada en lugar de un movimiento continuo y, con mucho, la más común de todas es la leva de placa. Por esta razón, la mayor parte de lo que resta de este capítulo se ocupará específicamente de las levas de placa, aunque los conceptos presentados se aplican a todas. Los sistemas de levas se clasifican también según la forma básica del seguidor. En la figura 6-2 se presentan levas de placa que actúan con cuatro tipos diferentes de seguidores: a) Seguidor de cuña b) Seguidor de cara plana e) Seguidor de rodillo d) Seguidor de cara esférica o zapata curva
- 222. 206 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (al (b) (e) (d) I<1gura 6-2 Levas de placa con a) un seguidor excéntrico de cufla con movimiento alternativo; b) se guidor de movimiento alternativo y cara plana, e) seguidor oscilante de rodillo y d) seguidor oscilante de zapata curva. Nótese que, por lo común, se hace que la cara del seguidor tenga una forma geométrica simple, y el movimiento se logra mediante el diseño apropiado del per fil de la leva con la que constituirá el sistema. Por supuesto, no siempre sucede así, y existen ejemplos de levas inversas en las que el elemento de salida se hace en máquina dándole una forma compleja. Otro método para clasificar las levas es de acuerdo con el movimiento de salida característico, permitido entre el seguidor y el marco de referencia. Por ende, algunas levas tienen seguidores de movimiento alternativo (traslación) como se ilustra en las figuras 6-1a, b, d Y 6-2a, b, en tanto que otras lo tienen oscilante (rotación) como en las figuras 6-1c y 6-2c, d. Además, una subdivisión pos terior de los seguidores de movimiento alternativo se basa en el hecho de si la línea (a) (b) Figura 6-3 a) Leva de anchura constante con seguidor de movimiento alternativo y cara plana. b) Levas conjugadas con un seguidor oscilante de rodillo.
- 223. DISEÑO DE LEVAS207 central del vástago del seguidor es excéntrica, en relación con el centro de la leva, como en la figura 6-2a, o radial como se presenta en la figura 6-2b. En todos los sistemas de levas el diseñador debe asegurarse de que el seguidor se mantenga én contacto con la leva. Esto se logra mediante la gravedad, incluyen do un resorte apropiado o por medio de una restricción mecánica. En la figura 6-1c, el seguidor está restringido por la ranura. En la figura 6-3a se incluye un ejemplo de leva de anchura constante, en donde se tienen dos puntos de contacto entre la leva y el seguidor proporc ionados por la restricción. También se puede introducir la restricción mecánica empleando levas duales o conjugadas, en una disposición como la que se ilustra en la figura 6-3b. En este caso, cada leva tiene su propio rodillo; pero estos están montados sobre un seguidor común. 6-2 DIAGRAMAS DE DESPLAZAMIENTOS A pesar de la amplia variedad de tipos de levas usados y sus diferentes formas, poseen también ciertas características comunes que permiten un enfoque siste mático para su diseño. Por lo común, un sistema de leva es un dispositivo con un solo grado de libertad. Es impulsado por un movimiento de entrada conocido, casi siempre un eje que gira a velocidad constante, y se pretende producir un movi miento de salida determinado que se desea para el seguidor. Con objeto de investigar el diseño de las levas en general, el movimiento de entrada conocido se denotará por 9(t) y el de salida por y. Si se examinan nue vamente las figuras 6-1 a 6-3, se observarán las definiciones de y y 9 para varios tipos de levas. Estas figuras muestran también que y es una distancia de traslación para un seguidor de movimiento alternativo; pero es un ángulo para un seguidor oscilante. Durante la rotación de la leva a lo largo de un ciclo del movimiento de en trada, el seguidor ejecuta una serie de eventos como los que se muestran gráfi camente en el diagrama de desplazamientos de la figura 6-4. En un diagrama de esta índole, la abscisa representa un ciclo del movimiento de entrada 8 (una re volución de la leva) y se dibuja a cualquier escala conveniente. La ordenada representa el recorrido y del seguidor y, en el caso de un seguidor de movimiento alternativo, se dibuja casi siempre a escala completa para ayudar al trazado de la YI··�··_-Subida " I �eten- ¡----- RetornOlDetenc¡oo¡ .. E!�va.� , clón I � I a= • L I í - -----, O 3600 e Figura 6-4 Diagrama de desplazamientos.
- 224. 208 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS leva. En un diagrama de desplazamientos se pu�de identificar una porción de la gráfica conocida corno subida, en donde el movimiento del seguidor es hacia afuera del centro de la leva. La subida máxima se llama elevación. Los periodos durante los cuales el seguidor se encuentra en reposo se conocen corno detenciones y el retorno es el periodo en el que el movimiento del seguidor es hacia el centro de la leva. Muchas de las características esenciales de un diagrama de desplazamientos, por ejemplo, la elevación total o la colocación y duración de las detenciones, por 10 común son dictadas por las necesidades de la aplicación. Sin embargo, hay muchos movimientos posibles para el seguidor que se pueden usar para la subida y el retorno, y algunos son preferibles a otros, dependiendo de la situación. Uno de los pasos clave en el diseñode una leva es la elección de las formas apropiadas para estos movimientos. Una vez que estos se han elegido, es decir, una vez que se es tablece la relación exacta entre la entrada () y la salida y, se puede construir el diagrama de desplazamiento con precisión y es una representación gráfica de la relación funcional y = y(8) Esta ecuación contiene en su expresión misma la naturaleza exacta del perfil de la leva final, la información necesaria para su trazado y fabricación, y también las características importantes que determinan la calidad de su comportamiento di námico. No obstante, antes de examinar estos ternas más a fondo, se exhibirán tos métodos gráficos de construcción de los diagramas de desplazamientos, para diver sos movimientos de subida y retorno. El diagrama de desplazamientos para el movimiento uniformees-una- recta con una pendiente constante. Por consiguIente, en el caso de una velocidad cons tante de entrada, la velocidad del seguidor también es constante. Este movimiento no es útil para la elevación completa debido a los vértices que se producen en los límites o fronteras con otras secciones del diagrama de desplazamientos. Con todo, se emplea a menudo entre otras secciones curvas, eliminando con ello esos vértices. En la figura 6-50 se iÍustra el diagrama de desplazamientos para un movimien to uniforme modificado. La porción central del diagrama, subtendida por el án gulo de leva f32 y la elevación L2• es un movimiento uniforme. A los extremos, a saber, los ángulos f3, y f33' y las elevaciones correspondientes Ll y L3, se les da una forma tal corno para conferir al seguidor un movimiento parabólico. En breve se verá que esto produce una aceleración constante. El diagrama muestra la forma en que se deben igualar las pendientes del movimiento parabólico con la del movi miento uniforme. Conocidos f3¡, f32, f33, y la elevación total L, se pueden hallar las elevaciones individuales Lh Lz, Y L3, localizando los puntos medios de las sec ciones f31 y f33' y trazando una recta como se indica. En la figura 6-5b se ilustra una construcción gráfica para una parábola que se debe ajustar dentro de una frontera rectangular dada, definida por Ll y f31. La abscisa y la ordenada se dividen primero en un número conveniente, pero igual, de divisiones y se numeran
- 225. y DISEÑO DE LEVAS209 y í 5 í1 �2 L�-r':::_+----+---II___J1__ L1 4 5 IJ ·········- ¡J 1--� (b) Figura 6-5 Movimiento parabólico: a) entrecaras con movimiento uniforme y b) construcción gráfi ca del diagrama de desplazamientos. como se indica. La comtrucción de cada punto de la parábola sigue entonces la que se señala por medio de las rectas a trazos, para el punto 3. En el trazado de una leva real, deben emplearse muchas divisiones para ob tener una exactitud adecuada. Al mismo tiempo, el dibujo se hace a una escala grande, tal vez 10 veces el tamaño. No obstante, para mayor claridad en su lectura, las figuras de este capítulo se presentan con un número mínimo de puntos, para definir las curvas e ilustrar las técnicas gráficas. En la figura 6-6 se muestra el diagrama de desplazamientos para el movi miento armónico sim ple. La construcción gráfica utiliza un semicírculo que tiene un diámetro igual a la elevación L. El semicírculo y la abscisa se dividen en un número igual de partes, y luego la construcción sigue el camino que se indica mediante las rectas a trazos para el punto 2. El movimiento cicloidal obtiene su nombre de la curva geométrica llamada ci cloide. Como se muestra a la izquierda de la figura 6-7, un círculo de radio L/27T, en donde L es la elevación total, efectuará exactamente una revolución al rodar T 3 o 2 3 4 5 6 8 I�·------------¡J------------�·I Figura 6-6 Movimiento armónico simple.
- 226. 210 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Cicloide y :1¡----,-----,------¡------,-----=�tt�f::�O,6r= -/-¡r 3 L :l��- O 3 6 e 5 �I·------------�------------�·I Figura 6-7 Movimiento cicloidal. a lo largo de la ordenada, desde el origen hasta y = L. Un punto P del círculo, localizado inicialmenté en el origen, traza un cicloide como se muestra. Si el círcu lo rueda sin resbalar con una velocidad constante, la gráfica de la posición ver tical y del punto contra el tiempo da el diagrama de desplazamientos que se mues tra a la derecha de la figura. Para los fines gráficos, resulta mucho más convenien te dibujar el círculo una sola vez, empleando el punto B como centro. Después de dividir el círculo y la abscisa en un número igual de partes y numerándolas como se indica, se proyecta cada punto del círculo horizontalmente hasta que se interseca la ordenada; a continuación, partiendo de esta última, se proyecta paralelo a la diagonal OB para obtener el punto correspondiente sobre el diagrama de des plazamientos. 6-3 DISEÑO GRÁFICO DE PERFILES DE LEVAS Examinemos ahora el problema de determinar el perfil exacto de la superficie de una leva requerido para entregar un movimiento especificado del seguidor. Aquí se supone que el movimiento requerido se determinó por completo en forma gráfica, analítica o numérica, como se analiza en las secciones posteriores. Por consiguien te, se puede trazar un diagrama completo a escala de desplazamientos para la rotación completa de la leva. El problema ahora es trazar el perfil apropiado de la leva para lograr el movimiento del seguidor representado por este diagrama de desplazamientos. Se presentará una ilustración para el caso de una leva de placa, como la que se ve en la figura 6-8. En primer lugar observemos cierta nomenclatura adicional que se muestra en esta figura:
- 227. VI 3 4 56 7 8 9 10 11 o o Curva de paso Figura 6-8 Nomenclatura de las levas. Superficie de la leva desarrollada manteniéndola estacionaría y haciendo girar al seguidor desde la estación O y pasando por las estaciones 1,2, 3, etc. t:l � z' O tJ m b1 a N '"'" '"'"
- 228. 212 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS El punto de trazo es un punto teórico del seguidor; corresponde al punto de un seguidor de cufta ficticio. Se elige en el centro de un seguidor de rodillo o sobre la superficie de un seguidor de cara plana. La curva de paso es el lugar geométrico generado por el punto de trazo conforme el seguidor se mueve en relación con la leva. Para un seguidor de cuña, la cur va de paso y la superficie de la leva son idénticas. En el caso de un seguidor de rodillo, están separadas por el radio del rodillo. El círculo primario es el más pequeño que se puede trazar con centro en el eje de rotación de la leva y tangente a la curva de paso. El radio de este círculo es Ro. El circulo de base es el círculo más pequeño con centro sobre el eje de rotación de la leva y tangente a la superficie de ésta. En el caso de un seguidor de rodillo, es más pequeño que el círculo primario, siendo la diferencia el radio del rodillo y, en el caso de un seguidor de cara plana, es idéntico al círculo pri mario. Al construir un perfil de leva se aplica el principio de inversión cinemática, imaginando que la leva es estacionaria y haciendo que el seguidor gíre en sentido Circulo primario Figura 6-9 Trazado de un perfil de leva para un seguidor excéntrico de movimiento alternativo con rodillo.
- 229. DlSEtiO DE LEVAS213 opuesto a la dirección de rotación de la leva. Como se muestra en la figura 6-8, el circulo primario se divide en un cierto número de segmentos y se asignan núme ros de estación a los límites de dichos sementos. Dividiendo la abscisa del diagrama de desplazamientos en segmentos correspondientes, se pueden transferir entonces las distancias, por medio de divisores, del diagrama de desplazamientos directamente sobre el trazado de la leva, a fin de localizar las posiciones correspondientes al punto de trazo. Una curva suave que pase por estos puntos es la curva de paso. En el caso de un seguidor de rodillo, como el de este ejemplo, simplemente se dibuja el rodillo en su posición apropiada en cada estación y luego se construye el perfil de la leva como una curva suave tangente a todas estas posiciones del rodillo. En la figura 6-9 se muestra cómo se debe modificar el método de construcción para un seguidor excéntrico de rodillo. Se principia construyendo un circulo de ex centricidad, usando un radio igual a la magnitud de la excentricidad. Después de identificar los números de estación en torno al círculo primario, se construye la línea central del seguidor para cada estación, haciéndola tangente al círculo de ex centricidad. Ahora se establecen los centros del rodillo para cada estación, trans firiendo las distancias del diagrama de desplazamientos directamente a estas líneas centrales del seguidor, midiendo siempre hacia afuera desde el circulo primario. Un procedimiento alternativo es identificar los puntos 0',1',2', etc., sobre una sola línea central del seguidor y luego hacerlos girar en torno al centro de la leva, hasta las posiciones correspondientes de la línea central del seguidor. En cualquiera de am- Circulo primario Curva de paso Figura 6-10 Trazado de un perfil de leva para un seguidor de movimiento alternativo y cara plana.
- 230. 214 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 6-11 Trazado de un perfil de leva para un seguidor oscilante de rodillo. bos casos, se pueden trazar a continuación los círculos del rodiI1o y una curva suave tangente a todos los círculos del rodillo es el perfil requerido de la leva. En la figura 6-10 se ilustra la construcción para una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo, de cara plana. La curva de paso se construye aplicando un método similar al que se empleó para el seguidor de rodillo en la figura 6-8. En tonces se construye en cada posición una recta que represente la cara plana del seguidor. El perfil de la leva es una curva suave que se traza tangente a todas las posiciones del seguidor. Quizá resulte útil extender cada recta que represente una posición de la cara del seguidor, para formar una serie de triángulos. Si éstos se sombrean ligeramente, como lo sugiere la ilustración, será más fácil trazar el perfil de la leva, dentro de todos los triángulos sombreados y tangente a los lados in teriores de los triángulos. En la figura 6-11 se muestra el trazado del perfil de una leva de placa con un seguidor oscilante de rodillo. En este caso se debe hacer girar el centro pivotal fijo del seguidor en sentido opuesto a la dirección de rotación de la leva, para desa rrollar el perfil de la misma. Para lograr esta inversión, primero se traza un círculo
- 231. DISEÑO DE LEVAS215 en torno al centro del eje de la leva que pase por el pivote fijo del seguidor. A continuación se divide este círculo y se asignan números de estación que corres pondan con el diagrama de desplazamiento. Luego se dibujan arcos en torno a cada uno de estos centros, todos con radios iguales que correspondan a la longitud del seguidor. En el caso de un seguidor oscilante, los valores de las ordenadas del diagrama de desplazamientos representan movimientos angulares del seguidor. Sin embargo, si desde un principio se elige la escala vertical del diagrama de desplazamientos en forma adecuada, y si la elevación total del seguidor es un ángulo razonablemente pequeño, se pueden transferir directamente las distancias de las ordenadas del diagrama de desplazamientos en cada estación, al arco correspondiente recorrido por el seguidor, utilizando divisores y midiendo hacia afuera a lo largo del arco a partir del círculo primario, con el fin de localizar el centro del rodillo para esa es tación. Por último, se dibujan los círculos que representan las posiciones del ro dillo en cada estación, y se construye el perfil de la leva como una curva suave tan gente a cada una de estas posiciones del rodillo. A partir de los diferentes ejemplos presentados en esta sección, debe haberse aclarado que cada tipo diferente de sistema de leva y seguidor requiere de su propio método de construcción para determinar gráficamente el perfil de la leva, a partir del diagrama de desplazamientos. No se pretende que los ejemplos presen tados sean exhaustivos de todos los posibles, pero ilustran el procedimiento ge neral. También deben servir para ilustrar y reforzar el análisis de la sección an terior; ahora debe quedar claro que gran parte de la forma detallada de la propia leva es un resultado directo de la forma del diagrama de desplazamientos. Aunque los diferentes tipos de levas y seguidores tendrán formas distintas para el mismo diagrama de desplazamientos, una vez que se dan unos cuantos parámetros (como por ejemplo, el radio del círculo primario) para determinar el tamaño de la leva, el resto de su forma resulta directamente de las necesidades de movimiento dadas por el diagrama de desplazamientos. 6-4 DERIVADAS DEL MOVIMIENTO DEL SEGUIDOR Se ha visto que el diagrama de desplazamientos se representa gráficamente con el movimiento del seguidor y como la ordenada y el ángulo de rotación de la leva (J como la abscisa, sea cual fuere el tipo de leva o seguidor de que se trate. El dia grama de desplazamientos es, por ende, una gráfica que representa alguna función matemática que relaciona los movimientos de entrada y de salida del sistema de leva. En términos generales, esta relación es y = y«(J) (6-1) Si se qUIslera tomar la molestia de hacerlo, se podrían trazar gráficas adi cionales que representen las derivadas de y con respecto a (J. La primera derivada se denotará como y ' ,
- 232. 216 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS y'(O) = dy dO (6-2) Esta expresión representa la pendiente del diagrama de desplazamientos en ca da ángulo 8. Está derivada, aunque ahora parece tener poco valor práctico, es una medida de "lo empinado" del diagrama de desplazamientos. En secciones pos teriores se descubrirá que está íntimamente relacionada con la ventaja mecánica del sistema de leva y se manifiesta en aspectos tales como el ángulo de presión (véase la sección 6-10). Si se considera una leva de cuña (Fig. 6-1b) con un seguidor tam bién de cuña, el propio diagrama de desplazamientos tiene la misma forma que la leva correspondiente. Aquí se puede empezar por imaginar las dificultades que se presentarán si la leva es demasiado "empinada", esto es, si y' tiene un valor demasiado alto. La segunda derivada de y con respecto a () también es significativa. Se re presenta aquí como y" y"(O) = �� (6-3) Aunque no tan fácil de imaginar, esta derivada está íntimamente relacionada con el radio de curvatura de la leva en varios puntos a lo largo de su perfil. Puesto que existe una relación inversa, conforme y" se hace muy grande, el radio de curvatura se hace muy pequeño; si y" se hace infinita, el perfil de la leva se hace punti aguda en esa posición, lo que constituye una condición no satisfactoria en extremo desde el punto de vista de los esfuerzos de contacto entre las superficies de la leva y el seguidor. La siguiente derivada también se puede representar gráficamente, si así se desea, y"'«() = �� (6-4) Aunque no es fácil describirla geométricamente, es la rapidez de cambio de y", y más adelante se verá que esta derivada también se debe controlar al elegir la for ma detallada del diagrama de desplazamientos. Ejemplo 6-1 Obténganse ecuaciones para describir el diagrama de desplazamientos de una leva que sube con movimiento parabólico, desde una detención hasta otra, de tal manera que la elevación total es L y el ángulo total de rotación de la leva es {3. Hágase la gráfica del diagrama de desplazamientos y dé sus tres primeras derivadas con respecto a la rotación de la leva. SOLUCiÓN Como se Hustra en la figura 6-5-a, se necesitarán dos parábolas que se encuentren en un punto de inflexión que, en este caso, se toma a la mitad del desplazamiento. Para la primera mitad del movimiento se elige la ecuación general de una parábola, (a)
- 233. que tiene lasderivadas y'=2AIJ+B y"=2A f y'" O DISEI'IO DE LEVAS 217 (b) (e) (d) Para igualar de manera apropiada la posición y la pendiente con las de la detención anterior, en 1] '" O se tiene que y(O) = y'(O)=O. Por consiguiente, las ecuaciones (a) y (b) muestran que B '" e O. A continuación, examinando el punto de inflexión, en 1] =f3/2 se desea que y L/2; la (a) da A 2L -¡¡r Así pues, para la primera mitad del movimiento parabólico, las ecuaciones son y 2L (�r y' 4LIJ f3f3 y" 4L y'" O La pendiente máxima ocurre en el punto de inflexión, en donde 1] =f3/2. Su valor es 2L f3 (6-5) (6-6) (6-7) (6-8) (6-9) Por lo que respecta a la segunda mitad del movimiento, se regresa a las ecuaciones generales (a) a (d) para una parabola. Si se sustituyen las condiciones de que en 1] =f3, y '" L y y' O, se tiene L Af32+Bf3+ C (e) O 2Af3+ B (f) Puesto que la pendiente debe igualarse con la de la primera parábola en 1] f3/2, se tiene, partien do de las ecuaciones (6-9) y (b), Resolviendo simultaneamente las ecuaciones (e) o (g) da 2L A=--r f3 B 4L f3 C=---L Cuando estas constantes se sustituyen en las formas generales, se obtienen las ecuaciones para la segunda mitad del movimiento parabólico y L[1-2(1- �rJ y' �(1- �) (6-10) (6-11)
- 234. 218 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS If 4L Y =- �2 y"=o (6-12) (6-13) En la figura 6-12 se muestra el diagrama de desplazamientos para este ejemplo, con sus tres derivadas. La exposición anterior se relaciona con las derivadas cinemáticas del movi miento del seguidor. Estas son derivadas con respecto a 8 y se relacionan con la geometría del sistema de leva. Ahora consideremos las derivadas de los movimien tos de seguidor con respecto al tiempo. En primer lugar se supondrá que se conoce la historia respecto al tiempo del movimiento de entrada 8(t). También se supone que se conoce su velocidad w = de/dt, su aceleración a = d2(J/dt2, y su siguiente derivada, llamada con frecuencia tirón o segunda aceleración, ti = d381dt3• Por lo común, la leva de placa es impulsada por un eje a velocidad constante. En este caso, w es una constante conocida, 8 = wt, y a ti = O. Sin embargo, durante el arranque del sistema de leva éste no es el caso, y primero se considerará la si tuación más general. Partiendo de la ecuación general del diagrama de desplazamientos, y = y(8) 8 = fJ(t) . Por lo tanto, se puede derivar para encontrar las derivadas respecto al tiempo del movimiento del seguidor. Por ejemplo, la velocidad del seguidor está dada por + I L I O �------ O �--�--+-�--+-���--+---��--� 1�1---L----�� fI/{3 + + I I + - +-- +--- + -- + y'" y" Figura 6-12 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento parabólico.
- 235. . dy y= dt j= y'w dyde de dt DISEÑO DE LEVAS 219 (6-14) Del mismo modo, la aceleración y el tirón del seguidor están dados por y .. d2y " 2 I Y- yw+ya - dt2 y'= d3 �= ylllw3+3y"wa +y'á dt (6-15) (6-16) Cuando la velocidad del eje de la leva es constante, estas expresiones se re ducen a j = y' (6-17) Por esta razón se ha hecho costumbre común referirse a las gráficas de las deri vadas cinemáticas y', curvas de "velocidad", "aceleración" y "tirón" para un movimiento dado. Estos nombres serían apropiados sólo para una leva de velocidad constante, y sólo en el caso de que su escala fuera determinada por w,w2 y w 3 , respectivamente.t Sin embargo, resulta útil usar estos nombres para las derivadas cuando se están to mando en cuenta las implicaciones físicas de una cierta elección del diagrama de desplazamientos. Para el movimiento parabólico de la figura 6-12, por ejemplo, la "velocidad" del seguidor sube linealmente hasta un máximo y luego decrece hasta, cero. La "aceleración" del seguidor es cero durante la detención inicial y luego cambia b ruscamente hasta un, valor positivo constante al principiar la subida. Se registran otros dos cambios bruscos má� en la "aceleración" del seguidor, uno en el punto medio y otro al concluir la subida. En cada uno de los cambios súbitos de la "aceleración" , el "tirón" del seguidor se hace infinito, 6-5 LEVAS DE GRAN VELOCIDAD Siguiendo con este estudio del movimiento parabólico, consideremos brevemente las implicaciones de la curva de "aceleración" de la figura 6-12 sobre el compor tamiento dinámico del sistema de leva. Por supuesto, cualquier seguidor real debe tener cierta masa y, cuando se multiplica por la aceleración, ejercerá una fuerza de inercia (véase el capítulo 13). Por lo tanto, la curva de "aceleración" de la figura 6-12 también se puede imaginar como indicadora de la fuerza de inercia del se guidor que, a su vez, se debe sentir en los cojinetes del seguidor y en el punto de t Aceptar la palabra "velocidad" en una forma literal, por ejemplo, conduce a confusiones al descubrir que para una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo, las unidades de y' son longitud por radián. No obstante, si estas unidades se multiplican por radianes por segundo, las unidades de úJ. se obtendrán unidades de longitud por segundo.
- 236. 220 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS contacto con la superficie de la leva. Una curva de "aceleración" con cambios abruptos, como por ejemplo el movimiento parabólico, ejercerá esfuerzos de con tacto que cambian bruscamente en los cojinetes y sobre la superficie de la leva, y dará por resultado ruido, desgaste de las superficies y la falla final. Por consi guiente, al elegir un diagrama de desplazamientos es muy importante asegurarse que la primera y segunda derivadas, es decir, las curvas de "velocidad" y "ace leración", sean continuas, esto es, que no contengan cambios en escalón. A veces, en aplicaciones de baja velocidad, se llega a un arreglo entre las relaciones de velocidad y aceleración. A veces es más sencillo emplear un proce dimiento inverso y disefiar primero el perfil de la leva, obteniendo el diagrama de desplazamientos como segundo paso. Este tipo de levas se compone a menudo de alguna combinación de curvas como rectas y arcos circulares que son produci dos con facilidad por las máquinas herramienta. Dos ejemplos son la leva dearco cir cular y la leva tangente de la figura 6-13. El procedimiento de disefio es por ite ración. Se disefia una leva de prueba y se calculan sus características cinemáticas. Entonces se repite el proceso hasta que se obtiene una leva con las características deseadas. Los puntos A, B, e y D de las levas de arco circular y tangente son pun tos de tangencia o de combinación. Conviene hacer notar, como se hizo antes en el ejemplo del movimiento parabólico, que la aceleración cambia bruscamente en cada uno de los puntos de combinación debido al cambio instantáneo en el radio de curvatura. Aunque las levas con características de aceleración discontinuas se encuentran a veces en aplicaciones de baja velocidad, con toda certeza tales levas presentan mayores problemas conforme se aumenta la velocidad. Para cualquier aplicación de leva de alta velocidad es extremadamente importante que no sólo se hagan con tinuas las curvas de desplazamiento y "velocidad", sino también la de "acele- D lb) lal Figur1l6-13 a) Leva de arco circular. b) Leva tangente.
- 237. DISEÑO DE LEVAS221 ración" para el ciclo completo del movimiento. No se deben permitir disconti nuidades en las fronteras de las diferentes secciones de la leva. Como lo muestra la ecuación (6-17), la importancia de las derivadas continuas se hace más seria conforme se eleva la velocidad del eje de la leva. Mientras más alta sea la velocidad, mayor será la necesidad de curvas suaves. A muy grandes velocidades también se podría requerir que el tirón, el cual está relacionado con llf' rapidez de cambio de la fuerza, y quizá incluso derivadas más altas, sea también continua. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones esto no es necesario. No se puede dar una respuesta sencilla a qué tan alta puede tenerse una ve locidad antes de que la aplicación requiera técnicas de disefio de alta velocidad. Es to depende no sólo de la masa del seguidor, sino también de la rigidez del resorte de recuperación, los materiales usados, la flexibilidad del seguidor y muchos otros factores.t En el capítulo 16 se presentan otras técnicas de análisis sobre la diná mica de las levas. Con todo, con los métodos que se incluyen a continuación, no resulta dificil lograr diagramas de desplazamientos con derivadas continuas. Por consiguiente, se recomienda que se realice esto corno práctica estándar. Las levas de movimiento parabólico no son más fáciles de fabricar que, por ejemplo, las de movimiento cicloidal, y no hay razones de peso para utilizarlas. Las levas de arco circular y tangente son más sencillas de producir; pero con los métodos de ma quinado modernos no resulta costoso el corte de levas de forma más compleja. 6-6 MOVIMIENTOS ESTÁNDAR DE LAS LEVAS En el ejemplo 6-1 se dio una deducción detallada de las ecuaciones para el mo vimiento parabólico y sus derivadas. Luego, en la sección 6-5 se expusieron ra zones para evitar el uso del movimiento parabólico en los sistemas de levas de alta velocidad. El propósito de esta sección es presentar las ecuaciones para un cierto número de tipos estándar de curvas de desplazamientos que es factible emplear para resolver requisitos de movimientos de levas de gran velocidad. No obstante, no se incluyen las derivaciones paralelas a las que se dieron en el ejemplo 6-1. En la figura 6-14 se ilustran el diagrama de desplazamientos y sus derivadas para una subida con movimiento armónico simple. Las ecuaciones son y = �(1 cos 7) , lTL 11'0 Y = 2f3 sen73 1f 1T2L 11'0 Y = 2f32 cos 73 (6-18a) (6-18b) (6-18c) t Se encontrará un buen análisis sobre este tema en D. Tesar y O.K. Matthew, The Dynamic Synthesis, Analysis, and Design 01Modeled Cam Systems, Heath, Lexington, Mass., 1976.
- 238. 222 TEORÍA DEMÁQUINAS y MECANISMOS figura 6-14 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento armónico simple de subida completa, ecuación (6-18). (6-18d) Contrariamente a lo que sucede con el movimiento parabólico, el armónico simple no presenta discontinuh;l'ad en el punto de inflexión. Las ecuaciones pata una subida con movimiento cicloidal y sus derivadas son y = L(!i-- 1 -sen 2?T(J ) f3 2?T f3 y' = �(1- cos 2 ;(J ) y" = 2?TL sen 2?T(J f3 y'" 4?T2L 2?T(J cos T En la figura 6-15 se muestran las gráficas. (6-19a) (6-19b) (6-19c) (6-19d) En la figura 6-16 se ilustra el diagrama de desplazamientos y las derivadas para un movimiento de subida denominado movimiento armónico modificado. Las ecuaciones son y y' ?T(J ) cos {i 1 ( 2?T(J )] ¡ l-cos T ?TL ( ?Te 2{3 sen f3 1 sen 2?T(J ) 2 (3 (6-20a) (6-20b)
- 239. DISE�O DE LEVAS223 + I L Figura 6-15 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento cicloidal d e subida completa, ecuación (6-19). (6-20c) (6-20d) Los diagramas de desplazamientos de los movimientos armónico simple, cicloidal y armónico modificado se antojan muy similares a primera vista. Todos ellos llegan hasta cierta elevación L en un ángulo total de la leva f3. Todos principian y terminan con una pendiente horizontal y, por esta razón, todos se conocen como movimientos de subida completa. No obstante, sus curvas de "aceleración" son + / / / .--.- + ?"--... /" / " / / /----..... /' "- ./ " / Figura 6-16 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento armónico modificado de subida completa, ecuación (6-20).
- 240. 224 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS muy diferentes. El movimiento armónico simple tiene "aceleración" diferente de cero en ambos extremos del recorrido; el movimiento cicloidal tiene una "acele ración" cero en ambas fronteras; y el armónico modificado tiene una "aceleración" cero y otra diferente de cero en sus extremos. Esto suministra la selección necesaria cuando se igualan estas curvas con las vecinas de tipos diferentes. En las figuras 6-17 a 6-19 se ilustran los movimientos de retorno completo de los tres mismos tipos. Las ecuaciones para el movimiento armónico simple son L ( 7T8 ) y ="2 1 +cOS If 1 7TL 7T(J Y =-�sen- 2(3 (3 II 7T2L 7T8 y == - 2(3 2 COS If ylll 7T3L 7T(J 2(3 3 senlf Las ecuaciones para el movimiento cicloidal de retorno completo son o -+,.... �y" y =L(t y ' = - �(1 y " = 27TL (J 1 27T(J ) ¡i+ 27T sen---¡¡- 27T8 ) cos ---¡¡- 27TO sen-- p 0/{3 y'U (6-21a) (6-21b) (6-21 e) (6-21d) (6-22a) (6-22b) (6-22c) Figura 6-17 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento armónico simple de retorno completo, ecuación (6-21).
- 241. DlSE�O DE LEVAS225 Figura 6-18 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento cicloidal de retorno com pleto. ecuación (6-22). y"'= (6-22d) Las ecuaciones para el movimiento armónico modificado de retorno completo son las siguientes: y = �[(1+COS7) - l(t-coS 2 ;6 )] (6-23a) , 1TL( 1TO 1 21T 6) Y = -2f3 sen7f+ '2 sen T (6-23b) Figura 6-19 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento armónico modificado de retorno completo, ecuación (6-23).
- 242. 226 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 11 1T2L( 1T(J 21T(J) Y = - 2{3 2 cos 7f+cos T ", 1T3L( 1T(J 2 21T(J) Y = 2{3 3 sen7f+ sen T (6-23c) (6-23d) Además de los movimientos de subida completa y retorno completo antes mencionados, con frecuencia resulta útil contar con una selección de movimientos estándar de media subida o medio retorno. Se trata de curvas para las que una de las fronteras posee una pendiente diferente de cero y se puede usar para combinar se con el movimiento uniforme. En la figura 6-20 se presentan los diagramas de desplazamientos y las derivadas para los movimientos armónicos simples de media subida, que a veces reciben el nombre de semiarmónicos. Las ecuaciones corres pondientes a la figura 6-20 son y = L (l-COS ;;) (6-24a) (6-24b) (6-24c) (6-24d) + + T i L 8/(3 y'" (a) (b) Figurá 6-20 Diagrama de desplazamientos y derivadas para movímientos semiarm6nicos de subida: a) ecuación (6-24), b) ecuación (6-25).
- 243. En el casode la figura 6-20b las ecuaciones son 7T'(} Y = L sen- 2{3 Y11/ 7T'3L 7t(} - 8{33eos 2{3 DISEÑO DE LEVAS 227 (6-25a) (6-25b) (6-25e) (6-25d) Las curvas semiarmónicas para movimientos de medio retorno aparecen ilus tradas en la figura 6-21. Las ecuaciones correspondientes a la figura 6-21 son 7T(} y = L eos 2{3 (6-26a) y ' 7tL 7T'() (6-26b) sen 2{3 y" 7T'2L 7t(} (6-26c) - 4{32eos 2{3 Y11/ 7t3L 7T'(} (6-26d) 8{33sen 2{3 8/{J (a) (b) Figura 6-21 Diagrama de desplazamientos y derivadas para movimientos semiarmónicos de retorno: a)ecuación (6-26), b) ecuación (6-27).
- 244. 228 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS En el caso de la figura 6-21b, las ecuaciones son , 11'L 11'(J Y =--cos- Yti 2(3 2(3 (6-27a) (6-27b) (6-27c) (6-27d) Además de los semiarmónicos, los movimientos semicicloidales también son útiles en virtud de que sus "aceleraciones" son cero en ambas fronteras. Los diagramas de desplazamientos y derivadas para los movimientos de media subida semicicloidales se ilustran en la figura 6-22. Las ecuaciones correspondientes a la figura 6-220 son + y'" (a) y = L(!- 1 sen 11'0) (3 11' (3 , L (l 11'0) Y = (3 -cos lf y" + (6-28a) (6-28b) (6-28c) 1 L j 8/(3 (b) Figura 6·22 Diagramas de desplazamientos y derivadas para movimientos semicicloidales de subida: al ecuación (6-28), b) ecuación (6-29).
- 245. Las ecuaciones parala figura 6-22b son y = L(!+!sen 11'f) ) � 11' � y' �(1+COS �) 11'1: 11'f) y" = -(i2 sen/f 11'2L 11'f) ylll=_ ycOS /f DISEÑO DE LEVAS 229 (6-28d) (6-29a) (6-29b) (6-29c) (6-29d) Las curvas semicicloidales para los movimientos de medio retomo se muestran en la figura 6-23. Las ecuaciones correspondientes a la figura 6-23a son (6-30a) (6-30b) Ol¡l (a) lb) Figura 6-23 Diagramas de desplazamientos y derivadas para movimientos semicicloidales de retorno: a) ecuación (6-30), b) ecuación (6-31).
- 246. 230 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 'lTL 'lT(J y"= - fj2sen{i m '17'2L 'lT(J Y =-ycos {i Las ecuaciones para la figura 6-23b son y= L(1 - * !sen t) y'= �(l+COS t) "_ 'lTL n 'lT(} y - fj2se f' 111 '17'2L 'lT(} Y = cos f' (6·jOc) (6-30d) (6-31a) (6·31b) (6-31c) (6-31d) En breve se mostrará cómo las gráficas y las ecuaciones presentadas en esta sección pueden reducir enormemente el esfuerzo analítico comprendido en el di seño del diagrama completo de desplazamientos para una leva de alta velocidad. Pero primero conviene destacar unas cuentas características de las gráficas de las figuras 6-14 a 6-23. Cada gráfica incluye sólo una sección de un diagrama de desplazamientos completo; la elevación total para esa sección se identifica como L en todos los casos y el recorrido total de leva se denota con {3. normalizada de tal manera que la razón 8/{3 varía desde O en el extremo izquierdo hasta la unidad en el extremo derecho «(J 1'). No se muestran las escalas que se usaron para trazar las gráficas, pero son coherentes para todas las curvas de subida y retomo completos, y para todas las curvas de media subida y medio retorno. Por consiguiente, al examinar lo apro piado que pueda ser una curva en comparación con otra, se pueden comparar, por ejemplo, las magnitudes de l,as "aceleraciones". Por esta razón, cuando otros fac tores son equivalentes, se debe usar el movimiento armónico simple siempre que sea posible, con el fin de minimizar las "aceleraciones". Por último, se debe hacer notar que los movimientos estándar para levas presentados en esta sección no forman un conjunto exhaustivo; que también es factible formar levas con buenas características dinámicas partiendo de una amplía variedad de otras curvas de movimiento posibles.t Sin embargo, el conjunto aquí presentado es lo suficientemente completo para la mayor parte de las aplicaciones. tH.A. Rothbart, Cams, Wiley, Nueva York, 1956, se trata de una obra realmente clásica sobre levas que contiene una comparación de 11 movimientos diferentes en la p. 184.
- 247. DISEÑO DE LEVAS231 6-7 IGUALACIÓN DE LAS DERIVADAS DE LOS DIAGRAMAS DE DESPLAZAMIENTOS En la sección anterior se presentaron una gran cantidad de ecuaciones que podrían usarse para representar los diferentes segmentos del diagrama de desplazamientos de una leva. En esta sección se estudiará cómo se pueden unir con el fin de formar la especificación de movimiento para una leva completa. El procedimiento consiste en determinar los valores apropiados de L y f3 para cada segmento, de tal manera que se cumplan las siguientes: l. Se satisfagan las necesidades de movimiento de la aplicación en particular. 2. Los diagramas de desplazamiento, "velocidad" y "aceleración" sean continuos a través de las fronteras de los segmentos. El diagrama del "tirón" puede ad mitir discontinuidades si es necesario, pero no debe hacerse infinito; es decir, la curva de "aceleración" puede contener vértices pero no dis¡;ontinuidades. 3. Las magnitudes máximas de los picos de "velocidad" y "aceleración" se man tengan tan bajos como sea posible, coherente con las dos condiciones previas. El procedimiento se comprende mejor si se aplica a un ejemplo. Ejemplo 6-2 _Una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo se impulsará con un motor de velocidad constante a 150 rpm. El seguidor debe partir de una detención, acelerar hasta una velocidad uniforme de 25 pulg/s, mantener esta velocidad a lo largo de 1.25 pulg de subida, des acelerar hasta la parte superior de la elevación, retornar y luego quedar en detención por 0.1 s. La elevación total será de 3.0 pulg. Determínense las especificaciones completas del diagrama de des plazamiento. SoLUCION La velocidad del eje de entrada es IV = 150 rpm '" 15.708 rad/s Aplicando la (6-14) se puede hallar la pendiente del segmento de velocidad uniforme, 25 pulg/s 15.708 rad/s = 1.592 pulg/rad (1) (2) y, puesto que ésta se mantiene constante en el curso de 1.25 pulg de subida, la rotación de leva en este segmento es 1.25 pulg - ---''--' '-- - = 0.785 rad 45.0000 1.592 pulg/rad (3) Del mismo modo, basándose en la (1), se puede hallar la rotación de leva durante la detención final, 0.1 s 1.047 rad = 60.0000 (4) 15.708 rad/s Partiendo de esto y la información dada, se puede hacer un esquema de los puntos de arran que del diagrama de desplazamiento, no necesariamente a escala, sino sólo para concebir las
- 248. 232 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECAÑISMOS necesidades de movimiento. Esto da los perfiles generales ilustrados por los trazos gruesos de la figura 6-24a. Las secciones con línea más delgada del diagrama de desplazamientos no se conocen aún con exactitud; pero también se pueden dibujar produciendo una curva suave para formarse una imagen clara. Partiendo de esta curva, también se puede hacer un esquema de la naturaleza general de las curvas de las derivadas. Con base en la pendiente del diagrama de desplazamientos, se dibuja la curva de "velocidad", figura 6-24b, y a partir de su pendiente se encuentra la curva de "aceleración", figura 6-24c. Por ahora no se realiza intento alguno por lograr curvas exactas trazadas a escala, sino sólo tener cierta idea de la forma de las mismas. Ahora, usando los esquemas de la figura 6-24, se comparan las curvas del movimiento deseado con las diversas curvas estándar de las figuras 6-14 a 6-23, con el fin de seleccionar un conjunto apropiado de ecuaciones para cada segmento de la leva. Por ejemplo, en el segmento AB, se en cuentra que la figuril 6-22a es la única curva de movimiento disponible con las características de media subida, una curva de pendiente apropiada y la "aceleración" cero necesaría en ambos ex tremos del segmento. Por lo tanto, se escoge el movimiento semicicloidal de la ecuación (6-28) para esa porción de la leva. Existen dos conjuntos de elecciones posibles para los segmentos eD y DE. Uno podría ser la opción de la figura 6-22b, igualándola con la figura 6-18; sin embargo, para mantener la curva del "tirón" tan suave como sea posible, se escogerá la figura 6-20b igualada con la figura 6-19. Así pues, en el caso del segmento eD se emplean las curvas de subida semiar mónica de la ecuación (6-25), y para el segmento DE se eligen las curvas de retorno armónico modificado de la (6-23). No obstante, la seleccí9Jl-de los tipos de curvas de movimiento no es suficiente para especi ficar plenamente las características de éste. También se deben hallar valores para los parámetros desconocidos de las ecuaciones del movimiento; estos son, L" L3, (3" ¡:J3, y 134. Esto se hace igualando los valores en cada frontera diferente a cero de las curvas de las derivadas. Por ejemplo, para igualar las "velocidades" en B, es preciso igualar el valor de y' de la (6-28b) en 8/13 = 1 (su extremo derecho) con el valor de y' en el segmento Be, o bien, 2LI Lz 1.25 pulg ¡:JI ¡:J2 = 0.785 rad LI =O.796¡:J¡ 1.592 pulg/rad (5) Análogamente, para igualar las "velocidades" en el punto e, se iguala el valor de y ' del seg mento Be con el de la ecuación (6-25b) en 9113 O (su extremo izquierdo) o bien, (6) Para igualar las "aceleraciones" (curvaturas) en el punto D, se iguala el valor de y. de la ecuación (6-25c) en fJlfJ = 1 (su extremo derecho) con y " de la (6-23c) en fJlfJ =O (su extremo iz quierdo). Esto da " 17'2LJ 17'2L. YD = - 4fJj = - fJl y después de aplicar la (6) se obtiene fJ3 0.0844¡:J¡ Por último para la compatibilidad geométrica, se tiene y L, + L3 L. - L2 = 1.75 pulg �+�+�=h-�-� 4�l rnd (7) (8) (9)
- 249. DISEIIlO DE LEVAS233 y D rt' L 2 2 L4 (a) F 3600 8 131 132 133 (34 y' 2 O 8 -2 lb) -4 -6 f O -2 (e) -4 -6 Flgura 6-24 Ejemplo 6-2: a) diagrama de desplazamientos, pulgadas; b) diagrama de "velocidades", pulgadas por radián y e) diagrama de "aceleraciones", pulgadas por radián al cuadrado.
- 250. 234 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Resolviendo simultáneamente las cinco ecuaciones (5 a 9) para las incógnitas Lh L3. fJl> fJ). fJ•• se determinan los valores apropiados de los parámetros restantes. Por ende, en resumen se tiene que L, 1.264pulg /3, = 1.589 rad = 91.040 Lz 1.�50 pulg /32 = 0.785 rad = 45.000 L3 = 0.486 pulg fJ3 = 0.479 rad 27.460 (lO) L4 = 3.000 pulg fJ4 = 2.382 rad = 136.500 L; O fJ5 = 1.047 cad = 60.000 Ahora si se puede hacer un trazado exacto del diagrama de desplazamientos y, si así se desea, también de sus derivadas para substituir los dibujos originales. Las curvas de la figura 6-24 se han trazado a escala utilizando estos valores. 6-8 DISEÑO POLINOMIAL DE LEVAS Aunque la diversidad de Cillvas básicas estudiadas en secciones anteriores por lo común son adecuadas, evidentemente no representan una lista exhaustiva de los movimientos que podrian usarse en el diseño de levas. Otro método común para diseñarlas consiste en sintetizar las curvas de movimiento adecuadas usando ecuaciones polinomiales. Se principia con la ecuación básica y= Co+CI�+C2(�r+C3(�r+... (6-32) en donde y y 8 son, como antes, el movimiento de subida y de entrada de la leva. El valor de {3 representa el recorrido total de (J tal que para la sección de leva que se está desarrollando, la razón 0/{3 varía de O a l. Las constantes C; dependen de las condiciones impuestas en la frontera. Por lo común se logra desarrollar un movimiento apropiado mediante la selección correcta de las condiciones en la frontera y el orden del polinomio. Como ejemplo del método polinomial, sinteticemos una curva de subida com pleta con las condiciones en la frontera 0 =0 y O y'=O y"=O o = {3 y = L yl O y"=O Puesto que hay seis condiciones, la (6-32) se escribe con seis constantes desco nocidas (a) La primera y segunda derivadas con respecto a () son (b) 11 ¡ f
- 251. DISEÑO DE LEVAS235 Cuando se sustituyen las condiciones en la frontera, se obtienen las seis ecuaciones que siguen O=Co L=Co+Cl + C2+Cl+C4+Cs O=C¡ 0=Cl+2C2+3C3+4C4+5Cs O=2C2 0=2C2 + 6C3 + 12C4+20Cs Cuando estas ecuaciones se resuelven simultáneamente, se obtiene Co=O C¡=O C4=-15L Cs=6L (d) (e) (f) (g) (h) (i). La ecuación de desplazamiento se obtiene sustituyendo estas constantes en la ecuación (a), (6-33a) Esto recibe el nombre de movimiento polinomial 3-4-5 de subida completa, debido a las potencias de los términos restantes. Sus derivadas son y'=�[30(jr-60(jY+30(jYJ y"=�2[60 j-180(jr+120(j)] Y111=�[60-360 j+360(jr] (6-33b) (6-33c) (6-33d) En la figura 6-25, se tiene la gráfica del diagrama de desplazamientos y sus deri vadas. Las propiedades son similares a las del movimiento cicloidal, empero claramente diferentes. Las ecuaciones para el movimiento polinomial 3-4-5 de retorno completo se obtienen aplicando un procedimiento paralelo, y son y=L[l-lO(jY+lS(jY-6(jYl y'=-�[30(jr-60(jY+30(jYJ (6-34a) (6-34b)
- 252. 236 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS + I L Figura 6-25 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento polinomial 3-4-5 de subida completa, ecuación (6-33). y " = -�2[60�-180(�r+120(�y] y '" = -�[60-360�+360(�rJ (6-34c) (6-34d) En la figura 6-26 se muestra el diagrama de desplazamientos correspondientes y sus derivadas. Otro movimiento muy útil es el que se obtiene a partir de un polinomio de oc tavo orden. Se obtuvo con el propósito de tener características de "aceleración" Figura 6-26 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento polinomial 3-4-5 de retorno completo, ecuación (6-34).
- 253. DISE-¡;¡O DE LEVAS237 + I L Figura 6-27 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento polinomial de octavo or den, de subida completa, ecuación (6-35). no asimétricas. semejantes a las del movimiento armónico modificado, pero con valores pico de la "aceleración" más bajos. En las figuras 6-27 y 6-28 se ven los diagramas de desplazamientos y las derivadas. En el caso del movimiento de su� bida completa de la figura 6-27 las ecuaciones son + y = L[6.097 55(�r-20.780 4O(�y+26.731 55(�r -13.609 65(�r+2.560 95 (�rJ (6-35a) y" e/{3 Figura 6-28 Diagrama de desplazamientos y derivadas para el movimiento polinomial de octavo or den, de retorno completo, ecuación (6-36).
- 254. 238 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS y ' = �[18.292 65(*r-103.902 OO(*r+160.389 30(*r - 95.267 55(*r+ 20.487 60(*YJ y " = �2[36.585 30(*)-415.608 OO(�y+801.946 50(*r -571.605 30(*Y+143.413 20(*YJ y lll = �[36.585 30 1246.824 OO(*r+3207.786 00(*/ 2858.026 50(*r+860.479 20(*YJ (6-35b) (6-35c) (6-35d) Para los movimientos polinomiales de octavo orden de retorno completo de la figura 6-28, las ecuaciones son y = L[1.000 00 - 2.634 15(*r+2.780 55(�y +3.170 60(�r-6.877 95(�y+2.560 95(�r] y ' = - �[5.268 30 *-13.902 75(�r-19.023 6O(�y +48.145 65(*r-20.487 60(�YJ y " = - �2[5.268 30 -55.611 OO(�r 95.118 00(�)4 +288.873 9O(�y-143.413 20(�rJ y �3[166.833 OO(�r+380.472 OO(�y 1444.369 50(*r+860.479 20(*YJ (6-36a) (6-36b) (6-36c) (6-36d) También son de uso común ecuaciones polinomiales de desplazamiento de un orden mucho más elevado y que satisfacen muchas más condiciones que las aquí presentadas. Stoddartt desarrolló procedimientos automatizados para determinar t D.A. Stoddart, "Polydyne Carn Design", Mach. Des., vol. 25, no. 1, pp. 121-135; vol. 25, no. 2, pp. 146-154; vol. 25, no. 3, pp. 149-164, 1953.
- 255. DISEÑO DE LEVAS239 los coeficientes y, al mismo tiempo, demostró cómo se pueden elegir los coeficien tes para compensar la deformación elástica del sistema del seguidor, bajo con· diciones dinámicas. Este tipo de leva recibe el nombre de leva polidina. 6-9 LEVA DE PLACA CON SEGUIDOR OSCILANTE DE CARA PLANA Una vez que se ha determinado por completo el diagrama de desplazamientos de un sistema de leva, como se describió en la sección 6-7, se puede realizar el trazado de la forma real de la leva, como se sefiala en la sección 6-3. Sin embargo, se re cordará que al trazar la leva es necesario conocer unos cuantos parámetros más, dependiendo del tipo de leva y seguidor, verbigracia, el radio del círculo primario, cualquier distancia de excentricidad, el radio del rodillo, y así sucesivamente. Asimismo, como se verá, cada tipo diferente de leva se puede sujetar a ciertos problemas más, a menos que se elijan correctamente estos parámetros restantes. En esta sección se estudian los problemas que es factible encontrar en el di sefio de una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo y cara plana. Los parámetros geométricos de este tipo de sistema que todavía pueden selec cionarse son el radio del círculo primario Ro. la excentricidad E del vástago del seguidor y la anchura mínima de la cara del seguidor. f'igura 6-29 Trazado de socavación de una leva de placa.
- 256. 240 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS En la figura 6-29 se muestra el trazado de una leva de placa con un seguidor radial de movimiento alternativo y cara plana. En este caso, el desplazamiento elegido fue una subida cicloidal de L 100 mm en /31 = 90° de rotación de la leva, seguido por un retorno cicloidal en el restante /32 = 2700 de rotación de la leva. Se siguió el procedimiento de trazado de la figura 6-10 para desarrollar la forma de la leva, y se usó un radio del circulo primario de Ro = 25 mm. Evidentemente, existe un problema en vista de que el perfil de la leva se cruza a si mismo. Al maquinar, parte de la forma de la leva se perdería y de allí en adelante no se lo graría el movimiento cicloidal que se pretende. Se dice que una leva de esta na turaleza está socavada. ¿Por qué ocurrió la socavación en este ejemplo y cómo se puede evitar? Se debió a que se trató de alcanzar una elevación demasiado grande dentro de una rotación de leva en extremo reducida, con una leva muy pequeña. Una posibilidad es reducir la elevación deseada L o aumentar la rotación de la leva {3J , con el fin de evitar el problema. Sin embargo, es probable que no se pueda hacer esto y lograr al mismo tiempo los objetivos del diseño. Otra solución es utilizar las mis mas características de desplazamiento pero incrementando el radio del círculo primario Ro. Esto producirá una leva de mayor tamaño, pero con el suficiente . aumento se vencerá el problema de socavado. No obstante, si es posible predecir el radio mínimo del círculo primario Ro para evitar el socavado, se ahorrará el esfuerzo de un procedimiento de trazado por tanteos. Esto se logra desarrollando una ecuación para el radio de curvatura del perfil de la leva; procedimiento que se inicia escribiendo la ecuación de cierre Figura 6-30
- 257. DISE�O DE LEVAS241 del circuito usando los vectores que se muestran en la figura 6-30. Si se utiliza la notación compleja polar, ésta es rei(O...a)+jp = j (Ro+y)+ s (a) Aquí se han elegido cuidadosamente los vectores de tal modo, que el punto e es el centro instantáneo de curvatura y p el radio de curvatura correspondiente al punto de contacto actual. La recta a lo largo del vector n, que separa a los ángulos 8 y a está fija sobre la leva y es horizontal para la posiciÓn de la leva 8 = o. Al separar las partes real e imaginaria de la (a), se tiene rcos (8+a) s rsen (e+a)+ p = Ro+y (b) (e) Puesto que el centro de curvatura e es estacionario sobre la superficie de la leva, las magnitudes de r, a y p no cambian para variaciones pequeñas en la rotación de leva;t dicho de otra manera, dr/d8 = da/de= dpld8 = O. De donde al derivar la ecuación (a) con respecto a 8, se obtiene jre!(9+<» = jy'+ ds d8 y esto también se puede separar en sus partes real e imaginaria, ds -rsen(8+a)= dO r cos (e+a)= y' Entre las ecuaciones (b) y (j) se puede eliminar e+a y se encuentra s = y ' Asimismo, después de derivar esto con respecto a (J ds " de = y (d) (e) (j) (6-37) (g) se puede eliminar e+a entre las ecuaciones (e) y (e), y luego sustituir la ecuación (g) con el fin de obtener una solución para p P Ro+y+y " (6-38) Conviene destacar con gran cuidado la utilidad de la ecuaciÓn (6-38); afirma que se puede hallar el radio de curvatura de la leva para cada valor de rotaciÓn 6 de la leva, partiendo directamente de las ecuaciones del desplazamiento sin trazar el per fil de la leva. Lo único que se necesita es el valor para Ro Y los valores del des plazamiento, así como su segunda derivada. t Los valores de r, a, y p no son constantes; pero en el momento presente se encuentran en valores estacionarios; sus derivadas de orden superior son diferentes de cero.
- 258. 242 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Se puede usar esta ecuación para ayudar a elegir un valor de Ro que evitará la socavación. Cuando ésta ocurre, el radio de curvatura cambia de signo de positivo a negativo. Si se está al borde de una socavación, la leva tenderá a un punto y P será cero para algún valor de 8. Se puede decir que se debe elegir Ro lo suficien temente grande como para que nunca sea éste el caso. De hecho, para evitar gran des esfuerzos de contacto, es posible que se desee tener la seguridad de que p sea en todos los puntos mayor que algún valor especificado Pmm' Luego, partiendo de la (6-38), se debe exigir que p=Ro+y+y">Pmln Puesto que Ro y Y son siempre positivos, la situación crítica ocurre en donde y" tiene su valor negativo más grande. Denotando este mínimo de y" y Y'�in' y recor dando que y corresponde al mismo ángulo de la leva 6, se tiene la condición (6-39) que se debe satisfacer. Esto se corrobora con suma facilidad una vez que se han es tablecido las ecuaciones del desplazamiento y se puede elegir un valor apropiado de Ro, antes de que se intente el trazado de la leva. Volviendo ahora a la (6-37), se observa en la figura 6-30 que esto también puede ser de uso práctico. Afirma que la distancia de recorrido del punto de con tacto hacia cualquiera de los lados del centro de rotación de la leva corresponde precisamente con la gráfica de y'. Por lo tanto, la anchura mínima de la cara para el seguidor de cara plana se debe extender por lo menos y;"áx hacia la derecha y -y�n hacia la izquierda del centro de leva, a fin de mantener el contacto. En otras palabras, Anchura de cara> y;"áx -y;"in (6-40) Ejemplo 6-3 Suponiendo que las características de desplazamiento que se encontraron en el ejem plo 6-2 se van a lograr mediante una leva de placa con un seguidor de movimiento alternativo y cara plana, determínese la anchura mínima de la cara y el radio mínimo del circulo primario para asegurar que el radio de curvatura de la leva sea mayor que 0.25 pulg en todo punto. SOLUCIÓN Con base en la figura 6-24b, se ve que la "velocidad" máxima ocurre en la sección Be y es 1.59 pulg/rad La "velocidad" mínima se produce en la sección DE en 8f{3. = l. Según la (6-23b), su valor es , 7T(1.250)( 7T 1 21/') Ymín= -2(0.785) sen 3 + 2 sen T = -3.25 pulg/rad De donde, por la ecuación (6-40), la anchura minima de la cara es Anchura de cara> 1.59+ 3.25 = 4.84 pulg Resp. Esto se lograría con 1.59 pulg hacia la derecha y 3.25 pulg hacia la izquierda del eje de rotación de la leva, y se agregaría alguna holgura apropiada � cada lado.
- 259. DISEI'lO DE LEVAS243 La "aceleración" negativa máxima ocurre en el punto D. Se puede hallar su valor con la ecuación (6-25c) en 6/P = 1 " 1T2(0.486) y_= 4(0.479)2 5.23 pulg/rad2 Si se usan estos datos en la (6-39), se encuentra el radio mínimo del circulo primario. Ro> 0.25 + 5.23 - 3.0 = 2.48 pulg Resp. Para este cálculo entonces se elegirla el radio real del circulo primario como, por ejemplo, Ro 2.50 pulg. Se ve que la excentricidad del vástago del seguidor de cara plana no afecta la geometria de la leva. Esta excentricidad se escoge casi siempre de tal modo que se alivien los grandes esfuerzos de flexión en el seguidor. Si se examina una vez más la figura 6-30, se puede escribir otra ecuación de cierre del circuito, ue}e+ vei(B+1tf2) =j(Ro+y)+s en donde u y v denotan las coordenadas del punto de contacto, en un sistema de coordenadas agregado a la leva. Al dividir esta ecuación entre eilJ, se obtiene u +jv =j(Ro+y)e-ilJ+se-jI que tiene como partes real e imaginaria a u =(Ro+ y) sen S+ y' cos 8 v =(Ro+y)eos 8- y' sen8 (6-41a) (6-4th) Estas dos ecuaciones dan las coordenadas del perfil de la leva y proporcionan una alternativa para el procedimiento de trazado que se da en la figura 6-10. Se pueden usar para generar una tabla de datos de coordenadas rectangulares numéricas a partir de las cuales se puede maquinar la leva. Las ecuaciones en coordenadas polares para estos mismos datos son y 7T I/!=--() 2 tan-1- y - ' Ro+y 6·10 LEVA DE PLACA CON SEGUIDOR OSCILANTE DE RODILLO I (6-42a) (6-42h) En la figura 6-31 se muestra una leva de placa con un seguidor de movimiento al ternativo y de rodillo. Se observa que faltan por elegir tres parámetros geomé tricos, después de completar el diagrama de desplazamientos, antes de que se pueda realizar el trazado de la leva. Estos son el radio del círculo primario Ro, la excentricidad E', y el radio del rodillo R,. También hay dos problemas potenciales
- 260. 244 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS que es necesario considerar al elegir estos parámetros: uno de ellos es la socavación y el otro un ángulo de presión inadecuado. El ángulo de presi6n es el comprendido entre el eje del vástago del se guidor y la linea de acción de la fuerza ejercida por la leva sobre el seguidor de rodillo, la normal a la curva de paso que pasa por el punto de trazo. El ángulo de presión se denota por <p en la figura. Sólo la componente de la fuerza a lo largo de la linea de movimiento del seguidor resulta útil para contrarrestar la carga de salida; la componente perpendicular debe mantenerse en un valor bajo para re ducir la fricción de deslizamiento entre el seguidor y su guía. Si el ángulo de presión es demasiado grande, aumentará el efecto de fricción y puede hacer que el seguidor sufra una traslación que produzca un traqueteo o incluso un atascamien to. Los ángulos de presión en la leva de hasta aproximadamente 30 a 35° se con sideran como los más grandes que es factible usar sin provocar problemas. En la figura 6-31 se ve que la normal a la curva de paso se interseca con el eje horizontal en el punto P24, el centro instantáneo de velocidad entre la leva 2 y el seguidor 4. Puesto que el seguidor se está trasladando, todos sus puntos tienen velocidades iguales a la de P24• Pero ésta también debe ser igual a la velocidad del punto coincidente del eslabón 2, VP24 = Y = WRp24� Dividiendo entre w y aplicando la (6-14), esto se puede reducir a una relación es trictamente geométrica, Figura 6-31
- 261. DISEÑO DE LEVAS245 Esta se puede escribir en términos de la excentricidad y el ángulo de presión, y' = € + (a + y) tan <p (a) en donde, como se muestra en la figura 6-31, a es la distancia vertical del eje de la leva hasta el círculo primario, (b) Al hacer la substitución de esto en la (a) y resolviendo para <p, se obtiene una ex presión para el ángulo de presión, Y' _€ (/J = tan-) -ré=::;--- . VR3-e2+ y (6-43) A partir de esta ecuación se ve que una vez que se han determinado las ecuaciones del desplazamiento y, se pueden ajustar dos parámetros Ro y e para obtener un ángulo de presión apropiado. Se observa también que <p está cambiando conti nuamente conforme gira la leva y, por ende, se tiene interés en estudiar los valores extremos de <p. En primer lugar consideremos el efecto de la excentricidad. En vista de la for ma de la ecuación (6-43), se ve que al aumentar ti. se incrementa o disminuye la magnitud del numerador, dependiendo del signo de y'. Por lo tanto, se puede usar una pequeña excentricidad ti. para reducir el ángulo de presión <p durante el movimiento de subida, cuando y ' es positiva; pero sólo a costa de un ángulo de presión incrementado durante el movimiento de retorno, cuando y' es negativa. Aún más, puesto que las magnitudes de las fuerzas son casi siempre mayores durante la subida, es práctica común descentrar el seguidor para aprovechar esta reducción en el ángulo de presión. Se puede producir un efecto mucho más significativo en la reducción del án gulo de presión incrementando el radio Ro del círculo primario. Para estudiar este efecto, tomemos el enfoque conservador y supongamos que no existe excentrici dad, E = O. Entonces la ecuación (6-43) se reduce a <p = tan-l - y - Ro+ Y (6-44) Para encontrar los valores extremos de y' es posible derivar esta ecuación con respecto a la rotación de la leva e igualarla a cero, encontrando así los valores de (j que proporcionan el ángulo de presión máximo y mínimo. No obstante, éste es un proceso matemático tedioso y se puede evitar utilizando el nomograma de la figura 6-32. Este nomograma se produjo al investigar en una computadora digital el valor máximo de <p con base en la ecuación (6-44), para cada una de las curvas estándar de movimiento de subida completa de la sección 6-6. Con el nomograma se está en posición de emplear los valores conocidos de L y f3 para cada segmento del dia grama de desplazamientos, y tomar una lectura directa del ángulo máximo de presión que ocurre en ese segmento, para una elección particular de Ro. De otro
- 262. 246 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS modo, se puede escoger un ángulo de presión maxlmo deseado y determinar un valor adecuado de Ro. El proceso se ilustrará con mayor claridad mediante el siguiente ejemplo. Ejemplo 6-4 Suponiendo que se van a lograr las características de desplazamiento del ejemplo 6-2 por medio de una leva de placa con seguidor radial de movimiento alternativo y rodillo, deter mínese el radio mínimo del circulo primario tal que el ángulo de presión no sea mayor que 300• SOLUCION Cada sección del diagrama de desplazamientos se comprueba sucesivamente usando el nomograma de la figura 6-32. Para la sección AB de la figura 6-24, se tiene un movimiento semicicloidal con /31 = 910 y Ll = 1.264 pulg. Puesto que se trata de una curva de media subida, en tanto que la figura 6-32 es para curvas de subida completa, es necesario duplicar tanto /31 como Lb pretendiendo con ello que la curva sea de subida completa; esto da /3 = 1820 y L = 2.53 pulg. A continuación, conec tando una recta desde /3 = 1820 hasta <Pmáx = 300, en la escala inferior del eje central del no mograma se lee un valor de RolL = 0.65, a partir de lo cual se obtiene Ro = 0.65(2.53)= 1.64pulg El segmento BC no requiere comprobación alguna puesto que su ángulo máximo de presión ocurre en la frontera B y no puede ser mayor que el del segmento AB. El segmento CD tiene movimiento semiarmónico con /33 = 27.50 Y L3 = 0.486 pulg. Una vez más, puesto que se trata de una curva de media subida, estos valores se duplican y se deben usar f3 = 55°, L = 0.972 pulg. Luego, en el nomograma se encuentra RolL = 2.4, de lo cual Ro = 2.4(0.972)= 2.33 pulg • Sin embargo, aquí se debe tener cuidado extremo. Este valor es el radio de un círculo primario para el que el eje horizontal de la curva duplicada, la armónica completa tiene y = O; éste no es el Ro que se busca ya que el eje horizontal de la armónica completa tiene un valor y diferente de cero igual a y= 3.00 - 0.972 = 2.03 pulg 'El valor apropiado de Ro para esta situación es Figura 6-32 Nomograma que reiaciona el ángulo máximo de presión <Pmáxcon el radio del círculo primario Ro, la elevación L y el ángulo activo de la leva f3 para levas de seguidor radial y rodillo con movimiento armónico simple, cicloidal o armónico modificado de subida completa o retorno completo.
- 263. DISEÑO DE LEVAS247 Ro= 2.33 -2.03= 0.30 pulg A continuación se comprueba el segmento DE, que tiene movimiento armónico modificado con /3. = 136.5° Y L.= 3.00 pulg. En vista de que se trata de una curva de movimiento de retor no completo, no es necesario realizar ajuste alguno. En el nomograma se encuentra RolL = 1.00 Y Ro = 1.00(3.00)= 3.00 pulg Para asegurarse de que el ángulo de presión no sobrepase a 30° a lo largo de todos los seg mentos de la leva, es necesario elegir el radio del CÍrculo primario por lo menos tan grande como el máximo de estos valores predichos. Tomando en cuenta la imposibilidad de obtener lecturas de gran precisión en el nomograma, se podría elegir un valor mayor, como por ejemplo, Ro= 3.25 pulg Resp. Ahora que se ha seleccionado un valor final, se puede usar una vez más la figura 6-32 para encon trar el ángulo máximo real de presión en cada segmento. AB: CD: DE: Ro = 3.25 = 1 28 L 2.53 . Ro = 5.28 = 5 45 L 0.97 . Ro = 3.25 = 1 08 L 3.00 . cPmáx= 2 1° cPmáx= 16° cPmáx= 29" Aunque se ha proporcionado el círculo primario para dar un ángulo de presión satisfactorio, sigue existiendo la posibilidad de que el seguidor no complete el movimiento deseado; si la curvatura de la curva de paso es demasiado brusca, el perfil de la leva puede resultar socavado. En la figura 6-13a se presenta una por ción de la curva de paso de una leva y dos perfiles de leva generados por dos ro dillos de diferente tamaño. El perfil de leva generado por el rodillo más grande ;e U �a �;j/ ;' / / / / ' / " />/ / /Perfil de la leva (rodillo pequel'lQ) Figura 6-33 (a) Perfil de la leva (rodillo grande) (b)
- 264. 248 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS tiene una socavaciÓn y se dobla sobre sí mismo. El resultado, después de ma quinar, es una leva puntiaguda que no produce el movimiento deseado. En esta misma figura es evidente también que el rodillo más pequeño, moviéndose sobre la misma curva de paso genera un perfil de leva satisfactorio. Del mismo modo, si el círculo primario y, por ende, el tamaño de la leva se aumenta lo suficiente, el rodillo más grande funcionará satisfactoriamente. En la figura 6-33b se ve que el perfil de la leva será puntiagudo cuando el radio del rodillo Rr es igual al radio de curvatura de la curva de paso. Por con siguiente, para lograr algún valor mínimo elegido Pmín para el radio mínimo de cur vatura del perfil de la leva, el radio de curvatura de la curva de paso siempre debe ser mayor que este valor en un cantidad igual al radio del rodillo. Ppaso = P +Rr (e) Ahora, en el caso de un seguidor radial de rodillo, las coordenadas polares de la curva de paso son () y R=Ro+y (d) Tomando como base cualquier texto estándar de cálculo diferencial, se puede es cribir la expresión general para el radio de curvatura de una curva en coordenadas polares; éste es Ppaso = P + Rr (6-45) Al igual que antes, es posible derivar esta expresión con respecto a la rotación de la leva (J y, por tanto, buscar el valor mínimo de P para una elección particular de la ecuación de desplazamiento y, y un radio particular del círculo primario Ro. No obstante, puesto que esto sería un cálculo sumamente tedioso de repetir para cada nuevo diseño de leva, se ha encontrado el radio mínimo de curvatura gracias a un programa de computadora digital para cada uno de los movimientos estándar de leva de la sección 6-6; los resultados se presentan gráficamente en las figuras 6-34 a 6-38. Cada una de estas figuras muestran las gráficas de (Pmin + Rr)!Ro contra f3 para un tipo de curva de movimiento estándar, con varias razones de RolL. Puesto que se ha resuelto para el diagrama de desplazamientos y se ha elegido un valor de Ro, se puede comprobar cada segmento de la leva para encontrar su radio mínimo de curvatura. Para ahorrar incluso más esfuerzo, no es necesario comprobar aquellos seg mentos de la leva en donde y se mantiene positiva en todo el segmento, como los movimientos de medida subida de las ecuaciones (6-24) y (6-28), o los movi mientos de medio retorno de las ecuaciones (6-27) y (6-31). Suponiendo que se ha hecho continua la curva de "'aceleración", no puede presentarse el radio mínin:o de curvatura de la leva en estos segmentos; la ecuación (6-45) da Pmin = Ro Rr para cada uno de ellos.
- 265. DISEril'O DE LEVAS249 Ejemplo 6-5 Suponiendo que se van a lograr las características de desplazamiento del ejemplo 6-2 por medio de una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo y rodillo, determínese el radio mínimo de curvatura del perfil de la leva, para lo cual se puede usarunradiodelcírculo primario de Ro = 3.25 pulg y un radio del rodillo de Rr = 0.5 pulg. SOLUCIÓN Para el segmento AB de la figura 6-24, no hay necesidad de comprobar puesto que y" es positiva en todo el segmento. Para el segmento CD se tiene {33 = 27.46° Y L3= 0.486 pulg, de lo cual se obtiene en donde Ro se ajustó mediante LI + L2, en vista de que las gráficas de la figura 6-37 se trazaron para y = O en la base del segmento. Utilizando la figura 6-37b, se encuentra (Pmin+ Rr)/Ro = 0.57 y, por ende, Pmín= 0.57Ro-R,= 0.57(5.76) -0.50 = 2.78 pulg en donde, una vez más, se empleó el valor ajustado de Ro. Para el segmento DE se tiene {34 = 136.5° Y L4 = 3.00 pulg, de lo cual Ro/L = 0.92. Recurriendo a la figura 6-36a, se encuentra (Pm," + Rr)/Ro = 1.00 y Pmin = l.OORo-R, = 3.25 -0.50= 2.75 pulg Después de elegir el valor más pequefio, se encuentra que el radio mínimo de curvatura de todo el perfil de la leva es Pmín = 2.75 pulg Resp. Las coordenadas rectangulares del perfil de una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo con rodillo, están dadas por u = CVRfi- e2+ y) sen 8+ ecos 8+ Rr sen(cfJ - 8) v = eVRfi- e2+ y) cos 8 - esen 8 - Rr cos (cfJ - 8) (6-46a) (6-46b) en donde cfJ es el ángulo de presión dado por la (6-43). Las coordenadas polares son R = V(vRfi- E2+ Y - Rr cos cfJ)2+ (e+ Rr sen cfJf '" = _ 8+ tan-I VRfi- E2 - Rr cos cfJ E + Rr sen cfJ (6-47a) (6-47b) En esta sección y en la anterior se examinaron los problemas que resultan de la elección inadecuada del radio del círculo primario, para una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo. Aunque las ecuaciones son diferentes para seguidores oscilantes y otros tipos de levas, se puede seguir un método similar para
- 266. 250 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 2.000 rr...,.,-'-rT-.-¡--r--'-rT"T""T-r-rT-.-¡--r-"""--'rT-.-,.,...,-,rr..,.,-,-...-r--,-,-,--, 1.500 e § Il:::� + 1.000 e E 3 .500 100 100 Curvas armónicas 200 300 400 i3 (grados) Curvas armónicas 200 300 400 i3 (Grados) Figura 6-34 Radio mínimo de curvatura para las levas de seguidor radial y rodillo con movimiento armónico simple de subida completa o retorno completo, ecuaciones (6-18) y (6-21). (Tomado de M.A. Ganter y J. J. Uicker, Jr. , J. Mech. Des. , ASME Trans. , ser. B, vol. 101, no. 3, pp. 465-470, 1979, con autorización.) (a) (b)
- 267. DISEÑO DE LEVAS251 Curvas cicloidales 50 100 150 200 !3 (grados) (a) 1.000 .800 <> � Curvas cicloideles -.. I:G .600 .400 .200 .000 0 50 100 150 200 !3 (grados) (b) Figura 6-35 Radio mínimo de curvatura para levas de seguidor radial y rodillo, con movimiento ci cloidal de subida completa o retomo completo, ecuaciones (6-19) y (6-22). (Tomado de M.A. Ganter y J.J. Uicker, Jr., J. Mech. Des., ASME Trans., ser. B, vol. /01, no. 3, pp. 465-470, 1979, con autori zación.)
- 268. 252 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 1.200 r-T'"'T""T-,-r-r-r-T-,--,...,--r-;-,-,..-,--,-r-r--r-T""-r-T'"-r-T-'-"""--r-T-,--,...,..-r-;-,-T""T"'"l 1.000 Curvas armónicas modificadas .400 .200 100 150 (3 Igrados) (a) Curvas armónicas modificadas .400 .200 50 100 {3 (grados) 150 200 (bl Figura 6·36 Radio mínimo de curvatura para levas con seguidor radial y rodillo, con movimiento a!" mónico modificado de subida completa o retorno completo, ecuaciones (6-20) y (6-23). (Tomado de M.A. Ganter y J. J. Uicker, Jr., J. Mech. Des., ASME Trans., ser. B, vol. 101, no. 3, pp. 465-470, 1979, con autorización.)
- 269. DISEÑO DE LEVAS253 Curvas semiarmónicas .000 O 50 100 150 200 {3 (grados) (a) 1.200 ., 1.000 .800 50 Curvas semiarmónicas 25 10 .600 .400 .200 50 100 150 200 (3 (grados) lb) Figura 6-37 Radio mínimo de curvatura para levas con seguidor radial y rodillo con movimiento se mlarmónico, ecuaciones (6-25) y (6-26). (Tomado de M.A. Ganter y J.J. Uicker, Jr., J. Mech. Des., ASME Trans., ser. B, vol. 101, no. 3, pp. 465-470, 1979, con autorización.)
- 270. 254 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 50 50 100 {j (grados) (a) 100 f3 (grados) Curvas se micidoidales 150 Curvas semicicloidales 150 200 (b) Figura 6-38 Radio mínimo de curvatura para levas con seguidor radial y rodillo en movimiento se micicloidal, ecuaciones (6-29) y (6-30). (T omado de M.A. Ganter y J. J. Uicker, Jr., J. Mech. D<!.s., ASME Trans., ser. B. vol. 101, no. 3, pp. 465-470, 1979. con autorización.)
- 271. DISEÑO DE LEVAS255 evitar la socavaciónt y ángulos de presión severos.:t: También se pueden desarrollar ecuaciones semejantes para datos de perfiles de leva. § Chen realizó una com pilación excelente de investigaciones sobre publicaciones actuales que se ocupan del diseño de levas. 11 PROBLEMAS �1 El seguidor de movimiento alternativo, radial y de r odillo, de una leva de placa debe subir 2 pulg con movimiento armónico simple en 180° de rotación de la leva, y retornar con movimiento armónico simple en los 180° restantes. Si el radio del rodillo es de 0.375 pulg y el del círculo primario es de 2 pulg constrúyase el diagrama de desplazamientos, la curva de paso y el perfil de la leva para una rotación de ésta en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj. 6-2 Una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo y cara plana debe tener el mismo mo vimiento que el mencionado en el problema 6-1. El radio del círculo primario será de 1.5 pulg y la leva girará en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj. Constrúyase el diagrama de des plazamientos y el perfil de la leva, dándole al vástago del seguidor una excentricidad de 0.75 pulg, en la dirección que reduce el esfuerzo de flexión en el seguidor durante la subida. 6-3 Constrúyase el diagrama de desplazamientos y el perfil de la leva para una leva de placa con se guidor radial oscilante de cara plana, que sube 30° con movimiento cicloidal en 150° de rotación de la leva en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj, luego tiene una detención du rante 30°, retorna con movimiento cicloidal en 120° y tiene otra detención en el curso de 60°. Deter mínese gráficamente la longitud necesaria de la cara del seguidor, permitiendo una holgura de 5 mm en cada extremo. El radio del círculo primario es de 30 mm; el pivote del seguidor está 120 mm hacia la derecha; y la rotación de la leva es en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj. 6-4 Una leva de placa con seguidor oscilante de rodillo debe producir el mismo movírniento que se in dica en el problema 6-3. El radio del c írculo primario es de 60 mm, la longitud del seguidor es de 100 mm y su pivote se encuentra a 125 mm en relación con el eje de rotación de la leva; el radio del rodillo es de 10 mm. Constrúyase la curva de paso y el perfil de la leva. Determínese el ángulo de presión máximo. La rotación de la leva es en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj. 6-5 Para un movimiento armónico simple de subida completa, escríbanse las ecuaciones para la velo cidad y el tirón en el punto medio del movimiento. Determinese también la aceleración cuando principia y concluye el movimiento. 6-6 Para el movimiento cicloidal de subida completa, determínense los valores de (J para los que la aceleración es máxima y mínima. ¿Cuál es la fórmula para la aceleración en estos puntos? Encuéntrense las ecuaciones para la velocidad y el tirón en el punto medio del movimiento. 6-7 Una leva de placa con seguidor de movimiento alternativo debe girar en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj, a 400 rpm. El seguidor debe tener una detención durante 60° de t M. Kloomok y R.V. Muffley, "Plate Cam Design: Radius of Curvature", Prado Eng., vol. 26, no. 9, pp. 186-201, 1955. :f: M. Kloomok y R.V. Muffley, "Plate Cam Design: Pressure Angle Analysis", Prado Eng., vol. 26, no. 5, pp. 155-171, 1955. § Véase, por ejemplo, la obra excelente de S. Molian, The Design af Cam Mechanisms and Linkages, Constable, London, 1968. 1f F. Y. Chen, "A Survey of the State of the Art of Cam System Dynamics", Mech. Mach. Theary, vol. 12. no. 3, pp. 201-224, 1977.
- 272. 256 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS rotación de la leva, después de lo cual sube hasta una elevación de 2.5 pulg. Durante 1 pulg de su ca rrera de retorno debe tener una velocidad constante de 40 pulg/s. Recomiéndense los movimientos están dar de las levas, de la sección 6-6, que sea factible usar para un funcionamiento a alta velocidad y determínense las elevaciones correspondientes y los ángulos de rotación de la leva para cada segmento de la misma. 6-8 Repítase el problema 6-7, sólo que en este caso la detención debenl ser por 1200 de rotación de la leva. 6-9 Si la leva del problema 6-7 se impulsa a velocidad constante, determinese el tiempo de la detención, la velocidad y aceleración máxima y mínima del seguidor para el ciclo de la leva. 6-10 Una leva de placa con seguidor oscilante debe subir 20° en 60° de rotación de la leva, tener una detención durante 45°, luego subir 20° más, retornar y tener otra detención durante 60° de rotación de la leva. Suponiendo operación a gran velocidad, recomiéndense los movimientos estándar de las levas de la sección 6-6 que deban usarse, y determínense las elevaciones y los ángulos de rotación de la leva para cada segmento de la misma. 6-11 Determínese la velocidad y aceleración máximas del seguidor para el problema 6-10, suponiendo que la leva es impulsada a una velocidad constante de 600 rpm. 6-12 Las condiciones en la frontera para un movimiento polinomial de leva son como sigue: para un 9 = 0, y O Y y' := O; para () = (3, y L y y ' O. Determinese la ecuación apropiada del desplaza miento y sus tres primeras derivadas con respecto a 8. Trácense los diagramas correspondientes. 6-13 Determínese la anchura mínima de la cara utilizando 0.1 pulg de holguras en cada extremo, y el radio mínimo de curvatura para la leva descrita en el problema 6-2 6-14 Determínese el ángulo máximo de presión y el radio mínimo de curvatura para la leva del pro blema 6-1. 6-15 Un seguidor radial de movimiento alternativo y cara plana debe tener el movimiento descrito en el problema 6-7. Determínese el radio minimo del circulo primario si el radio de curvatura de la leva no debe ser menor que 0.5 pulg. Con este radio del círculo primario, ¿cuál es la longitud mínima de la cara del seguidor dejando una holgura de 0.25 pulg a cada lado? 6-16 Hágase la construcción gráfica del perfil de la leva del problema 6-15, para una rotación de la leva en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj. 6-17 Un seguidor radial de movimiento alternativo y de rodillo debe tener el movimiento descrito en el problema 6-7. Con un radio del circulo primario de 20 pulg, determínese el ángulo máximo de presión y el radio mínimo del rodillo que se pueda usar sin provocar socavación. 6-18 Coristrúyase gráficamente el perfil de la leva del problema 6-17, utilizando un radio del rodillo de 0.75 pulg. La rotación de la leva será en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj. 6-19 Una leva de placa gira a 300 rpm e impulsa a un seguidor radial de movimiento alternativo y de rodillo, a lo largo de una subida completa de 75 mm en 1800 de rotación de la leva. Hállese el radio mínimo del circulo primario si se usa movimiento armónico simple y el ángulo de presión no debe ex ceder a 25°. Encuéntrese la aceleración máxima del seguidor. 6-20 Repítase el problema 6-19, excepto que en este caso el movimiento es cicloidal. 6-21 Repítase el problema 6-19, excepto que en este caso el movimiento es armónico modificado.
- 273. DISEÑO DE LEVAS257 6-22 Determínese si la leva del problema 6-19 tendrá una socavación cuando se use un diámetro de rodillo de 20 mm. 6-23 Las ecuaciones (6-41) y (6-42) describen el peñtl de una leva de placa con un seguidor de movi miento alternativo y cara plana. S i una leva de esta índole se corta en una fresadora con un radio de cortador Re, determínense las ecuaciones similares para el centro del cortador. 6-24 Escríbanse programas para calculadora para cada una de las ecuaciones del desplazamiento de la sección 6-6. 6-25 Escríbase un programa para computadora para representar gráficamente el perfil de la leva para el problema 6-2.
- 274. CAPITULO SIETE ENGRANES RECTOS 0CILtNDRICOS Los engranes se estudian porque la transmision del movimiento rotatorio de un eje a otro se presenta pnkticamente en todas las maquinas imaginables. Los engranes constituyen uno de los mejores de los diversos medios disponibles para transmitir este movimiento. En Estados Unidos, la tarea de convertir de las unidades inglesas a las del SI para el disefio y fabricacion de engranes, es tan abrumadora, tan compleja y tan costosa que es probable que jamas se logre la conversion completa. Es por esto que la mayor parte del material de este capitulo y el siguiente se presenta en unidades inglesas usuales en E.U. Los lectores de este libro que vivan en los paises en que se emplea por completo el SI, debenm complementar el material con copias de sus propias normas. 7-1 TERMINOLOGIA Y DEFINICIONES Los engranes rectos sirven para transmitir movimiento rotatorio entre ejes pa ralelos; por 10 comun son cilindricos y los dientes son rectos y paralelos al eje de rotacion. En la figura 7-1 se ilustra la terminologia de los dientes de los engranes, en donde se muestran la mayor parte de las siguientes definiciones: El cfrculo de paso es un circulo teorico sobre el que generalmente se basan todos los calculos. Los circulos de paso de un par de engranes acoplados son tan gentes'entre 81.
- 275. H I �adiodel chafllm, ogura -� I Clrculo de holgura J Figura 7·1 Terminologia. ENGRANES RECTOS 0 CILINDRICOS 259 L Clrculo de dedendum El pinon es el mas pequeno de los dos engranes acoplados; el mas grande se llama casi siempre el engrane. EI paso circular Pc es la distancia, en pulgadas, medida sobre el circulo de paso, que va desde un punto sobre uno de los dientes hasta un punto correspondien te sobre un diente adyacente. El paso diametral P es el numero de dientes en el engrane par pulgada de diametro de paso. Las unidades del paso diametral son el reciproco de pulgadas. N6tese que en realidad no se puede medir el paso diametral sobre el engrane pro piamente dicho. El modulo m es la raz6n del diametro de paso al ntimero de dientes. La unidad de 10ngitud acosturnbrada es el milimetro. EI m6dulo es el indice del tamano del diente en el SI, en tanto que el paso diametral s610 se emplea can las unidades comu.nmente empleadas en Estados Unidos. La cabeza 0 addendum a es la distancia radial entre el borde superior y el circulo de paso. La raiz 0 dedendum b es la distancia radial que va del borde inferior hasta el cir culo de paso. La altura total hI es la surna del addendum y el dedendum. EI circulo de ho/gura es un circulo tangente al de addendum del engrane acoplado. EI dedendum en un engrane dado excede al addendum del engrane con el que se acopla.
- 276. 260 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS EI juego entre dientes es la cantidad en la que la anchura de un espacio entre dien tes excede al espesor del diente acoplado sobre los circulos de paso. Conviene que el lector se demuestre a s1 mismo a plena satisfacci6n la validez de las siguientes relaciones, que son de gran utilidad: en donde N P= d P = paso diametral, dientes por pulgada N = numero de dientes d = diametro de paso, pulg 0 mm m = modulo, mm p = 7Td C N d m=- N 7Tm en donde Pc es el paso circular en pulgadas 0 milimetros PcP = 7T 7-2LEYFUNDAMEN TA L DEL ENGRA NAJE (7-1) (7-2) (7-3) La accion de los dientes acoplados de los engranes, uno sobre otros, para producir un movimiento rotatorio, puede compararse con una leva y su seguidor. Cuando a los perfiles del diente (0 los de la leva y el seguidor) se les da una forma tal como para que produzcan una razon constante entre las velocidades angulares durante el endentamiento, se dice que las superficies son conjugadas. Es posible especificar cualquier perfil para un diente y luego encontrar un perfil para el diente que se va a acoplar 0 entrelazar con el, de tal modo que las superficies sean conjugadas. Unas de estas soluciones es elper Jil de involuta que, con unas cuantas excepciones, se utiliza universalmente en los dientes de engranes. La accion de un solo par de dientes acoplados conforme recorren toda una fase de tal accion debe ser tal que la razon de la velocidad angular del engrane im pulsor a la del engrane impulsado se mantenga constante. Este es el criterio fun damental que rige la seleccion de los perfiles del diente. Si esto no se cumpliera para el engranaje, se tendrian vibraciones muy serias y problemas de impacto, in cluso a velocidades bajas. En la seccion 3-14 se explic6 que el teorema de la raz6n de las velocidades angulares afirma que la razon de las velocidades angulares de cualquier mecanismo es inversamente proporcional a los segmentos en los que el polo comun corta la linea de los centros. En la figura 7-2 se observan dos perfiles que estan en contacto en A; sea el perfil 2 el impulsor y el 3 el impulsado. Una normal a los perfiles en el punto de contacto A se interseca con l.a linea de los centros 0203 en el centro instantaneo P.
- 277. ENGRANES RECTOS 0CILlNDRICOS 261 B Figura 7·2 En el engranaje, P recibe el nombre de punto de paso y Be es la linea de ac cion. Si los radios del punto de paso de los dos perfiles se designan como rz Y r3, por la ecuaci6n (3-25), (7-4) Esta ecuaci6n se usa con mucha frecuencia para definir la ley del engranaje, la cual afirma que el punto de paso se debe mantener Jijo sobre la linea de los centros. Esto significa que todas las lineas de acci6n de todo punto de contacto instanta neo debe pasar por el punto de paso. EI proplema consiste ahora en determinar la forma de las superficies acopladas para satisfacer la ley del engranaje. No se debe presuponer que cualquier forma 0 perfil para el que se pueda en contrar un conjugado resultara satisfactorio. Aunque se encuentren curvas con jugadas, todavia existen los problemas pnicticos de reproducir estas curvas en grandes cantidades sobre discos en blanco de acero, al igual que en otras clases de materiales, y con la maquinaria existente. Ademas, es necesario tomar en cuenta los cambios en los centros de los ejes debidos a alineaciones deficientes y a las grandes fuerzas ejercidas. Por ultimo, el perfil de diente seleccionado debe ser de tal naturaleza que se pueda reproducir econ6micamente. Una gran parte de este capitulo se dedica a i lustrar la manera en que el perfil de involuta satisface estas necesidades. 7-3 PROPIEDADES DE LA INVOLUTA Si los perfiles de dientes acoplados tienen la forma de curvas involutas, se satisface la condici6n de que la normal comiIn en todos los puntos de contacto debe pasar
- 278. 262 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Figura 7·3 por el punto de paso. Una curva involuta es la trayectoria generada por un punto trazador sobre una cuerda, conforme esta se desenrolla de un cilindro denominado cilindro base. Lo anterior aparece ilustrado en la figura 7-3, en donde T es el punto trazador. N6tese que la cuerda AT es normal a la involuta en T y que la distancia AT es el valor instantimeo del radio de curvatura. Conforme la involuta se genera desde el origen To hasta Tj, el radio de curvatura varia continuamente; es cero en 3 J Figura 7-4 Acd6n de involuta.
- 279. ENGRANES RECTOS 0CILtNDRICOS 263 To y dene su mayor valor en Tj_ Por ende, la cuerda es la recta generadora y siem pre es normal a la involuta. Exarninemos ahora el perfil de involuta para ver c6mo satisface la necesidad de transmisi6n de movirniento uniforme. En la figura 7-4 en blanco, con centros fijos Oz Y 030 que tienen cilindros base cuyos radios res pectivos son OzA Y 03B. Imaginemos ahora que se arrolla una cuerda en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj, alrededor del cilindro base del engrane 2, se tira firmemente de ella entre los puntos A y B y se arrolla en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj, alrededor del cilindro base del engrane 3. Si se hacen girar los cilindros base en direcciones diferentes, de tal modo que la cuerda se mantenga tensa, un punto T trazara los involutas CD sobre el engrane 2 y EF sobre el engrane 3. Las involutas generadas siq1Ultanea mente de esta manera por un solo punto trazador se consideran perfiles conju gados. A continuaci6n, imaginemos que las involutas de 1a figura 7-4 se trazan so bre placas y que estas se cortan a 10 largo de las curvas trazadas, fijandose sobre los cilindros respectivos en las mismas posiciones. EI resultado es el que se ilustra en la figura 7-5 . Ahora, se puede eliminar la cuerda y si el engrane 2 se mueve en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj, el engrane 3 se vera obligado a moverse en el sentido contrario debido a la acci6n tipo leva de las dos placas curvas. La trayectoria de contacto sera la recta AB que antes ocupara la cuerda. Dado que la recta AB es la linea generadora de cada involuta, es normal a los dos perfiles en todos los puntos de contacto. Asimismo, siempre ocupa la mis rna posici6n en virtud de que es tangente a los dos cilindros base. Por consiguiente, el punto P es el de paso; no se mueve; y, por tanto, la curva involuta satisface la ley del engranaje. Antes de conduir esta secci6n, el lector debe observar que un cambio en la distancia entre los centros, que se podria causar debido a un rnontaje incorrecto, 3 Figura 7-5
- 280. 264 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS no tendra efecto sobre la forma de la involuta. Ademas, el punto de paso sigue siendo fijo y Ia ley del engranaje se satisface. 7-4 ENGRANES INTERCAMBIABLES; N ORMAS AGMA Un sistema de dientes es una normat que especifica las relaciones entre el adden dum, dedendum, altura de trabajo, espesor del diente y angulo de presi6n para lograr la intercambiabilidad de los engranes de todos los nfuneros de dientes, pero del mismo angulo de presi6n y paso. El lector debe tener conocimiento de las ven tajas y desventajas de los diversos sistemas, para poder elegir el diente 6ptimo para un disefio estandar de diente. En la tabla 7-1 se listan las proporciones del diente para engranes com pletamente intercambiables, en el sistema de unidades usual en Estados Unidos, y para que operen a distancias estandar entre centros. No se han establecido normas en este pais para sistemas de dientes basados por completo en la aplicacion de las unidades SI. A decir verdad, es probable que varios afios antes de que se llegue a un acuerdo los problemas que se deben resolver son tan complejos como costosos. lncluso en Inglaterra, en donde llevan cierto adelanto en comparacion con Estados Unidos en 10 concerniente a la conversi6n al sistema metrico, el sistema en pul· gadas sigue predominando aun en el caso de los engranajes. Merritt afirma. que una de las razones es que se acababan de apro p.ar y adoptar Jas nuevas not.mas cuan4.9 seJnici6 l!il instauraci6n del sistema mei"rico ....08 addenda incluidos en la tabla 7-1 son para engranes con numeros de dien tes iguales a, 0 mayores que, los nfuneros minimos enumerados y, para estos nu meros no habra socavaci6n. Para unos cuantos mimeros de dientes debe usarse una modificaci6n denominada sistema de addendum largo y corto. En este sis tema, el addendum del engrane se reduce apenas 10 suficiente como para asegurar que el contacto no principie antes del punto de·interferencia (vease la secci6n 7-7). Entonces se incrementa el addendum del pifi6n en una cantidad correspondiente. En esta modificaci6n no hay cambio en el angulo de presi6n 0 en los circulos de paso, de modo que la distancia entre los centros sigue siendo la misma. Lo que se pretende es incrementar la acci6n de retroceso 0 alojamiento y reducir la acci6n de acercamiento. t Normalizados por la American Gear Manufacturers Association (AGMA) y el American National Standards Institute (ANSI). Las normas AGMA se pueden char 0 tomar en su totalidad, a condici6n de que se de el credito apropiado, por ejemplo, "Tornado de AGMA In/ormation. Sheet-Stenth ofSpur, Herringbone, and Bevel Gear Teeth (AGMA, 225.01), con autorizaci6n del editor, la American Gear Manufacturers Association, 1338 Massachusetts Avenue, N.W., Washington, D.C., 2005". Estas nor mas se han utilizado con amplitud en este capitulo y en el que sigue. En cada caso se cita el numero del boletin informativo. La tabla 7-1 se tom6 de la publicaci6n 201.02-y 201.02A de la AGMA; pero yease tambien la 207.04. Es conveniente escribir a la AGMA para obtener una !ista completa de normas, debido a los cambios y adiciones que se hacen de tiempo en tiempo. t H.E. Merritt, Gear Engineering, Wiley, New York, 1971.
- 281. ENGRANES RECTOS 0ClLtNDRICOS 265 Tabla 7-1 Sistemas de dientes norma AGMA y ANSI, para en granes rectosxi Paso gruesot (hasta20p) Cantidad altura completa Angulo de presi6n q, 20° 25° Addendum a 1.000 1.000 -p -p Dedendum b 1.250 1.250 P Altura de trabajo 14. 2.000 2.000 P 2.25 2.25 Altura completa hI (minimo) p p Espesor circular del diente t '11" '11" 2P 2P Radio del chafllm de la cremallera 0.300 0.300 basica rf -p -p Hol�ura basica c (miriima) . ; 0.250 0.250 -p -p Holgura c (dientes cepillados 0 rectificados) 0.350 0.350 -p p Ntlmero minima de dientes en el pifl6n 18 12 Numero minimo de dientes por par 36 24 Anchura minima del borde superior to 0.25 0.25 P p t Veanse las llormasAGMA201.02.201 . 02A i Pero sin incluir a20P Paso fino (2OPymas) altura completa ZOO 1.000 -p 1.; 00 +0.002 pulg 2.000 P 2.200 0 002 -p + . pulg 1.5708 J> No estandarizado 0.; 00 +0.002 pulg O.�oo+0.002 puig 18 No estandarizado El dedendum adicional de 0.002 pulg que se da en la tabla 7-1 para los en� granes de paso fino, proporciona el espacio suficiente para la acumulacion de pol vo en las raices de los dientes. Las alturas de trabajo indicadas en la tabla 7-1 son para dientes de altura completa y definen a estos; en el caso de dientes truncados, usese l.60IP. Conviene haeer notar en forma especial que las normas que se dan en la tabla 7-1 no tienen por objeto restringir la libertad del disefiador. Las proporciones es tandar de los dientes conducen a la intercambiabilidad y a cortadores estandar que resultan economicos; pero la necesidad de engranes de alto rendimiento pueden dictar desviadones considerables respecto a estos sistemas. Algunos de los sistemas de dientes que ahora resultan obsoletos son los dos sistemas AGMA de 141", de dientes truncados Fellows de 20° y el Brown & Sarpe. Los sistemas obsoletos no se deben aplicar a disefios nuevos, pero quiza se necesiten como referenda al redisenar 0 remodelar maquinarias existentes en las que se usan estos sistemas mas anticuados.
- 282. 266 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Tabla 7·2 Pasos diametrales de uso general Paso grueso Paso fino 2,2i,21,3, 4,6, 8,10,12,16 20,24,32,40,48,64,80,96,120,150,200 Se deben emplear los pasos diametrales listados en la tabla 7-2 siempre que sea posible, con el fin de mantener en un minimo el inventario de herramientas de cor te de engranes. 7·5 FUNDAM ENT OS DELA ACCION DE LOSDIENTES DEENGRANES Para ilustrar los fundamentales de los engranes rectos, se procedeni, paso a paso, por todo el trazado real de un par de engranes rectos. Las dimensiones usadas se tomaran de la secci6n 7-4, en donde se incluye la lista de las formas esUmdar de dientes. Se introduciran y se explicaran nuevos terminos conforme se avance en el trazado. EI prop6sito de un trazado de dientes de engranes no es utilizarlo en el taller, sino s610 para el analisis. Para producir grandes cantidades de engranes, 10 Unico que el taller requiere son los dibujos de los discos en blanco, junto con una es pecificaci6n (no un dibujo) de la forma y tamano del diente. Por otro lado, si se deben fabricar herramientas para cortar dientes de engranes, es preciso hacer dibujos tanto de la forma como del contorno del diente. En ocasiones, estos di bujos se hacen a una escala muchas veces mayor que el propio diente, para ase gurarse de que se pueden obtener dimensiones exactas. Para la informaci6n dada, seseleccionaraun pifi6nde2 pulgdediametroy unpaso diametral de 10, para impulsar un engrane de 50 dientes. La forma del diente seleccionada es la de 20° de altura completa. En las figuras 7-6 y 7-7 se ilustran los diversos pasos siguiendo el orden correcto, y se describen a continuaci6n. Paso 1 Calculense los diametros de paso y tracense los circulos de paso tangentes uno al otro (Fig. 7-6). Se usaran los nlimeros 2 y 3 como subindices para designar, respectivamente, al pin6n y al en�rane. Basandose en la ecuaci6n (7-1), el diametro de paso del engrane es Paso 2 Tracese una recta perpendicular a la linea de los centros que pase el punto de paso (Fig. 7-6), El punto de paso es el de tangencia de los circulos de paso. Tracese la linea de presi6n a un angulo igual al de presi6n, en relaci6n con la per-
- 283. Angulo -cP de presi6n Fig�ra7-6 Trazado de un par de engranes rectos. ENGRANES RECTOS 0 CILiNDRICOS 267 Unea de los centros Cfrculo de base irculo de paso Unea de presibn Cfrculo de base pendicular. La linea depresion corresponde a la linea generadora, 0 sea, la linea de accion definida en las secciones anteriores. Como se muestra, siempre es normal a las involutas en el punto de contacto y pasa por el punto de paso. Se Ie conoce como linea de presion porque la fuerza resultante del diente durante la accion se ejerce a 10 largo de ella. El angulo de presion es aquel que forma la linea de presion con una perpendicular a la linea de los centros que pasa por el punto de paso. En este ejemplo, el angulo de presion es de 20°. Paso 3 Por los centros de cada engrane, construyanse las perpendiculares 02A y 03B a la linea de presion (Fig. 7-6). Estas distancias radicales, de los centros a la linea de presion, son los radios de los dos circulos de base. Los circulos de base corres-
- 284. 268 TEORtA DEMAQUINAS Y MECANlSMOS ponden a los cilindros de base de la seccion7-3. La curva involuta se origina en es tos circulos de base. Tracese cada circulo de base. Paso 4 Generese una curva involuta en cada circulo de base (Fig. 7-6). Esto se Hustra en el engrane3. En primer lugar, dividase el circulo de base en las partes iguales Ao, Ah A2, etc. Luego, construyanse las rectas radiales 03AO. 03Ai> O)A2• etc. A continuacion, construyanse las perpendiculares a estas rectas radiales. La involuta principia en Ao. El segundo punto se obtiene tomando la distancia AoAl sobre la perpendicular que pasa por AI' EI siguiente punto se encuentra tomando dos veces AoAl sobre la perpendicular que pasa por A2, y asi sucesivamente. La curva construida pasando por estos puntos es la involuta. La involuta para el pifi6n se traza de la misma manera en el circulo de base del pifion. Paso 5 Cortese una plantilla para cada involuta usando una cartulina 0, de pre ferencia, una hoja de plastieo transparente, y marquese en ella el centro correspon diente de eada engrane. Entonees se usan estas plantillas para dibujar la porcion de involuta de eada diente; se pueden voltear para dibujar el lado opuesto del mismo. En algunos casos puede resultar conveniente haeer una plantilla para el diente eompleto. Paso 6 CaleUlese el paso circular. La anchura del diente y la del espacio se cons truyen iguales a la mitad del paso circular. Sefialense estas distancias sobre los cir eulos de paso. Con base en la ecuacion ( 7-3), Tr Tr Pc = P = 10 =0.314 16 pulg de tal manera que la anchura del diente y del espacio es (0. 314 16)/2, :;; 0.15 708 pulg. Estos puntos estan sefialados sobre los circulos de paso de la figura 7- 7. Paso 7 Tracense los cireulos de addendum y dedendum para el pifion y el engrane (Fig. 7-7). De la tabla 7-1, el addendum es EI dedendum es 1 1 a = p = 10 =0.10 pulg b = 1 ;5 = li�5=0.125 pulg Paso 8 Ahora tracese la porcion de involuta de los perfiles de los dientes en el pifi6n y el engrane (Fig. 7- entre los circulos de holgura y de dedendum para un ehaflan. Notese que el circulo de base del engrane es menor que el de dedendum y, en vista de ello, el perfil del diente es todo involuta a excepcion del chafl{m. Por otro lado, el radio del circulo
- 285. Engrane 3, 60dientee ��� Noteee q�e los dientee '"� nosa extienden haste ,�eIcfrculode base � Linea de presi6n Esta porcion del diente ee una recta radial ENGRANESRECTOS 0 CILtNDRICOS 269 Clrculode base --........, Clrculode dedendum Clrculode paso,----f+--l �Cfrculode addendum Cfrculode paso Clrculode dedendum Figura 7·7 Trazado de un par de engranes rectos (continUa). de base del piii6n es mayor que el radio del circulo de dedendum. Esto significa que la porcion del diente que queda debajo del drculo de base no es involuta. Por ahora, esta pordon se trazara como una recta radial, excepto por el chafllm. Con esto se completa la construccion. CremaJlera de involnta Se puede imaginar una erernal/era como un engrane de dientes rectos que posee un diametro de paso infinitamente grande. Por 10 tanto, la cremallera tiene un numero infinito de dientes y, tambien, el circulo de base se 10caliza a una distancia infinita del punto de paso. En el caso de los dientes de in voluta, los lados se convierten en rectas que forman un angulO con la linea de los centros igual al angulo de presion. En la figura 7-8 se ilustra una cremallera de in voluta engranada con el pinon del ejemplo anterior. Paso de base Los lados correspondientes de los dientes de involuta son curvas paralelas; el paso de base es la distancia constante y fundamental entre elIos, a 10 largo de una normal comtin (Fig. 7-8). EI paso de base y el paso circular se rela-
- 286. 270 TEORtA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Figura 7-8 Pii'l6n y cremallera de involuta. cionan como se indica a continuaci6n, Pb::::: cos <p Pc (7-5) en donde Pb es el paso de base y Pc es el paso circular. Ya se explic6 que el paso cir cular es la distancia entre los dientes medida a 10 largo del circulo de paso. EI paso de base es una medida mucho mas b<),sica puesto que se trata de la distancia entre dientes medida a 10 largo de la normal comtm, al igual que la distancia entre dien tes medida a 10 largo del circulo de base. Engrane interno En la figura 7-9 se presenta el pift6n del ejemplo anterior aco plado con un engrane interno 0 anular. Cuando se trata de un contacto interno, los Figura 7-9 Engrane y piMn interiores.
- 287. ENGRANES RECTOS 0CILiNDRICOS 271 dos centros se encuentran del mismo lado del punto de paso; de donde, se invierten las posiciones de los circulos de addendum y dedendum con respecto al circulo de paso. Como se muestra en la figura 7-9, el circulo de addendum del engrane in terno queda dentro del circulo de paso; de la misma manera, el circulo de deden dum queda afuera del circulo de paso. En la figura 7-9 se observa tambien que el circulo de base esta dentro del circulo de paso, cerca del de addendum. 7-6 FORMACION DE LOS DIENTES DE ENGRANES Existenmuchas maneras dedarle formaalosdientes de losengranes, porejemplojundi cion en moldes de arena, vaciado en cascaron. jundicion revestida. jundicion en molde permanente, jundicion a troquel 0 jundicion centrifugada. Se pueden for mar, aplicando elproceso de metalurgia de polvos, 0 bien, por extrusion, en donde a una sola barra de aluminio se Ie puede dar la forma y luego se rebana para ob tener los engranes. Los engranes que soportan grandes cargas en comparaci6n con su tamano se fabrican casi siempre de acero y se cortan ya sea con cortadores de forma 0 con cortadores generadores. En el corte de forma, el espacio entre dientes toma la forma exacta del cortador. En el generador, una herramienta que tiene una forma diferente a la del perfil del diente se mueve en relaci6n con el disco en blan co para obtener la forma apropiada del diente. Probablemente el metoda mas antiguo para cortar dientes de engrane es el fresado. Se usa una fresa que corresponde a la forma del espacio entre dientes para cortar un espacio a la vez, despues de 10 cual el engrane se hace girar un paso cir cular hasta la siguiente posici6n. Con este metodo, te6ricamente se necesita un cortador diferente para cada engrane que se debe cortar porque, por ejemplo, la forma del espacio en un engrane de 25 dientes es diferente, p6ngase por caso, del que corresponde a un engrane de 24 dientes. En realidad, el cambio en el espacio no es demasiado grande y se pueden utilizar ocho cortadores para cortar cualquier . engrane dentro de la gama de 12 dientes hasta una cremallera, con una exactitud razonable. Por supuesto, se requiere un juego por separado de cortadores para cada paso. El limado es uno de los metodos mas favorecidos para generar dientes de en granes. La herramienta cortadora puede ser un cortador de cremallera 0 un cor tador de pinon. La operaci6n se explica mejor con referenda a la figura 7-10. En este caso, el cortador de cremallera de movimiento alternativo se alimenta primero hacia el disco en blanco hasta que los circulos de paso son tangentes. Luego, des pues de cada carrera de corte, el disco en blanco y el cortador ruedan ligera mente sobre sus circulos de paso. Cuando el disco en blanco y el cortador han girado una distancia igual al paso circular, el cortador se regresa al punto de par tida y el proceso se continua hasta que se han cortado todos los dientes. El jresado confresa maestra es un metoda de generar dientes de engranes muy similar al del cortador de cremallera. La fresa maestra es un cortador cilindrico
- 288. 272 TEORlA DEMAQUINAS Y MECANISMOS 8 cOftador de cremallera tiene un movimiento altemativo en una direcciOn perpendicular a ests p6ginlt Figura 7-10 Cepillado de los dientes con un cortador de cremallera. EI disco blanco gira en esta direccion Figura 7-11 Pulido de engranes c6nicoespirales. (The Falk Corporation, Subsidiaria de Sunstrand Cor poration, Milwaukee, Wis.)
- 289. ENGRANES RECTOS 0CILtNDRICOS 273 con una 0 mils roscas helicoidales muy semejante a un macho de tornillo, y tiene lados rectos como una cremallera. La fresa maestra y el disco en blanco se hacen girar continuamente con una raz6n apropiada de velocidades angulares, y entonces se alimenta lentamente la fresa maestra a traves de la cara del disco en blanco, des de un extremo del diente hasta el otro. Despues del proceso de maquinado, con frecuencia se aplican metodos de acabado tales�omo el rectificado, pulido, cepil/ado y bruflido, cuando es necesario producir perfiles de dientes de gran precisi6n y con superficies bien acabadas. En la figura 7-11 se ilustra el proceso de pulido. 7-7 INTERFERENCIA Y SOCAVACION En esta etapa de la exposici6n resultara muy beneficioso seguir la acci6n de un par de dientes desde que entran en contacto hasta que se separan. En la figura 7-12 se han reproducido los circulos de paso de los engranes de la secci6n 7-5. Sup6ngase que el pifi6n es el impulsor y que gira en el mismo sentido del movimiento de las � Engrane impulsado Clrculo de dedendum � . � �ro"�""�?8/ �� ��ntacto� �,� --,p�--=�ccl'o - � Clrculo de . addendum Angulode _<i> presi6n LInea de presi6n /;/ /c<?I'! � ct �-< P �� to ��"'" Clrculo de addendum ! ( mlclal , de paso "' '�yClrculode paso t Circulo de dedendum l ( "n� _ ,m",w, J i ; Figura 7-12 Fases de aproximaci6n y retroceso de la acci6n de los dientes de engrane.
- 290. 274 TEORiA DEMAQUINAS Y MECANISMOS manecillas del reloj. El problema es localizar los puntos inicial y final de contado canforme un par de dientes acoplados realizan el cicIo de endentamiento. Para resolver el problema se traza la linea de presi6n y los circu)os de adden dum y dedendum de ambos engranes. Para los dientes de involuta, se ha visto que el contacto se debe llevar a cabo a 10 largo de la linea de presi6n. Esto expliea por que a esa linea tambien se Ie da el nombre de linea de acci6n. Como se ilustra en la figura, el contacto principia en donde el circulo de addendum del engrane impul sado cruza l a linea de acci6n. Por consiguiente, el contacto inidal se efectua en la punta del diente del engrane y sabre el flanco blanco del diente del pifi6n. Conforme el diente del pifi6n irnpulsa al diente del engrane, ambos se acercan al punta de paso; cerca de este, el contacto se desliza hacia arriba par el flanco del diente del pifi6n y hacia abajo par la cara del diente del engrane. En el punta de paso, el contacto se produce en los circulos de paso. N6tese que el movimiento es un rodamiento puro s610 en el punta de paso. Conforme el diente se aleja a retrocede del punta de paso, el punta de contacto se desplaza en la misma direcci6n que antes. El contacto se desliza hacia arriba por la cara del diente del pifi6n y hacia abajo por el flanco del diente del engrane. El ultimo punto de contacto se presenta en la punta del diente del pifi6n y el flanco del diente del engrane. Esto se 10caliza en la intersecci6n de la linea de acci6n y el circulo de addendum del pifi6n. La fase de aproximacion 0 aeereamiento de la acci6n es el periodo compren dido entre el contacto inicial y el punto de paso. Durante la fase de acercamiento, el contacto es un deslizamiento hacia abajo par la cara del diente del engrane hacia el circulo de paso. Esta clase de acci6n puede compararse a empujar una vara sobre una superficie. En el punta de paso no se produce deslizamiento y la acci6n es rodamiento puro. La fase de retroceso 0 alejamiento de la acci6n es el periodo comprendido en tre el contacto en el punto de paso y el contacto final. Durante la fase de retroceso, el contacto es un deslizamiento hacia abajo por el flanco del diente del engrane, alejandose del circulo de paso. Esta clase de acci6n se puede comparar a tirar de una vara sabre una superficie. Ahara se construyen los perfiles de los dientes del pifi6n y del engrane pasan do por los puntos de contacto inicial y fmal de la figura 7-12. La interseeci6n de estos perfiles con los eirculos de paso define los areos de acci6n, aproximaci6n y retroeeso. El arco de accion qr es el areo del circulo de paso par el que se mueve un perfil de diente, desde el principio hasta el final del contaeto can un perfil acoplado. EI area de aproximacion 0 aeercamiento'qa es el areo del circulo de paso por el que se mueve un perfil de diente, desde que se inicia el contaeto hasta que el punto de contacto llega al punto de paso. EI area de retroeeso 0 alojamiento qr es el area del cireulo de paso par el que se mueve un perfil de diente, desde el contacto en el punto de paso hasta que concluye dicho contacto.
- 291. Clrculo de base ENGRANESRECTOS 0 CILiNDRICOS 275 Engrane impulsado, 3 - - ----. A.- Clrculo de addendum '-... r Clrculo de ""'f addendum La intarierehcia es sabre el� flanco del impulsor durante � Ia aproximaci6n Esta porci6n d�1 perfii no as una inllOluta Clrculo de base Engrane impufsor, 2 Figura 7-13 Interferencia en la acci6n de los dientes de engrane. EI contacto de porciones de perfiles de diente que no son conjugados se conoce con e1 nombre de interjerencia. Considerese la figura 7-13. En ella se ilustran dos engranes de 16 dientes con un {mgulo de presi6n de 14!°, con dientes de altura completa. E1 impulsor, de engrane 2, gira en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj. Los puntos inicial y final de contacto se designan con A y B, respectivamente, y se localizan sobre la linea de presi6n. N6tese ahora�que los puntos de tangencia de 1a linea de presi6n con los circulos de base C y D se 10- calizan dentro de los puntos A y B. Existe interfere�cia. La interferencia se explica como sigue. EI contacto principia cuando la punta del diente impulsado hace contacto con el flanco del diente impulsor. En este caso, el flanco del diente impulsor entra primero en contacto con el diente impul sado en el punto A, y esto ocurre antes de que la porci6n de involuta del diente im pulsor quede dentro de alcance. En otras palabras, se esta produciendo el contacto por debajo del circulo de base del engrane 2, sobre la porci6n de no involuta del flanco. EI efecto real es que 1a punta 0 cara de involuta del engrane impulsado tiende a socavar el flanco de no involuta del impulsor.
- 292. 276 TEORiA DEMAQUINAS Y MECANISMOS En este ejemplo ocurre el mismo efecto cuando los dientes rompen el con tacto. EI contacto debe conduir en el punto D 0 antes. Puesto que no conduye sino hasta el punto B, el efecto es que la punta del diente impulsor socava el flanco del diente impulsado, 0 interfiere con el. Cuando los dientes del engrane se producen mediante un proceso de gene raci6n, la interferencia se elimina automaticamente debido a que 1a herramienta de corte elimina la porci6n del flanco que produce la interferencia. Este efecto recibe el nombre de socavaci6n; si la socavaci6n es pronunciada, el diente socavado se debilita considerablemente. Por tanto, el efecto de eliminar la interferencia por un proceso de generaci6n se reduce sencillamente a sustituir un problema por otro. No se puede exagerar la importancia del problema de los dientes que se han debilitado por socavaci6n. Por supuesto, se puede elirninar la interferencia uti· lizando mas dientes en los engranes; sin embargo, si estos deben transmitir una cantidad determinada de potencia, s610 se puede usar un mayor nfunero de dientes incrementando el diametro de paso. Esto hace que los engranes sean mas grandes, 10 que rara vez se considera conveniente, y tambien aumenta la velocidad de la linea de paso. Este incremento en la velocidad de la linea de paso hace que los en granes sean mas ruidosos y reduce un tanto la transrnisi6n de potencia, aunque no en razon directa. Sin embargo, en general, el uso de mas dientes para eliminar 1a interferencia 0 la socavaci6n raramente se considera como solucion aceptable. Otro metodo para reducir la interferencia y el grado resultante de socavacion es emplear un mayor angulo de presi6n. Esto crea un circulo de base mas pequeno, de modo que una mayor pordon del perfil del diente tiene forma de involuta. En efecto, esto significa que se pueden usar menos dientes y, como resultado, los en granes con mayor Angulo de presi6n son mas pequenos. 7-8 RAZON DECON TAC TO En la figura 7-14 se muestra la zona de accion de los dientes de engrane enden tados, en donde el contacto del diente principia y concluye en las intersecciones de / Puntode interferencia � MovilTiento Ji'igura 7-14
- 293. ENGRANES RECTOS 0CILINDRICOS 277 los dos circulos de addendum con la linea de presion. En la figura 7-14, el contacto inicial ocurre en a y el contacto final en b. Los perfiles de diente que pasan por es tos puntos se interseean con el circulo de paso en A y B. respectivamente. Como se indica, la distancia AP es el arco de aproximacion qa y la distaneia PB, es el areo de retroceso qr, la suma de estos da el arco de accion qt. Considerese una situacion en la que el arco de accion es exactamente igual al paso circular; es decir, qt = Pc. Esto signifiea que un diente y su espacio ocuparan la totalidad del areo AB. Dicho de otra manera, cuando un diente entra apenas en contacto en a, el diente anterior esta finalizando simultaneamente su contacto en b. Por ende, durante la accion del diente, desde a hasta b, habra exaetamente un par de dientes en contacto. A continuacion, considerese una situacion en la que el arco de accion es mayor que el paso circular; pero no mucho mayor, por ejemplo qt = 1.2pc. Esto significa que cuando un par de dientes esta entrando apenas en contacto en a, el par anterior, ya en contacto, todavia no habra llegado a b. Por consiguiente, durante un breve lapso se tendran dos pares de dientes en contacto, uno en la cer eania de A y el otro cero de B. Conforme avanza el endentamiento, el par cercano a B debe cesar el contacto, quedando un solo par tocandose, hasta que el proceso se repite. Debido a la naturaleza de esta accion de los dientes (uno, dos, 0 incluso mas pares de dientes en contacto), eonviene definir el termino razon de contacto me como m - qt e- Pc (7-6) un numero que indica el numero promedio de pares de dientes en contacto. La ecuacion (7-6) resulta un tanto inconveniente, a menos que se trace un dibujo semejante al de la figura 7-14, de tal modo que se puedan medir las distan cias qa y qr' Estas distancias dependen de los diametros de los circulos de paso, que pueden variar, ya que a su vez dependen de la distancia de montaje entre los dos centros de los engranes. Asimismo, se puede definir la razon de contacto utilizando el circulo de base, y esta sera en realidad una mejor definicion porque el circulo de base tiene un diametro fijo. En la figura 7-15, en donde se presenta al engrane 2 como el impulsor, el con tacto principia en el punto B, en donde el circulo de addendum del engrane impul sado cruza 1a linea de accion, y eonc1uye en C, en donde el cireulo de addendum del impulsor cruza la linea de accion. La longitud de la trayeetoria de contacto es U = Ua + Ur (a) en donde los subindices a y r designan las fases de aproximacion y retroceso, res pectivamente. Durante la aproximacion el contacto se produce a 10 largo de la ree .a BC y el engrane gira describiendo el angulo a, conocido como tingulo de aproximacion. Este tingu/o subtiende un area del cireulo de base o btenido eons truyendo los perfiles de diente por B y P, para intersecarse con el circulo de base.
- 294. 278 TEORiA DEMAQUINAS Y MECANISMOS I ( Figura 7·15 Durante el retroceso, el contacto ocurre a 10 largo de PC, mientras el engrane gira describiendo el fu1gulo 'Y, llamado {mguJo de retroceso. N6tese que este an gulo subtiende tambien un areo del circulo de base, obtenido al determinar la inter secci6n de los perfiles de diente que pasan por P y C con el circulo base. El paso de base es la distancia entre los perfiles de diente correspondientes, medida sobre la linea de aeci6n. Por 10 tanto, la raz6n de contaeto es Ua + Ur m = --- C Ph (7-7) Los valores de u" Y Ub se pueden obtener analitieamente, observando los dos trian gulos rectfu1gulos 02AC Y 03DB de la figura 7-15. Partiendo del trilmgulo 02AC, se puede escribir (7-8)
- 295. (a) Nuevolingula depresion -1/;' ulodepaso delpil'l6n .j. fAumento - en ladistancia entre loscentros (0) Nuevo circulo depasodel pil'lOn Figura 7·16 Efecto de la distancia aumentada entre los centros sobre la acci6n del engranaje de involuta: montaje a a) una distancia normal entre los centrosy b) una distancia aumentada entre los centros. � � en � o en o Q � § en �
- 296. 280 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Del mismo modo, basandose en el triangulo OlAe, se tiene Ur =: [(r2+ a)2 d2]1/2- rz senq, (7-9) Entonces la razon de contacto se obtiene al sustituir las ecuaciones (7-8) y (7-9) en la (7-7). Sin embargo, se podria observar que las ecuaciones (7-8) y (7-9) solo son vaIidas para las condiciones (7-10) porque el contacto no se puede iniciar antes del punto A (Fig. 7-15) 0 conduir despues del punto D. Por tanto, si el valor de Ua 0 u" como se calculan mediante la (7-8)0 la (7-9) no satisface las desigualdades de la (710), sera preciso utilizar la (7-10) para calcular Ua 0 u" segim sea el caso, usando el signo de igualdad. La razon de contacto mas grande posible se obtiene ajustando los addenda de cada engrane, de tal suerte que se utilice la distancia AD completa (Fig. 7-15). Luego, la accion se define mediante los trilmgulos OlAD y 03AD. Por10 tanto, a2= [d2 + (r2 + r3)2sen2 q,]112 - r2 a3= [r�, + (rz + r3)2 sen2 q,]1/2 - r3 (7-11) (7-12) como los addenda az Y a3, respectivamente, de los engranes 2 y 3. Si se excede cualquiera de estos addenda, 0 ambos, se producira socavacion durante la gene racion de los perfiles. 7-9 VARIACION DE LA DISTANCIA ENTRE CENTROS En la figura 7-16a se ilustra un par de engranes acoplados que tienen dientes de in voluta, a un angulo de presion de 20°. Puesto que ambos lados de los dientes estan en contacto, no se puede acortar la distancia entre los centros 0 2 03 sin trabarlos 0 deformarlos. En la figura 7-16b, se han separado el mismo par de engranes incrementando ligeramente la distancia entre los centr�s. Ahora, como se indica, existe una hol gura0juegoentrelos dientes. Cuandose aumentaladistanciaentreloscentros, secrean nuevos circulos de paso que tienen radios mayores, en virtud de que tales circulos son siempre tangentes el uno al otro. No obstante, los circulos de base son una caracteristica constante y fundamental de los engranes. Esto significa que un aumento en la distancia entre los centros cambia la inclinaci6n de la linea de acci6n y da por resultado un angulo de presi6n mas grande. Se observara tambien que un punto trazador de la nueva linea de presion todavia generara las mismas involutas que se presentaron en la figura 7-16a, la normal a los perfiles de los dientes aiin pasa por el mismo punto de paso y, por ende, la ley del engranaje se satisface para cualquier distancia entre los centros.' Para corroborar que la raz6n de velocidades no ha cambiado de magnitud, se observa que los triangulos 02AP y 03BP son semejantes. Asimismo, puesto que
- 297. ENGRANES RECTOS 0CILINDRICOS 281 02A Y O,B son distancias fijas y no varian al alterarse las distancias entre los cen tros, la raz6n de los radios de paso, 02P y o)p, se mantendra fija tambien. Otro de los efectos que se originan al aumentar la distancia entre los centros, que se puede observar en la figura 7-16, es el acortamiento de la trayectoria de contacto. La trayectoria original de contacto CD se ha acortado hasta C'D'. La raz6n de contacto [Ec. (7-7)]se puede definir como la raz6n de la longitud de la trayectoria de contacto al paso de base. El valor limite de esta raz6n es la unidad; de 10 contrario, se presentarian periodos en los que no existiria contacto en 10 ab soluto. Asi pues, la distancia entre los centros no puede ser mayor que la que corresponde a una raz6n de contacto igual a la unidad. Resulta interesante conduir, en virtud de la exposici6n anterior, que se pueden montar sobre el mismo eje dos engranes con numeros de dientes ligeramente di ferentes (aunque no fijos entre si 0 at eje) y acoplarse con el mismo pifi6n 0 la mis ma cremallera, a condici6n de que no se excedan las limitaciones analizadas. 7·10INVOLUTOMETRIA El estudio de la geometria de 1a involuta recibe el nombre de involutometria. En la figura 7-17 se utiliza un circu10 de base, cuyo centro se localiza en 0, para generar la invo1uta BC. AT es la linea generadora, p e1 radio instantaneo de curvatura de la involuta y r el radio a cualquier punto T de la curva. Si el radio de circulo de base se designa como rb, la recta generadora AT dene la misma longitud que el arco AB; de donde, (a) en donde a es el angulo comprendido entre los radiovectores que definen e1 origen de la involuta y cualquier punto, como por ejemplo, T, sobre la involuta, y if' es el angulo comprendido entre los radiovectores que definen a cualquier punto T de la involuta y el origen A en el circulo de base de la linea generadora correspon- o x Figura 7-17
- 298. 282 TEORtA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Clrculo de base o Figura 7·18 diente. Puesto que OT A es un triimgulo rectangulo, (7-13) AI resolver las ecuaciones (0) y (7-13) en forma simultanea para eliminar apse obtiene a=tanq; q; que se puede escribir inv q; = tan q; - q; (7-14) y define la funci6n involuta. EI angulo q; en esta ecuaci6n es el angulo de presi6n variable de la involuta, y se debe expresar en radianes. Si se conoce cp, inv q; se puede determinar facilmente; pero sera necesario usar tablas para encontrar el an gulo de presi6n cuando se da inv q; y se debe determinar q; (vease la tabla 6 del a¢ndice). Haciendo nuevamente referencia a la figura 7-17, es evidente que r= cos q; (7-15)
- 299. ENGRANES RECTOS 0CILINDRICOS 283 Para ilustrar el uso de las relaciones antes obtenidas, se determinaran las dimensiones del diente de la figura 7-18. En este easo, se ha trazado la pordon del perfil de diente que se extiende por encima del eireulo de base, y se da el espesor del diente a 10 largo del areo, tp, en el cireulo de paso (punto A). El problema eon siste en determinar el espesor del diente en eualquier otro punto, pongase por caso, T. Las diferentes eantidades sefialadas en la figura 7-18 se definen eomo sigue: rb = radio del cireulo de base rp = radio del cireulo de paso r = radio en e1 que se va a determinar el espesor del diente tp = espesor del diente a 10 largo del areo, en el cireulo de paso t = espesor a 10 largo del area que se va a determinar cP = lingulo de presion eorrespondiente al radio de paso rp ({! = lingulo de presion eorrespondiente a eualquier punto T {3p = espesor angular de medio diente en el cireulo de paso {3 = espesor angular de medio diente en eualquier punto T Los espesores de medio diente en los puntos A y T son de tal manera que Ahora se puede eseribir {3 -lL p - 2rp t -= {3r 2 t {3 = 2r • • A.. {3 {3 tp t lnv ({! - mv Of' = - =--- p 2rp 2r (b) (c) (d) El espesor del diente eorrespondiente a eualquier punto T se obtiene resolviendo la (d) para t: t =2r(;;p+ inv cP -inv ({!) (7- 16) Ejemplo 7-1 Un engrane tiene dientes de 30° cortados a altura completa, un paso diarnetral de 2 dientes por pulgada y cuenta con 22 dientes. a) Calculese el radio del circulo de base. b) Deter minese el espesor del diente en el circulo de base y tambien en el de addendum. SOLUCION Basandose en 10 visto en la secci6n 7-4 y aplicando las ecuaciones de la secci6n 7-1, se deterrninan las siguientes cantidades: addendum a = 0.500 pulg, dedendum b =0.5785 pulg, radio de paso rp = 5.500 pulg, paso circular Pc = 1.571 pulg. El radio del circulo de base se ob tiene aplicando la (7-15) rb = rp cos cf> = 5.500 cos 20° = 5.168 pulg
- 300. 284 TEORlA DEMAQUINAS Y MECANISMOS EI espesor del diente en el circulo de paso es tp �== 1.;7 1 0.785 4 pulg Al convertir el ailgulo de presion de 20° del diente a radianes da </1 0.349 rad.Luego, inv </1 tan 0.349 - 0.349 == 0.015 rad En el circulo de base, If'b = O, de manera que inv <Pb == O. Segun la (7-16), el espesor del wente en el circulo de base es tb = 2fb (t;+ inv '" - inv If'b)== (2)(5. 168)[(�(��;�)+ 0.015 - 0]= 0.886 pulg EI radio del circulo de addendum es f a = 6.000 pulg. Segun la (7-15), el {mgulo de presion de la involuta correspondiente a este radio es De donde, <P. cos'-I 2. = COS-I 5.168 = 0.532 fad f a 6.000 inv <Pa = tan 0.532 - 0.532 = 0.058 rad y la ecuacion (7-16) da el espesor del diente en el circulo de addendum como 7-11 DIENTES NO ESTANDAR DE ENGRANES En esta secci6n se investiganm los efectos provocados al modificar aspectos tales como el angulo de presi6n, la altura del diente, el addendum 0 la distancia entre los centros. Algunas de estas modificaciones no anulan la intercambiabilidad; todas elIas se realizan con el prop6sito de obtener un funcionamiento mejorado 0 una producci6n mas econ6mica. Hay tres razones principales para utilizar dientes no estandar. Sucede muy a menudo que el disenador se encuentra bajo gran presi6n para producir disenos de engranes pequenos y, al mismo tiempo, que transmitan grandes cantidades de potencia. Por ejemplo, considerese una combinaci6n de engranes que deba tener una raz6n de velocidades 4:1. Si el pin6n mas pequeno que llevara la carga tiene un diametro de paso de 2 pulg, el engrane tendra un diametro de paso de 8 pulg, 10 que hace que el espacio global necesario para los dos engranes sea ligeramente mayor que 10 pulg . Por otro lado, si el diametro de paso del pin6n se puede re ducir en s610 1/4 pulg, el diametro de paso del engrane se reduce en una pulgada completa y el tamafio global de la combinaci6n de engranes se reduce en 1 Hpulg. Esta reducci6n adquiere una importancia considerable cuando uno se percata de que las dimensiones de los elementos de maquina asociados, tales como ejes, cojinetes y cubiertas se reducen tambil�n. Si necesita un diente de un paso en par ticular para transmitir la carga, el unico metodo para reducir el diametro del pifi6n es emplear menos dientes. Se vio con anterioridad que se presentan problemas
- 301. ENGRANES RECTOS 0CILINDRICOS 28S relacionados con interferencia, socavacion y la razon de contacto cuando los numeros de dientes se hacen menores que los minimos prescritos. Por consiguiente, las prindpales razones para usar engranes no estandar son eliminar la socavacion, evitar la interferencia y mantener una razon de contacto aceptable. Tarnbien con viene observar que si se fabrica un par de engranes con el mismo material, el pinon es el mas debil y esta sujeto a un desgaste mayor porque sus dientes estan en contacto una mayor pordon del tiempo. Por 10 tanto, la socavacion debilita al diente que ya es de sl el menos fuerte de los dos. De donde, otra ventaja de los en granes no estandar es la tendencia a obtener un mejor equilibrio de la resistencia entre el pinon y el engrane. Conforme una curva involuta se genera a partir del circulo de base, su radio de curvatura se hace cada vez mas grande. Cerca del circulo de base, el radio de curvatura es muy pequeno y es exactarnente cero en dicho circulo. De ser posible, conviene evitar cualquier contacto cerca de esta region de curvatura marcada, debido a la dificultad para obtener una exactitud aceptable en el corte, en zonas de pequena curvatura y, al mismo tiempo, porque los esfuerzos de contacto tienden a ser muy elevados. Los engranes no estandar ofrecen la oportunidad de hacer di senos que eviten estas zonas sensibles. Modificaciones de Ia holgura Un chafIan de mayor tarnafio en la raiz del diente aumenta la resistencia a la fatiga del mismo y Ie da mayor altura para el cepillado de su perfil. Puesto que no se pierde la intercarnbiabilidad, a veces se incrementa la holgura 0 claro hasta OAOOIP para obtener este chafIan mayor. En algunas aplicaciones se ha usado un lingulo de presion 17 17!o con una holgura de 0.300IP para producir una razon de contacto de 2. Modificaciones de la distancia entre los centros Cuando se deben acoplar engranes con numeros bajos de dientes 0 cuando es preciso hacerlo con engranes de mayor tarnano, se puede obtener cierta reduccion en la interferencia y una mejora en la razon de contacto, aumentando la distancia entre los centros . Aunque este sistema cambia las proporciones del diente y el angulo de presion de los engranes, los dientes resultantes se pueden producir con cortadores de cremallera (0 fresas maes tras) cuando la linea de paso de la cremallera se ha desplazado 0 descentrado una distancia e en relacion con el circulo de paso del engrane. Lo que se esta haciendo en este caso es desplazar el cortador de cremallera, alejandolo mas del centro del engrane que se esta cortando . Esto producira dientes mas gruesos que antes y es preciso calcular este espesor . En la figura 7-19a se ilustra el problema y en la figura 7-19b se presenta su solucion. El aumento sobre la magnitud esUmdar es 2e tan ¢, de manera que t = 2e tan ¢ +� (7-17) en donde cP es el angulO de presion del cortador de cremallera y t es el espesor del diente del engrane en su propio circulo de paso.
- 302. 286 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS I I - + - Desp lazamiento del la cortadora de cremaHera , : (al Figura 7-19 Cfrculo de paso f del engrane " Cfrculo de (aesarrolladol paso del I engrane Linea de de la cremallera (b) Sup6ngase ahora que se han cortado dos engranes con diferentes numeros de dientes, con el cortador descentrado respecto a los circulos de paso, como se indic6 en el parrafo anterior. Puesto que los dientes se han cortado con un cortador ex centrico, se acoplanin con un nuevo angulo de presi6n y tendran nuevos circulos de paso, y, en consecuencia, tambien tendran nuevas distancias entre los centros. Aqui se usa la palabra nuevo en el sentido de no ser estandar. El problema consis te, pues, en determinar el radio de estos nuevos circulos de paso y el valor del nuevo angulo de presi6n. En la siguiente notaci6n, la palabra estimdar se refiere a los valores que se habrian obtenido de haberse empleado los sistemas usuales, 0 estlmdar, para ob tener las dimensiones: <I> = angulo de presi6n del cortador generador de cremallera <1>' = nuevo angulo de presi6n al que se acoplaran los engranes r2 = radio de paso estandar del pifi6n r2 = nuevo radio de paso del pifi6n, cuando se acopla con el engrane dado r3 radio de paso esUmdar del engrane r3 = nuevo radio de paso del engrane, cuando se acopla con el pifi6n dado t2 = espesor real del diente del pifi6n en el radio de paso estandar t3 = espesor real del diente del engrane en el radio de paso estandar t2 = espesor del diente del pifi6n en el nuevo radio de paso r2 13 = espesor del diente del engrane en el nuevo radio de paso r� N2 numero de dientes del pifi6n N3 = numero de dientes del engrane Segttn la ecuaci6n (7-16) t' = 2r, (1L + inv A.. 3 3 2r3 '+' inv <1>') (a) (b)
- 303. ENGRANES RECTOS 0CILiNDRICOS 287 La suma de estos dos espesores debe ser igual al paso circular, 0 bien, partiendo de la (7-2) t' + t' - - 21Tr2 2 3 - Pc - N2 (c) Los diametros de paso de un par de engranes acoplados son proporcionales a sus numeros de dientes, de manera que y (d) Al substituir las ecuaciones (a), (b) y (d) en la (c), y despues de reacomodar los terminos, se obtiene (7-18) La (7-18) da el angulo de presion <p' al que un par de engranes operaran, cuando se han modificado los espesores de los dientes en sus circulos de paso a t2 y t3. Se ha demostrado que los engranes no tienen circulos de paso hasta que un par de ellos haya entrado en contacto. Al hacer que un par de engranes entren en contacto, se crea un par de circulos de paso que son tangentes entre sl en el punto de paso. En el curso de este estudio se ha aplicado la idea de un par de los lla mados circulos de paso estimdar, para definir un punto especifico en las curvas in volutas . Como se vio anteriormente, estos circulos de paso estandar son los que se habrian producido al acoplar los engranes si estos no se hubieran modificado res pecto a /as dimensiones est{mdar . Por otro lado, los de base son circulos fijos que no se alteran cuando se hacen modificaciones en los dientes. EI circulo de base sigue siendo el mismo, sea que se carnbien 0 no las dimensiones del diente; por tanto, se puede determinar el radio del circulo de base, usando el circulo de paso estimdar , 0 bien, el nuevo circulo de paso . Por consiguiente, la ecuacion (7-15) se puede expresar como De donde, o bien, o rb = r2 cos <p' r2 cos <p' = r2 cos <p , r2 cos <p r - --=-- - --'- 2 - cos <p' Del mismo modo , para el engrane, , 'l eos <p r - 3 - cos <p' (7-19) (7-20) Estas ecuaciones dan los valores de los radios de paso reales cuando los dos en granes con dientes modificados se acop/an sin juego entre dientes. Por supuesto, la nueva distancia entre los centros es la suma de estos radios.
- 304. 288 TEORiA DEMAQUINAR Y MECANT'SMOS Figura 7-20 Engrane estandar de altura compJeja de 20° y 12 dientes. presentando socavacion. Ahara han desarrollado todas las relaciones necesarias para crear engranes no estfmdar con cambios en la distancia entre los centros. La utilidad de e,<;tas rela ciones se ilustra mejor par medio de un ejemplo. En la figura 7-20 se presenta un dibujo de un pii16n de 20°, de paso 1 y 12 dientes, generado con un cortador de cremallera que tiene una holgura esUmdar de 0.250IP. En el sistema de altura completa de 20°, la interferencia es severa siempre que el mimero de dientes sea menor que 14. La socavacion resultante es evidente en el propio dibujo. Si este pifi6n se acoplara con un engrane estfmdar de 40 dientes, la raz6n de contacto seria 1 .41 , 10 que puede verificarse con facilidad aplicando la ecuaci6n (8-7). Para tratar de eliminar la socavaci6n, mejorar la acci6n de los dientes y au mentar la razon de contacto, supongase que se corta el pifi6n de 1 2 dientes partien do de un disco en blanco mas grande. Luego, el pifi6n resultante se acoplara una vez mas con el engrane estandar de 40 dientes, can el fin de determinar el grado de mejora. Si se designa el pifi6n con el subindice 2 y el engrane con el 3, se encon traran los siguientes valores: t.P 20° r2 = 6 pulg r3 = 20 pulg P = 1 Pc = 3.1416 pulg t3 ] .5708 pulg N2 12 teeth N3 = 40 teeth EI cortador de cremallera se descentrara de tal modo que su linea de adden dum pase por el punto de interferencia del pifion, es decir, el punto de tangencia de la linea de presi6n de 20° y el circulo de base, como se ilustra en la figura 7-21. Basfmdose en la ecuacion (7-15), se tiene (e)
- 305. ENGRANES RECTOS 0CILiNDRICOS 289 Unaa de paso de la cremallerii _ ---+--:;".L- -'---- Figura 7-21 Descentrado de una cremallera para hacer que su linea de addendum pase por el punto de interferencia. Entonces, segun la figura 7-21 e = a + rb cos 4> r2 Despues de substituir la (e) en la (j) da e = a + '2 COSZ 4> rz = a 'zsen z 4> (f) Para una cremallera estimdar, el addendum es .a = 1 /P ; de modo que a = 1 pulg para este problema. La excentricidad que se usara es e = 1 - 6 sen2 20° = 0.2981 pulg Luego, al resolver la (7- 1 7) para el espesor del diente del pinon en su circulo de paso de 6 pulg, se obtiene p 3.1416 t2 = 2e tan 4> + i. = (2)(0.298 1) tan 200 + - 2 - 1 .7878 pulg El lingulo de presi6n al que estos engranes (y s610 estos engranes) operaran se encuentra a partir de la ecuaci6n (7- 1 8), • .1.. ' _ NZ(t2 + (3) - 21Trz + . .I.. mv "P - 2rz(Nz + N3) mv "P = 1 2( 1 .7878 + 1 .5708) - 21T6 + . 200 = 0 019 077 d (2)(6)(1 2 + 40) mv . ra De la tabla 6 del apendice se obtiene 4>' = 2 1 .65 1 10
- 306. 290 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Si se usan las ecuaciones (7-19) y (7-20), se encuentra que los nuevos radios de paso son , 1'2 cos </J 6 cos 20° 1'2 = cos </J' = cos 21.6511° := 6.0662 puIg 1" = 1'3 cos </J = 20 cos 20° = 20 220 pulg 3 cos </J' cos 21.651 1° . De manera que la nueva distancia entre los centros es r; + r; = 6.0662 + 20.220 := 26.286 pulg N6tese que no se increment6 la distancia entre los centros tanto como la excen tricidad del cortador de cremallera. AI principio se especific6 una holgura de 0.25IP, 10 que hizo que los dedenda esUmdar fueran iguales a 1 .251P. Asi pues, los radios de raiz de los dos engranes son Radio de raiz del pifi6n Radio de raiz del engrane Suma de los radios de raiz 6.2981 - 1.25= 5.0481 pulg 20.0000 - 1.25 = 18.7500pulg = 23.7981 pulg La diferencia entre esta suma y la distancia entre los centros es la altura de trabajo mas dos veces la holgura. Puesto que la holgura es 0.25 puig para cada engrane, la altura de trabajo es 26.286 - 23.7981 - (2)(0.25) = 1.9879 in puig El radio exterior de cada engrane es la suma del radio de raiz, la holgura y la altura de trabajo, Radio exterior del pii'i6n = 5.0481 + 0.25+ 1.9879 = 7.2860 puig Radio exterior del engrane = 18.75+ 0.25+ 1.9879 = 20.9879 pulg EI resultado se ilustra en la figura 7-22 y se ve que el pifi6n tiene una forma de aspecto mas fuerte que la del pifi6n de la figura 7-20. Se ha eliminado por com pleto la socavaci6n. Se puede obtener la raz6n de contacto utilizando las ecua ciones (7-7) a (7-9). Se necesitan las siguientes cantidades: Radio exterior del pifi6n = r; + a = 7.2860 pulg Radio exterior del engrane = r3 + a 20.9879 puIg 1'1l-; = r2 cos </J = 6 cos 20° = 5.6381 puIg 1'1>; = r3 cos </J = 20 cos 200 = 18.7938 puIg Pb = Pc cos </J = 3. 1416 cos 20° 2.9521 puIg
- 307. ENGRANES RECTOS 0cILlNDRICOS 291 Figura 7-22 Luego, se tiene que Ua = [(rj + a)2 dl]1I2 - rj sen</J' = [(20.9879l - (l8.7938)2]112 20.220 sen21.65 1 1° = 1 .8826 pulg Ur = [(r2 + af - dz]1I2 r2 sen</J' = [(7.2860)2 - (5.6381)2]112 6.0662 sen 21.65 1 1<> == 2.3247 pulg Por ultimo, segUn la (7-7), la raz6n de contacto es == Ua + Ur = 1.8826 + 2.3247 == 1 425 me Pb 2.9521 . Por ende, la raz6n de contacto se ha incrementado sOlo ligeramente. No obstante, la modificaci6n se justifica porque se elimina la socavaci6n y se produce una mejora sustancial en la resistencia del diente. Sistemas de addendum largo y corto En el diseiio de maquinaria sucede con fre cuencia que la distancia entre los centros, entre un par de engranes, la fija otra caracteristica de la maquina. En tales casos es imposible hacer modificaciones para obtener un mejor funcionamiento . alterando la distancia entre los centros.
- 308. 292 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS En la seccion anterior se ha visto que se puede obtener una accion y forma mejoradas del diente, haciendo retroceder el cortador de cremallera respecto al dis co en blanco del pinon. EI efecto de este retroceso es crear el perfil activo del dien te a una distancia mayor del circulo de base. Si se examina la figura 7-22, se obser vani que se podria usar un dedendum mayor en el engrane (no en el pinon) antes de llegar al punto de interferencia. S i se hace avanzar el cortador de cremallera hacia el disco en blanco del engrane, una distancia igual a la excentricidad respecto al disco en blanco del pinon, se usani mas del dedendum del engrane y, al mismo tiempo, no se habra cambiado la distancia entre los centros. Esto se conoce como sistema de addendum largo y corto. En el sistema de addendum largo y corto no se registra cambio alguno en los circulos de paso y, en consecuencia, tampoco en el angulo de presion. EI efecto consiste en alejar la region de contacto del centro del pinon, acercandola al centro del engrane, acortando asi la accion de aproximacion y alargando la de retroceso. Las caracteristicas del sistema de addendum largo y corto se pueden explicar con referenda a la figura 7-23. En la figura 7-23a se ilustra un juego convencional (estflndar) de engranes que tiene un dedendum igual al addendum mas la holgura. Existe interferencia. y tendra que rebajarse la punta del diente del engrane como se indica, 0 el pinon sufrira una socavacion. Esto se debe a que el circulo de adden dum del engrane cruza la linea de presion en D. afuera del punto de tangencia 0 interferencia C; por consiguiente, la distancia CD es una medida del grado de in terferencia. Para eliminar la socavacion 0 interferencia, se ha agrandado el addendum del piii6n en la figura 7-23b, hasta que el circulo de addendum del piii6n pasa par el punto de interferencia (punta A) del engrane. De esta manera se estani usando todo el perfil del diente del engrane. Se conserva la misma altura total; por ende, se reduce el dedendum del pinon en la misma cantidad en que se incrementa el ad dendum. Esto significa que ahara se debe alargar el dedendum del engrane y acor tar el addendum. Con estos cambios, la trayectoria de contacto es la recta BD de la figura 7-23b; esta es mas larga que la trayectoria Be de la figura 7-23a, y, por con siguiente, la razon de contacto es mayor. Notese tambien que no han cambiado los circulos de base, los de paso, el angulo de presion y la distancia entre los centros. Ambos engranes se pueden cortar con cortadores estflndar, haciendolo avanzar hacia el disco en blanco del engrane una distancia igual a la magnitud del retro ceso, para esta modificacion, en relacion con el disco en blanco del pinon. Por ul timo, notese que los discos en blanco de los que se cortan los engranes tienen ahora diametros distintos a los estandar. Ahora se pueden determinar las dimensiones del diente para el sistema de ad dendum largo y corto aplicando las ecuaciones desarrolladas en las secciones previas. Una ventaja menos obvia del sistema de addendum largo y corto es que se ob tiene una mayor accion de retroceso que de aproximacion. La acci6n de aproxi macion de los dientes de engrane es analoga a la de empujar un trozo de tiza sabre un pizarr6n; se provoca un chirrido. Por el contrario, cuando se tira del gis sobre
- 309. (a) ,03 � ENGRANE '-' rfi " =--==!==D "- '" "" ' ' PIOON' " �rrculode bas -- (b) -!ra;- J ENGRANE crrculode base Addendum / z ----- --- / �/ , / Addendum PlfilON ' Crrculode base� - - '°2 Figura 7-23 Comparaci6n de los engranes estfmdar y los cortados mediante el sistema de addendum largo y corto: a) engrane y pif6n con addendum y dedendum est!mdar, b) engrane y pif6n con addendum largo y corto. t!1 5 � rn � ("') d CIl o ("') F Z � (=5 o CIl �
- 310. 294 1EORtA DEMAQUINAS Y MECANISMOS el pizarron, se desliza con suavidad; esta accion es amlloga a la de retroceso. Por consiguiente, siempre se prefiere la accion de retroceso debido a la suavidad y a las fuerzas de friccion menores. El sistema de addendum largo y corto no ofrece ventaja alguna si los engranes acoplados son del mismo tamano. En esta situacion, el incrementar el addendum de uno de los engranes tan solo produciria una mayor socavacion en el otro. Asimismo, es obvio que el engrane menor del par debe ser el impulsor si se desea obtener las ventajas de la accion de retroceso . 7-12 PERFIL CICLOIDAL El perfil cicloidal se utilizo profusamente en la fabricacion de engranes hace aproximadamente un siglo, en virtud de la facilidad para producirlos por fundi cion. En la actualidad se usa solo en raras ocasiones por razones que se explicaran en esta seccion. En la figura 7-24 se muestra la construccion de un perfil cicloidal. Dos circulos generadores, representados por lineas a trazos, ruedan sobre el interior y el ex terior, respectivamente, del circulo de paso y generan el flanco hipocicloidal y la cara epicicloidal del diente del engrane . Estos dos mismos circulos sirven tambien para generar el perfil de los dientes del pinon correspondiente; pero ahora se in vierte el papel de los circulos generadores. El circulo que genero el flanco del dien te del engrane genera ahora la cara epicicloidal del diente del pinon. Y, del mismo modo, el circulo que genero la cara del diente del engrane genera ahora el flanco del diente del pifi6n. Cfrculode paso del engrane Figura 7-24 Generaci6n de dientes cicloidales sobre un engrane.
- 311. ENGRANES RECTOS 0cILlNDRICOS 295 I Engrane impulsado J----��-----� B----- 031 Unea de los i centros Trayectoria de corltat::tO-+-· Circulo de paso del Anc,rar,e ·-".. Figura 7-25 Notese que al generar un lado de un diente, los dos eireulos generadores ruedan en direcciones opuestas. En la figura 7-25 se ilustran acoplados el pinon y el engrane producidos por este metodo. Considerese que el pinon es el irnpulsor y que gira en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj . Los dos circulos de paso son tangentes en el punto de paso P y ruedan sobre si mismos sin resbalar. Los dos circulos generadores tienen centros estacionarios en A y B, y tambien ruedan con los circulos de paso en movimiento. Existe un punto de contaeto C en la interseecion del cireulo generador con el centro en A y los dos perfiles de contaeto. Sea C2 un punto del flanco del diente del pinon y C3 un punto de la cara del diente del en grane. Conforme los dos circulos de paso y el circulo generador ruedan el uno sobre el otro, un punto del circulo generador recorre simultaneamente la cara del diente sobre el engrane movil, y el flanco del diente sobre el pinon movil. De esta manera el punto C es una posicion instantanea de este punto movil y el arco CP, del circulo generador, es su trayectoria. El eontacto inicial ocurrira en D, en donde el circulo de addendum del engrane impulsado corta al circulo generador. Por con siguiente, la trayeetoria completa de aproximaeion es el arco DP. Durante la aproximacion solo se han usado las porciones de los perfiles de diente generados por el circulo con centro en A . Regresando a la figura 7-25, n6tese que el punto d e paso P es el centro instan taneo de rotaci6n del circulo generador, sin importar eual de los dos circulos de paso se considera que esta rodando. Por ende, P es el centro instantaneo de ro-
- 312. 296 TEORtA DEMAQUINAS Y MECANISMOS tacion del punto C, sobre el circulo generador, y, en consecuencia, la recta PC es normal a los dos perfiles de diente; como los dos engranes giran, siempre se cum plini esto. Por consiguiente, el engranaje cicloidal satisface la ley del engranaje en que la normal al perfil de diente pasa siempre por el punto de paso No obstante, notese que la recta PC, que es la linea de presi6n, no tendra una inclinaci6n constante. Conforme el punto de contacto se acerca al de paso, la linea de presion tiende a la perpendicularidad con la linea de los centros. Durante la acci6n de retroceso el circulo generador con centro en B es el que actua. El contacto se produce sobre la cara del diente del pinon y el flanco del diente del engrane. Notese que cada uno de estos perfiles es generado por el circulo que dene su centro en B. Durante el retroceso, la linea de presi6n gira regresando hacia una inclinaci6n similar a la que tuvo durante la aproximaci6n. EI punto final de contacto se localiza en E, en donde el circulo de addendum del pifi6n se inter seca con el circulo generador. Por ende, la trayectoria de contacto durante el retroceso es la distancia PE a 10 largo del arco. El angulo de presi6n variable del diente cicloidal genera ruido y desgaste adicionales, y tambien produce cambios en las reacciones sobre el cojinete en los soportes del eje. Del mismo modo, la doble curvatura que ocurre con frecuencia introduce problemas en el corte de los dientes, que no se presentan can la forma de involuta . Para que funcionen con propiedad, los engranes cicloidales se deben operar exactamente a la distancia correcta entre los centros porque, de 10 con trario, las porciones que entran en contacto de los perfiles no senin conjugadas. Puesto que de necesidad ocurren deflexiones debido a la transmisi6n de carga, sena virtualmente imposible mantener la distancia correcta entre los centros bajo todas las condiciones de carga. Por 10 tanto, en la mayor parte de las aplicaciones existentes, parece que la forma cicloidal de los dientes tiene poco que ofrecer en comparaci6n con el perfil de involuta. PROBLEMAS 7-1 Determ1nese el paso diametral de un par de engranes cuya distancia entre los centros es de 0. 362 5 puig. Los engranes tienen, respectivamente, 32 y 84 dientes. 7-2 Encuentrese el numero de dientes y e1 paso circular de un engrane con un diametro de paso de 6 pulg y cuyo paso diametral es 9. 7-3 Determinese e1 m6dulo de un par de engranes cuya distancia entre los centros es de 58 mm. Los en granes tienen 18 y 40 dientes, respectivamente. 7-4 Encuentrese el numero de dientes y el paso circular de un engrane cuyo diametro es de 200 mm, si el modulo es 8 mm par diente. 7-5 l.CuaIes son el paso diametral y el diametro de paso de un engrane de 40 dientes cuyo paso circular es de 3 .50 pulg? 7-6 Los diametros de paso de un par de engranes acoplados son 31 Y 8l puIg, respectivamente. Si el pa so diametrales 16, l.cuantos dientes hay en cada engrane? 7-7 Encuentrese eI modulo y el diametro de paso de un engrane cuyo paso circular es de 40 mm, si el engrane tiene 36 dientes. 7-8 T"OS diametros de paso de un par de engranes son de 60 y 100 mm, respectivamente. Si eI m6dulo es 2.5 mm por dientes, l.cuantos dientes hay en cada engrane?
- 313. ENGRANES RECTOS 0CILINDRICOS 2!n 7·' (,Cu{ll es el diametro de un engrane de 33 dientes si el paso circular es de 0.875 pulg? 7·10 Un eje sostiene un engrane de 30 dientes con paso diametral de 3, el cual impulsa a otro engrane a una velocidad de 480 rpm. i,A que velocidad gira el engrane de 30 dientes si la distancia entre los cen tros de los ejes es de 9 puIg? 7·11 Dos engranes que tienen una raz6n de velocidades angulares de 3:1 estan montados sobre ejes cuyos centros estan separados 136 mm. Si el modulo de los engranes es 4 mm, l,cuantos dientes tiene cada engrane? 7·12 Un engrane que tiene un modulo de 4 mm por diente y 21 dientes impulsa a otro cuya velocidad es de 240 rpm. (,Con que rapidez gira el engrane de 21 dientes si Ia distancia entre los centros de los ejes es de 156 mm? 7-13 Un pinon de 24 dientes con un paso diarnetral de 4 debe impulsar a un engrane de 36 dientes. Los engranes se cortan en el sistell1a de involuta de 20° y altura completa. Hagase un dibujo de los engranes presentando un diente de cada uno de ellos. Calculense y tabulense el addendum, el dedendum, la hol gura, el paso circular, eJ espesor del diente y los diametros de los circulos de base; asimismo, las trayec torias de aproximaci6n, retroceso y accion; asi como la razon de contacto y el paso de base. 7-14 Un pifi6n de 15 dientes y paso diametral de 5 se va a acoplar can un engrane interno de 30 dientes. Ambos son de involuta de 20°, de altura completa. Hagase un dibujo de los engranes mostrando varios dientes de cada uno. l,Es posible montar estos engranes en direcci6n radial? De no ser asi, l,que remedio se debe apUcar? 7-1S Se acopla un pifi6n de 17 dientes y un paso diametral de 2! , a un engrane de 50 dientes. Ambos se cortan en el sistema de involuta de 20° y de altura completa. Hagase un dibujo de los engranes mos trando un diente de cada uno de eUos. Encuentrense los arcos de aproximaci6n, de retroceso y de ac ci6n, as! como la raz6n de contacto, obteniendo directamente los datos del dibujo. 7·16t Un juego de engranes tiene un modulo de 5 mm por diente, es de dientes de altura completa y un :ingulo de presion 22�o , y tiene 19 y 31 dientes, respectivamente. Hagase un dibujo de los engranes presentando un diente de cada uno de ellos. Osese 1 .0 m para el addendum y 1.35 m para el dedendum. Tabulense el addendum, el dedendum, la holgura, el paso circular, el espesor del diente, el diametro del circulo de base, el paso de base y la rawn de contacto. 7.17' Un engrane tiene un m6dulo de 8 mm por diente y 22 mentes, y se acopla con una cremallera. EI addendum y el dedendum son, respectivamente, 1 .0 m y 1.25 m; el angulo de presion es de 25° . Hagase un dibujo presentando los dientes acoplados y midanse las longitudes de la trayectoria de aproxima cion, la de retroceso y la trayectoria total de contacto sobre la linea de acci6n. i,Cual es la raz6n de con tacto? 7·18 Repitase el problema 7-15, utilizando en esta ocasion el sistema de 25° de altura completa. 7·19 Dibujese un engrane de 26 dientes y paso diametral 2 acoplado con una cremallera. Los engranes son de involuta de 20° y de altura completa. a) Encuentrense los areas de aproximacion, de retroceso y de accion, asi como la raz6n de contacto. b) Dibujese una segunda cremallera acoplada al mismo engrane; pero con una excentricidad de 1/8 pulg hacia afuera del centro del engrane. Determinese la nueva raz6n de contacto. ;,Se registr6 algUn cambio en el Angulo de presi6n? 7·20 a 7·24 Los cortadores limadores para engranes tienen la ventaja de que se pueden usar tanto para engranes exteriores como interiores, y tambien de que s6lo se necesita una pequel'la carrera en vacio al final de la carrera. Se puede simular con facilidad la acci6n generadora de un cortador limador para pinon empleando una hoja de plastico transparente. En la figura se ilustra un diente de un cortador de pinones de 16 dientes, con un lingulo de presi6n de 20°, tal y como se puede cortar a partir de una hoja de plastico. Para construir el cortador, tracese el diente en una hoja de papel de dibujo. Asegurese de incluir la holgura en la parte superior del diente. Tracense rectas radiales a traves del circulo de paso, espaciadas a distancias iguales a la cuarta parte del espesor del mente, como se muestra en la figura. t En el SI, las dimensiones de los dientes se dan en m6dulos, m. Por ende, a = 1 .0 m significa 1 m6dulo y no I metro.
- 314. 298 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANlSMOS Problemas 7-20 Y 7-24 Ahora, sujetese el plastico sobre el dibujo y grabese la figura por recortar, el circulo de paso y las rectas radiales sobre la hoja. A continuacion se retira esta y se recorta el perfil del diente con una hoja de rasurar. Se debe usar despues un trozo pequeno de lija fina para eliminar cualquier rebaba. Para generar un engrane con el cortador, 10 iinico que se necesita trazar es el cireulo de paso y el de addendum. Divldase el circulo de paso en espacios iguales a los que se usaron en la plantilla y tracense rectas radiales por 10 puntos de division. Entonc� se obtienen los perfiles de los dientes haciendo £Odar el circulo de paso de la plantilla sabre el del engrane, y trazando con suavidad el diente del cortador para cada posici6n. El diente generado resultante sabre el engrane quedara marClido con toda daridad. Todos los problemas que siguen emplean una plantilla estandar de paso diametral 1 y altura completa, como la que se aeaba de deseribir. En cada easo generense unos cuantos dientes y estimese la magnitud de la socavaci6n. Niimero del problema Niimero de dientes 7-20 7·21 7·22 7·23 7·24 10 12 14 20 36 7-25 t Un engrane con un m6dulo de 1 0 mm tiene 17 dientes, un angulo de presion de 20°, un adden· dum de 1 .0 m y un dedendum de 1 .25 m. Determinese el espesor de los dientes en el circulo de base y en el de addendum. l.CuaI es el angulo de presion correspondiente al circulo de addendum? 7·26 Un pin6n de 15 dientes tiene 1 . 5 de paso diametral y dientes de altura eompleta de 20°. Calculese el espesor de los dientes en el cireulo de base. l.Cuaies son el espesor y el angulo de presi6n en el cireulo de addendum? 7-27 Un diente tiene un espesor de 0.785 pulg a un radio de 8 puig y un angulo de presi6n de 25° . l.Cuttl es el espesor en el eireulo de base? 7-28 Un diente tine 1 .37 pulg de espesor en el radio de paso de 1 6 pulg, y un angulo de presi6n de 20Q. l,A que radio se haee puntiagudo el diente? 7-29 Un pin6n de involuta de 25° y un paso diametral de 12 dene 18 dientes. CaCulese el espesor de los dientes en el circulo de base. l.CuaI es el espesor y el angulo de presi6n en el cireulo de addendum? t Vease la nota al pie de la p. 297.
- 315. ENGRANES RECTOS 0CILtNDRICOS 299 7-30 Se debe cortar un pii'i6n especial de 10 dientes y paso diametral de 8, con un angulo de presi6n de 221 12°. ;..Que addendum maximo se puede usar antes de que los dientes se hagan puntiagudos? 7-31 Se puede medir la exactitud en el corte de los dientes de engrane ajustando clavijas endurecidas y rectificadas en espacio entre dientes diametralmente opuestos, y midiendo la distancia sobre estas clavijas. Un engrane tiene 96 dientes y un paso diametral de 10, y se corta siguiendo el sistema de in voluta de altura completa y 20°. a) Calculese el diametro de la clavija que h�ra contacto con los dientes en las lineas de paso, si no se permitejuego alguno entre dientes. b) Si el engrane se corta con exacdtud, i,cuftl debe ser la distancia medida sobre las clavijas? 7-32 Se corta un juego de engranes intercambiables siguiendo el sistema de involuta, de 20° y altura completa, con un paso diametral de 4. Los engranes tienen 24, 32, 48 y 96 dientes. Calculese, para cada engrane, el radio de curvatura del perfil de los dientes, tanto en el circulo de paso como en el de adden dum. 7-33 Calculese la raz6n de contacto de un pift6n de 1 7 dientes que impulsa a un engrane de 73 dientes. Los engranes tienen un paso diametral de 96 y se cortaron apJicando el sistema de paso fino de 20° . 7-34 Un piMn especial de 1 1 dientes y angulo de presi6n de 25° debe impulsar un engrane de 23 dientes. Los engranes tienen un paso diametral de 8 y son de dientes truncados. ;,Cual es la raz6n de contacto? 7-35 Un pifi6n de 22 dientes se acopla con un engrane de 42 mentes. Los engranes son de altura com pleta, denen un paso diametral de 16 y se cortan con un angulo de presi6n de Encuentrese la raz6n de contaeto. 7-36 Un par de engranes acoplados tienen un paso diametral de 24 y se produjeron con el sistema de 20°. Si el numero de dientes es IS y SO, l,que addenda maximos pueden tener si no debe ocurrir inter ferenda? 7-37 Se produce un fuego de engranes por fundici6n con un angulo de presi6n de !7!o y un paso cir cular de 4! pulg. El pii'i6n tiene 20 dientes de altura completa. Si el engrane cuenta con 240 dientes, leua! debe ser su addendum para evitar la interferencia? 7-38 Con el metodo descrito en el problema 7-20, cortese un diente de cremallera de altura completa, con un paso diametral de I y un Angulo de presi6n de 20°, utilizando una hoja de plastico transparente. Usese una holgura modificada de 0.351P para obtener un claflan mas fuerte. Se puede usar esta plan tilla para simular la acci6n generadora de una fresa maestra. Ahora, con el sistema de distancia variable entre los centr�s, generese un pifl6n de 1 1 dientes para que se acople con un engrane de 25 dientes sin interferencia. An6tense los valores hallados para la distaneia entre los centros, los radios de paso, el an gulo de presi6n, los diametros de los discos en blanco, la excentricidad del cortador y la razon de con tacto. Observese que existe mas de una soluci6n satisfactoria. 7·39 Con la plantilla que se eonstruy6 en el problema 7-38, generese un pifi6n de 1 1 dientes para acoplarlo con un engrane de 44 dientes, aplicando el sistema de addendum largo y eorto. Determinense y an6tense valores apropiados para el addendum y el dedendum del engrane y e! pifi6n, y para la excen tricidad del cortador y la raz6n de contacto. Comparese la raz6n de eontacto con la que se habria ob tenido si se hubieran empleado engranes estfmdar. 7-40 Un pifi6n estandar de 20 dientes, con un paso diametral de 1, altura completa y un angulo de presion de 20� impulsa a un engrane de 48 dientes. La velocidad del pii'i6n es de 500 rpm. Usando la longitud de la trayectoria de contacto como abscisa, tracese una curva que muestre la velocidad de deslizamiento, cambia de signo cuando el punto de eontacto pasa por el punto de paso.
- 316. CAPITULO OCUO ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CONlCOS La mayoria de los ingenieros prefieren utilizar engranes re,tos cuando es preciso transferir potencia entre ejes paralelos, porque son mas faciles de diseiiar y, a menudo, su fabricacion mas economica; pero a veces las necesidades del diseiio son tales que los engranes helicoidales resultan la mejor opcion. Esto es cierto sobre todo cuando se trata de cargas pesadas, altas velocidades 0 cuando se debe man tener bajo el nivel de ruido. Cuando se debe transmitir movimiento entre ejes que no son paralelos, no se puede utilizar el engrane recto; el diseiiador debe elegir entonces entre los engranes helicoidales cruzados, de gusano, conicos 0 hipoidales. Los engranes conicos tienen dientes rectos, contacto lineal y eficiencias altas. Los engranes helicoidales cruzados y los de gusano tienen una eficiencia mucho menor debido a que se in crementa la acci6n de deslizamiento; sin embargo, si se emplean buenos principios de ingenieria, se pueden diseiiar engranes helicoidales cruzados y de gusano con valores bastantes aceptables de la eficiencia. Los engranes hipoidales y los conicos se emplean en aplicaciones similares, y aunque los hipoidales cuentan con dientes inherentemente mas fuertes, la eficiencia es con frecuencia mucho menor. Los en granes de gusano se empleart cuando se requieren razones de velocidades elevadas. 8-1 ENGRANES HELICOIDALES DE EJES PARALELOS Los engranes helicoidales se usan para transmitir movimiento entre ejes no pa ralelos y paralelos. Cuando se emplean con ejes no paralelos reciben el nombre de engranes helicoidales cruzados; y se estudian en la secci6n 8-6.
- 317. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y C6NICOS 301 l/Ib=angulo Figura 8-1 Helicoide de involuta. La forma de los dientes de un engrane helicoidal es un helicoide de involuta, como la que se ilustra en la figura 8-1. Si se corta un trozo de papel dimdole la for ma de un paralelogramo y se enrolla alrededor de un cilindro, el borde angular del papel se convierte en una helice. Si a continuaci6n se desenrolla el papel, cada pun to de la orilla angular genera una curva involuta. La superficie obtenida cuando cada punto de la orilla genera una involuta recibe el nombre de helicoide de in voluta. EI contacto inicial de los dientes de engranes rectos es una recta que se extien de a todo 10 largo sobre la cara del diente. EI contacto inicial de los dientes de en granes helicoidales es un punto que se convierte en una recta conforme los dientes se encastran mas; en los engranes helicoidales, la recta es diagonal a traves de la cara del diente. Es este encastramiento gradual de los dientes y la suave transferen cia de la carga de un diente a otro 10 que les confiere a los engranes helicoidales la capacidad de transmitir cargas pesadas a velocidades elevadas. Se obtienen los engranes de helice doble (llamados tambien de espina de pes cado) cuando para cada engrane se cortan dientes derechos e izquierdos en el mis mo disco en blanco y funcionan en ejes paralelos. Las fuerzas de empuje en las mitades derecha e izquierda son iguales y opuestas y se cancelan entre si. 8-2 RELACIONES ENTRE LOS DIENTES DE ENGRANES HELICOIDALES En la figura 8-2 se representa una porci6n de la vista superior de una cremallera helicoidal. Las rectas AB y CD son las lineas de los centros de dos dientes heli coidales adyacentes, tomadas sobre el plano de paso. El angulo '" es el angulo de helice y se debe medir en el diametro de paso, a menos que se especifique otra cosa. La distancia AC es el paso circular transversal PI en el plano de rotaci6n. La
- 318. 302 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS distancia AE es el paso circular normal Pn Y se relaciona con el paso circular trans versal como sigue: Pn PI cos 1/1 La distancia AD se denomina paso axial Px Y es (8-1) (8-2) Secci6n A-A Figura 8.2 Relaciones entre los dientes en un engrane helicoidal. Puesto que P"Pn = 1T, el paso diametral normal es P = n cos 1/1 (8-3) en donde PI es el paso diametral transversal. Debido a la angularidad de los dientes, se deben definir dos angulos de presion. Estos son el angulo de presion transversal <PI y el angulo de presion nor mal <Pn, como se ilustra en la figura 8-2. Ambos se relacionan por medio de
- 319. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CONICOS 303 cos '" == tan <Pn tan <Pt (8-4) Al aplicar estas ecuaciones conviene recordar que todas las ecuaciones y relaciones que son v{llidas para los engranes rectos, se aplican de la misma manera para el plano transversal de un engrane helicoidal. Se puede lograr una mejor imagen de las relaciones entre los dientes a traves de un examen minucioso de la figura 8-3. Con el fin de obtener las relaciones geometricas, se ha cortado un engrane helicoidal mediante el plano oblicuo AA que forma un angulo '" con una secci6n transversal normal. Para mayor conve niencia s610 se muestra el cilindro de paso de radio r. La figura muestra que la in tersecci6n del plano y el cilindro de paso produce una elipse cuyo radio en el punto de paso Pes reo Este se conoce con el nombre de radio de paso equivalente, y es el radio de curvatura de la superficie de paso en la secci6n transversal normaL Para la condid6n de que I/J == 0, este radio de curvatura es r. Si se piensa en que el lin gulo I/J aumenta lentamente desde 0 hasta 90°, se ve que 'e principia en un valor de r y se incrementa hasta que re = 00. cuando '" = 90°. Se puede demostrar t que , r ---- • - cos2 '" (8-5) en donde r es el radio de paso del engrane helicoidal Y 'e es el radio de paso de un engrane recto equivalente. Este engrane equivalente se toma sobre la secci6n nor mal del engrane helicoidal. Definamos el niimero de dientes en el engrane heli coidal como Ny en el engrane recto equivalente, como Ne• Por 10 tanto, (d) t La ecuaci6n de una elipse can su centro en el origen de un sistema xy, siendo a y b el se mieje mayor y el semieje menor, respectivamente, es (a) Asimismo, la f6rmula para el radio de curvatura es [1 + (dyldx)2]312 P = d2yldx2 (b) Si se usan estas dos ecuaciones, no es dificil hallar el radio de curvatura correspondiente a x = 0 y y b. EI resultado es Ahora, can referencia a la figura 8-3, se sustituye a r /(cos "') y b = r en la ecuaci6n (c) y se obtiene la ecuaci6n (8-5).
- 320. 304 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS C!rculo equivalente Figura 8·3 en donde de = 2re es el diametro de paso del engrane recto equivalente. Asimismo, Ia (d) se puede escribir N-_d_�_� e - cos2 t/J cos t/J - cos3 t/J 8-3 PROPORCIONES DE LOS DIENTES EN LOS ENGRANES HELICOIDALES (8-6) Excepcion hecha de los engranes de paso fino (con un paso diametral de 200 mas fino), no existe un esUmdar para las proporciones de los dientes de engranes he licoidales. Una de las razones de esto es que resulta mas barato cambiar el disefio ligeramente que comprar herramientas especiales. Puesto que, de todas maneras, los engranes helicoidales rara vez se usan en forma intercambiabIe; y dado que existen muchos disefios diferentes que funcionan bien juntos, en reaiidad se ob tienen pocas ventajas en haeerlos intereambiables. Como regIa general, las proporciones de los dientes se deben basar en un an gulo de presion normal de 20°; de modo que se pueden usar la mayor parte de las proporciones presentadas en la tabla 7-1. Las dimensiones de dientes se deben cal cular utilizando el paso diametral normal. Estas proporciones son adecuadas para angulos de beliee desde 0 hasta 30°, y todos los angulos de heliee se pueden cortar
- 321. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CONICOS 305 con Ia misma fresa maestra. Por supuesto, el paso diametral normal de la fresa maestra y del engrane deben ser iguales. Es factible basar un conjunto opcional de proporciones en un angulo de presi6n transversal de 20° y el uso del paso diametral transversal. Para estas, los {mgulos de belice se restringen comiinmente a 15,23,30045°. No se recomiendan anguIos mayores de 45°. Todavia debe seguirse utilizando el paso diametral nor mal para calcular las dimensiones de los dientes. Las proporciones dadas en la tabla 7-1 por 10 Muchos especialistas recomendaban que la anchura de Ia cara de los engranes helicoidales fuera por 10 verdadera acci6n de engrane helicoidal. Una excepci6n a esta regIa son los en granes automotrices que tienen una anchura de cara considerablemente menor, y los engranes marinos de reducci6n, que con frecuencia tienen una anehura de cara mucho mayor. Conviene hacer notar tambien que en un juego de engranes helicoidales pa ralelos, los dos deben tener el mismo angulo de heliee y el mismo paso, y deben ser de mana opuesta. La raz6n de velocidades se determina al igual que en el caso de los engranes rectos. 84 CONTACTO DE LOS DIENTES EN WS ENGRANES HELICOIDALES Los dientes de engranes rectos acoplados entran en contacto en una recta que es paralela a sus ejes de rotaci6n. Como se indica en la figura 8-4, el contacto entre los dientes de engranes helicoidaies es una recta diagonal. Figura 8·4 Mientras que en A apenas se inicia el contac to, en el otro extreme del diente ya ha avanzado desde B hastaC. Existen varias clases de razones de contacto que se USan para evaluar el des· empefio 0 rendimiento de los engranes helicoidales. La raz6n de contacto trans versal se designa por m y es la raz6n de contacto en el plano transversal. Esta raz6n se obtiene exactamente en la misma forma que para los engranes rectos. La raz6n de contacto normal mn es la raz6n de contacto en la secci6n normal; y tambien se encuentra exactamente en la misma forma que para los engranes rec tos; pero en la determinaci6n se deben usar engranes rectos equivalentes. EI angulo de helice de base!/lb y el angulo de helice de paso !/I, para los engranes helicoidales, se relacionan mediante
- 322. 306 TEORiA DEMAQUINAS Y MECANISMOS tan I/Ib tan 1/1 cos cP Luego, las razones de contacto transversal y normal se relacionan mediante m cos2 I/Ib (8-7) (8-8) La razon de contacto axial, llamada tambU:n razon de contacto de cam, es la raz6n de la anchura de cara del engrane al paso axial; esta dada por F Ftan 1/1 mx = - = :....-.:..:..:.::.:....r.. Px PI (8-9) en donde F es la anchura de la cara. N6tese que la raz6n de contacto de cara depende s610 de la geometria de un solo engrane, en tanto que las razones de con tacto transversal y normal dependen de la geometria de un par de engranes aco plados. La raz6n de contacto total mt es la suma de las razones de contacto de cara y transversal. En cierto sentido da el numero total promedio de dientes en contacto. 8-5 ENGRANES DE ESPINA DE PESCADO Los engranes de helice doble, llamados tambien de espina de pescado, se com ponen de dientes con una helice derecha y otra izquierda cortadas sobre el mismo disco en blanco, como se ilustra esquematicamente en la figura 8-5. Una de las desventajas del engrane helicoidal simple es la existencia de cargas axiales de em puje (vease la figura 12-11); que se eliminan por medio de la configuraci6n de es pina de pescado, porque la fuerza de empuje de la mitad derecha es balanceada por la de la mitad izquierda. No obstante, uno de los miembros de un juego de en granes de espina de pescado debe montarse siempre con cierto juego 0 flotaci6n axial para dar margen a los pequefiisimos errores de los dientes y a las tolerancias de montaje. Los imgulos de helice por 10 comun son mayores en el caso de los engranes de espina de pescado que para los engranes helicoidales simples, debido a la ausencia de las reacciones de empuje. Figura 8-5 Dibujo esquemiltico del cilindro de paso de un engrane de helice doble.
- 323. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CONICOS 307 8-6 ENGRANES HELICOIDALES DE EJES CRUZADOS A veces se utilizan los engranes helicoidales cruzados,0 de espiral, cuando las lineas entre los centros de los ejes no son paralelas ni se intersecan. Son esencial mente engranes de gusano envolventes, porque los discos en blanco tienen una forma cilindrica. Los dientes de los engranes helicoidales cruzados tienen contacto puntual en tre si, que se convierte en un contacto lineal conforme los engranes se desgastan. Por esta raz6n s610 pueden soportar del contacto puntual, no es necesario que se monten con precisi6n; pueden hacerse variar la distancia entre los centros,0bien, el angulo entre los ejes ligeramente sin afectar la magnitud del contacto. No existe diferencia entre un engrane helicoidal cruzado y un engrane helicoidal sino hasta que se montan y acoplan entre s1; es decir, se fabrican del mismo modo. Un par de engranes helicoidales cruzados acoplados por 10 mano; es decir, un impulsor derecho va con un impulsado derecho. En la figura 8- 6 se muestra la relaci6n entre el empuje, la mano y la rotaci6n para los engranes helicoidales cruzados. Cuando se especifican los tamafios de los dientes, siempre se debe usar el paso normal. La raz6n de esto es que cuando se usan angulos de heliee diferente para el impulsor y el impulsado, los pasos transversales no son los mismos. La relaci6n del angulo entre los ejes y el angulo de helice es I = 1/12:!:; 1/13 (8-10) Fignra 8-6 Relaciones de empuje, rotaci6n y mano para engranaje helicoidal cruzado. (Boston Gear Works, Inc., North Quincy, Mass.)
- 324. 308 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS en donde ! es el angulo entre los ejes. EI signo mas se usa cuando los dos angulos de heliee son de la misma mano y el signo menos cuando son de mano opuesta. Se usan los engranes helicoidales cruzados de mano opuesta cuando el angulo entre los ejes es pequeno. El diametro de paso se obtiene partiendo de d en donde N = nfunero de dientes Pn = paso diametral normal '" = angulo de helice N (8-11) Puesto que los diametros de paso no se relacionan directamente con los numeros de dientes, no es factible utilizarlos para obtener la razon de velocidades angulares. Se debe obtener esta razon de la razon de los numeros de dientes. Los engranes helicoidales cruzados tendran la veloeidad de deslizamiento mas baja en contacto euando los angulos de helice de los dos engranes sean iguales. Si los angulos de heliee no son iguales, el engrane que Hene el mayor angulo de helice debe utilizarse como el impulsor, si ambos engranes son de la misma mano. No hay un estandar para las proporciones de los dientes de los engranes helicoidales cruzados; muchas proporciones diferentes ofrecen una buena accion de diente. Puesto que los dientes tienen contacto puntual, debe realizarse un es fuerzo por obtener una razon de contacto de 2 0 mas. Por esta razon, los engranes helicoidales cruzados se cortan generalmente can un Angulo de presion bajo yean dientes profundos. Dudleyt da una lista de las proporciones de los dientes. que se presenta en la tabla 8-1 como representativas de un buen diseno. Los numeros de Tabla 8·1 Proporciones de los dientes para engranes helicoidales de ejes cruzados Paso diametral normalP. = 1;altura de trabajo 2.400 pulg; altura total = 2.650 pulg; addendum 1.200 pulg. Impulsor Angulo Numero minimo de helice de dientes o/I2,grados 45 60 75 86 20 9 4 I Angulo de Angulo de Mlice del presion impulsado normal 0/13, grados ,p.. grados 45 30 15 4 1450 1750 19.50 20 Darle W. Dudley, Practical Gear Design, p. 1 J 1. McGraw-Hill, New York, J954.
- 325. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CONICOS 309 dientes para el impulsor ahi indicados son el minimo requerido para evitar la socavaci6n. EI engrane impulsado debe tener 20 0 mas dientes, si se desea obtener una raz6n de contacto de 2. 8-7 ENGRANAJE DE GUSANO En la figura 8-7 se muestra una aplicaci6n de un gusano y su engrane. Estos en granes se emp1ean con ejes que no se intersecan, y que forman casi siempre un angulo entre los ejes de 90°; pero no existe raz6n alguna por la que no se puedan usar otros angulos entre los ejes, si el diseiio asi 10 requiere. EI gusano es el miembro que tiene una rosca tipo tornillo y, con frecuencia, a los dientes del gusano se les menciona como roscas. Los gusanos de uso comun Henen de uno a ocho dientes y, como se vera mas adelante, no existe una relaci6n definida entre el nfunero de dientes y e1 diametro de paso de un gusano. Los gu sanos se pueden diseiiar con una superficie de paso cilindrica, como se muestra en la figura 8-8, 0 bien, pueden tener la forma de un reloj de arena, de tal manera que el gusano envuelva 0 encierre parcialmente a su engrane. Figurll &-7 Gusano y su engrane de envolvente simple. (The Falk Corporation, Subsidiaria de fa Sunds trand Corporation, Milwaukee, Wis.)
- 326. 310 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS kif;,.Angulo .Paso axial 4' Angulo l deavanceA Figura 8-8 Nomenclatura de una combinaci6n de engranaje de gusano de envolvente simple. El engrane del gusano es casi siempre el miembro impulsado del par, y se haee de manera que envuelva al gusano. Si el engrane se acopla con un gusano cilindrico, se dice que el conjunto es de envolvente simple. Cuando el gusano tiene la forma de un reloj de arena, se dice que el conjunto es de doble envolvente porque cada miembro envuelve al otro. Una combinaci6n de gusano y engrane es similar a un par de engranes heli coidales cruzados acoplados, excepto en que el engrane del gusano envuelve par cialmente a este. Por esta raz6n tienen un contacto lineal, en lugar del contacto puntual que se encuentra en los engranes helicoidales cruzados y, por consiguiente, son capaces de transmitir mas potencia. Cuando se usa una combinaci6n doble en volvente, incluso se puede transmitir mas potencia, por 10 menos te6ricamente, porque el contacto ocurre sobre un area de las superficies de los dientes. En la cambinaci6n unienvolvente no existe diferencia alguna en si el gusano gira sabre su propio eje e impulsa al engrane mediante una acci6n de tornillo, 0 bien, si el gusano se traslada a 10 largo de su eje e impuisa al gusano mediante una acci6n de cremallera. EI movimiento y el contacto resultantes son los mismos. Por esta raz6n, no es necesario que el gusano se monte exactamente sobre su eje. Sin
- 327. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CONICOS 311 embargo, el engrane debe estar correctamente montado a 10 rotaci6n; de 10 al eje del gusano. En una combinaci6n doble envolvente, los dos miembros estan angostados y, por ende, deben montarse con exactitud en cada direcci6n con el fin de obtener una acci6n correcta. En la figura 8-8 se muestra la nomenclatura de un juego unienvolvente. El gusano acoplado y el engrane del gusano con un angulo entre los ejes de 90° tienen la misma mano de la helice; pero los angulos de helice son por 10 bastante diferentes. En el gusano, el angulo de helice es muy grande (al menos para uno0dos dientes) y muy pequeno en el engrane. Debido a esto, se acostumbra es pecificar el anguio de avance para el gusano y el angulo de helice para el engrane. Esto es conveniente porque, para un angulo entre los ejes de 90°, ambos son iguales. EI angulo de avance de gusano es el complemento del Angulo de helice del mismo, como se indica en la figura 8-8. Al especificar el paso de los juegos de engranes de gusano, especifiquese el paso axial del gusano y el paso circular del engrane. Cuando el angulo entre los ejes es de 90°, estos son iguales. Es bastante comiin emplear incluso fracciones para el paso circular, como por ejemplo. !,�, t a. 1, H pulg. etc. Sin embargo, no hay razon alguna por la que no se puedan usar pasos diametrales esUmdar, como los que se utilizan para los engranes rectos. El diametro de paso del engrane es el mismo que el correspondiente a los engranes rectos: en donde d3 = diametro de paso N3 niimero de dientes p paso circular todos tornados con referencia al engrane del gusano. (8-12) EI diametro de paso del gusano puede tener cualquier valor; pero debe ser el mismo que el de la fresa maestra, que se use para cortar los dientes del engrane del gusano. La AGMA recomienda la siguiente relaci6n entre el diametro de paso del gusano y la distancia entre los centros: (8-13) en donde la cantidad r2 + r3 es la distancia entre los centros. Esta ecuacion da un conjunto de proporciones que daran como resultado una buena capacidad de potencia. No es obligatorio usar la ecuaci6n (8-13); otras proporciones que tam bien daran buenos resultados y, de hecho, puede que no sea siempre la capacidad de potencia la consideracion primaria. Sin embargo, hay muchas variables en el diseno del engrane del gusano y la ecuaci6n es lltil para obtener dimensiones ten-
- 328. 312 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS tativas. La norma AGMAt afirma tambien que el denominador de la ecuaci6n (8-13) puede variar de 1.7 a 3, sin que se afecte apreciablemente la capacidad. El avance de un gusano tiene el mismo significado que para una rosca de tor nillo y es la distancia que se desplazara un punto sobre la helice cuando se hace dar al gusano una revoluci6n completa. Por ende, para un gusano de un diente, el avance es igual al paso axial. En forma de ecuaci6n, (8-14) en donde I es el avance en pulgadas y N2 es el nfunero de dientes del gusano. EI avance y el angulo de avance estan relacionados de la manera siguiente: A =tan-I _ 1 - 1Td2 en donde A es el angulo de avance, como se muestra en la figura 8-8. (8-15) Los dientes de los gusanos se cortan casi siempre en una fresadora 0 en un torno. Los dientes del engrane del gusano se producen casi siempre con fresa maestra. A excepci6n de la holgura en la punta del diente de la fresa maestra, el gusano debe ser un duplicado exacto de la la fresa maestra con el fin de obtener una acci6n conjugada. Eso significa tambien que, siempre que sea posible, el gusano debe diseftarse utilizando las dimensiones de las fresas maestras existentes. Los angulos de presi6n utilizados en los juegos de engranes de gusano varian enormemente, y deben depender en forma aproximada del valor del angulo de avance. Se obtendra una buena acci6n del diente si el angulo de presi6n se hace 10 suficientemente grande como para eliminar la socavaci6n del diente del engrane del gusano en el lado en el que termina el contacto. Buckingham recomienda los valores que se dan en la tabla 8-2. Se puede obtener una altura de diente satisfactoria que siga teniendo aproximadamente la proporci6n correcta respecto al angulo de avance, haciendo que la altura sea una proporci6n del paso circular normal. Con un addendum de 1/P para engranes rectos de altura completa, se obtienen las proporciones siguien tes para el gusano y el engrane del gusano: Tabla 8-2 Angulos de presion reco mendados para los engranajes de gusano Angulo de avance A, ' grados 0--16 16-25 25-35 35-45 Angulo de presi6n 4>, grados 141 20 25 30 t AGMA Standard 2 13.02, 1952.
- 329. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y C6NICOS 313 Addendum = 0.3183Pn Altura completa = O.6366p.. Holgura = O.050Pn La anchura de la cara del engrane del gusano se debe obtener como se indica en la figura 8-9. Esto hace que la cara del engrane del gusano tenga la misma 10n gitud que una tangente al circulo de paso del gusano entre sus puntos de intersec ci6n con el circulo de addendum. Figura 8·9 8-8 ENGRANES CONICOS DE DIENTES RECTOS Cuando se debe transmitir movimiento entre flechas 0 barras cuyos ejes se inter secan, se necesita alguna forma de engrane c6nico. Aunque con frecuencia los en granes c6nicos se fabrican para un angulo entre los ejes de 900, se pueden producir casi para cualquier angulo. Los dientes mas exactos se obtienen por generaci6n. Los engranes c6nicos tienen superficies de paso que son conos; estos conos ruedan juntos sin resbalar, como se indica en la figura 8-10. Los engranes se deben montar de tal manera que los vertices de los dos conos de paso coincidan, porque el paso de los dientes depende de la distancia radial al vertice. La verdadera forma del diente de un engrane c6mco se obtiene tomando una secci6n esferica que pase por el wente, en donde el centro de la esfera se localice en el vertice comim, como se muestra en la figura 8-11. Por consiguiente, conforme el radio de la esfera aumenta, debe existir el mismo numero de dientes en una super fide mayor; de donde, el tamafio de los dientes aumenta conforme se toman sec ciones esfericas cada vez mayores. Se ha visto que las condiciones de acci6n y con tacto de los dientes de engrane rectos se pueden representar sobre una superficie
- 330. 314 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Figura 8-10 Las superficies de paso de los engranes c6nicos son conos que tienen un contacto de rodamien to puro. plana tomada a angulos rectos con los ejes de los engranes rectos. En el caso de los dientes de engranes c6nicos, las condiciones de acci6n y contacto se deben re presentar sobre una superficie esferica (en lugar de una superficie plana). Incluso es factible tomar a los engranes rectos como un caso especial de los engranes c6nicos en el que el radio de la esfera es infinito, produciendo asi una superficie plana sobre la que se representa la acci6n del diente. Es practica estandar especificar el diametro de paso de los engranes c6nicos en el extremo mayor de los dientes. En la figura 8-12 se dibujaron los conos de paso de un par de engranes c6nicos y los radios de paso se dan como '2 y 'J, respec tivamente, para el pifi6n y el engrane. Los angulos 'Y2 Y 'YJ se definen como los an- Figura 8-11 Secci6n esrerica de los dientes de engranes c6nicos.
- 331. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CGNICOS 315 Cono de paso del piii6n �--.- r--r-.-----..-A Figura 8-12 gulos de paso y su suma es igual al angulo entre los ejes�. La razon de velocidades se obtiene de la misma manera que para los engranes rectos, y es Wz r3 N3 W3=r;=N2 En el disefio cinematico de los engranes, casi siempre se dan los numeros de dientes de cada engrane y el angulo entre los ejes, y se deben determinar los an gulos de paso correspondientes. Aunque estos se pueden calcular con facilidad aplicando un metodo grafico, el procedimiento analitico proporciona valores exac tos. SegUn la figura 8-12, la distancia OPse puede escribir de tal manera que o bien, OP=� sen'Yz or OP sen 'Y3 r2 '" sen 'Y2 =- (sen..::. cos'Y2 sen'Yz cos�) r3 (a) (b) AI dividir ambos miembros de la ecuacion (b) entre cos 'Y2 y reacomodando sus terminos, se obtiene t sen� an'Y - 2 - (r3!r2) + cos� sen� (8-17)
- 332. 316 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS De manera analoga, senL tan 'Y3 = (N2/N3) + cosL (8-18) Para un angulo entre los ejes de 90°, las expre�es anteriores se reducen a N2 tan 'Y2 = -N (8-19) 1 3 y (8-20) La proyeccion de los dientes de engranes conicos sobre la superficie de una es fera seria, de hecho, un problema dificil y tardado. Por fortuna, se dispone de una aproximacion que reduce el problema al de los engranes rectos ordinarios. Este metodo se conoce como aproximacion de Tredgold y, siempre y cuando el engrane tenga ocho 0 mas dientes, es 10 suficientemente exacto para fines practicos. Su aplicacion es casi universal y la terminologia de los dientes de engranes conicos se ha desarrollado en torno al mismo. AI utilizar el metodo de Tredgold, se forma un eono posterior de elementos perpendiculares a los del cono de paso en el extremo grande del diente; 10 que se ilustra en la figura 8-13. La longitud del elemento de un cono posterior se conoce con el nombre de radio del eono posterior. A continuacion se construye un engrane recto equivalente cuyo radio de paso re es igual al radio del cono posterior. Por consiguiente, partiendo de un par de engranes conicos se puede obtener, mediante la aproximacion de Tredgold, un par de engranes rectos equivalentes, que entonces se usan para definir los perfiles de los dientes; tambien se pueden usar para deter minar las condiciones de accion y contacto del diente, exactamente en la misma forma que en el caso de los engranes rectos ordinarios, y los resultados correspon defiln casi por completo con los de los engranes c6nicos. Para la geometria indicada en la figura 8-13, los radios de paso equivalentes son '2 r = _ ' _3_ 'e2 = cos 'Y2 '" cos 'Y3 El numero de dientes en el engrane recto equivalente es N = 21T'e e p (8-21) (8-22) en donde p es el paso circular del engrane c6nico medido en el extremo grande de los dientes. En caso usual, los engranes rectos equivalentes no tendran un numero entero de dientes. 8-9 PROPORCIONES DE LOS DIENTES EN LOS ENGRANES CONICOS Practicamente todos los engranes c6nicos de dientes rectos que se fabrican hoy en dia utilizan el angulo de presion de 20°. No es necesario emplear la forma de dien-
- 333. Figura 8·13 Aproximaci6nde Tredgold. 15 'i5 � c. o 0:: 8 Q; '0 o '5 '" 1 r" a ( � � rn � � � sn g i-< � (5 � t.U ... .....
- 334. 318 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Tabla 8-3 Proporcionesde losdientes, para dientesrectos de 20° de engranesconicos Concepto Altura de trabajo Holgura Addendum del engrane Raz6n del engrane Raz6n equivalente de 90° Anchura de la cara Numero minimo de dientes Formula h 2.0 ' 1' 0.188 c -p+0.002 Pulg 0.54 0.460 aa p+ P(m9(l)2 cuando 2 = 90° m9(l cuando 2 # 9QO F � 0 F = 10 la que sea menor 3 P Piil6n 13 Engrane 30 te intercambiable porque, de cualquier manera, los engranes c6nicos no se pueden intercambiar. Por esta razen se utiliza el sistema de addendum largo y eorto que se describio en la seccion 7-11. En la tabla 8-3 se presenta una tabulaci6n de estas proporciones. Los engranes conicos se montan usualmente sobre el lado exterior de los cojinetes, debido a que los ejes de las flechas se intersecan, y esto significa que el efecto de la deflexion de flecha es tender a sacar el extremo pequeno de los dientes del endentamiento, hacienda que el extrema mayor lleve la mayor parte de la car gao Por ende, la carga a traves del diente es variable y, par esta raz6n, es con veniente disenar un diente un tanto corto. Como se muestra en la tabla 8-3, la an chura de la cara se limita por 10 comitn a aproximadamente un tercio de la distan cia del cono. Se observa tambien que una anchura de cara corta simplifica los problemas del trabajo a maquina al cortar los dientes de un engrane conieo. En la figura 8-14 se definen otros terminos caracteristicos de los engranes c6nicos. Observese que se mantiene una holgura constante haciendo que los ele mentos del cono de la cara sean paralelos a los elementos del cono de la raiz del engrane endentado. Esto explica por que el vertice del cono de la cara no coinciden con el del cono de paso en la figura 8-14. Esto permite un chaflan mas grande en el extrema pequeno del diente, que el que de 10 contrario, se obtendria.
- 335. ENGRANES HELICOIDALES. DEGUSANO Y CONICOS 319 Addendum - Distancia de montaje Figura 8·14 8-10 CORONA DENTADA Y ENGRANES DE CARA Si el angulo de paso de un par de engranes c6nicos se hace igual a 90°, el cono de paso se convierte en una superficie plana y el engrane resultante recibe el nombre de corona dentada. En la figura 8·15 se presenta una corona dentada acoplada con un pifi6n c6nico. N6tese que una corona dentada es el equivalente a una cremallera en el engranaje recto. EI cono posterior de una corona dentada es un cilindro y el diente de involuta resultante tiene lados rectos, como se indica en la figura 8-13. Se puede obtener un juego de engranes pseudoc6nicos utilizando un engrane de cara endentado con un engrane recto. EI angulo entre los ejes es de 90°. Para
- 336. 320 mORiA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Figura 8-15 Corona dentada y pifi6n c6nico. asegurar la mejor accion de los dientes, el pinon recto debe ser un duplicado del cortador lhnador utilizado para cortar el engrane de cara, con excepcion, por supuesto, de la holgura adicional en las puntas de los dientes del cortador. La an chura de cara de los dientes en el engrane de cara se debe mantener mas bien corta; de 10 contrario, el borde superior se hara puntiagudo en e1 diametro mayor. 8-11 ENGRANES CONICOS ESPIRALES Los engranes corncos rectos son faciles de disefiar y sencillos para fabricarse, y dan muy buenos resultados en operacion si se montan exacta y positivamente. Sin em bargo, como en el caso de los engranes rectos, se hacen ruidosos en los valores mas elevados de la velocidad de la linea de paso. En estos casos, a menudo resulta una buena practica de disefio recurrir al engrane conico espiral, que es el equivalente conico del engrane helicoidal. En la figura 8-16 se muestra un par endentado de engranes conicos espirales, y en ella se puede ver que las superficies de paso y la naturaleza del contacto son igua1es que para los engranes conicos rectos, excepto por las diferencias introducidas por los dientes de forma espiral. Los dientes de los engranes conicos espirales se conjugan con una cremallera de corona basica, que se genera como se indica en la figura 8-17, utilizando un cortador circular. El angulo de espiral 1/1 se mide en el radio medio del engrane. AI igual que en los engranes helicoidales, los conicos espirales dan una accion de dien te mucho mas suave que los engranes conicos rectos y, por consiguiente, son utiles en las situaciones en que se encuentran velocidades elevadas. Para obtener una ver dadera accion de diente espiral, la razon de contacto en la cara debe ser de por 10 menos 1.25. Los [mgulos de presion usados con los engranes conicos espirales son por 10 c omiln 141 a 20°, mientras que el angul0 de espiral es de aproximadamente 300
- 337. ENGRANES HELICOIDALES, DEGUSANO Y CONICOS 321 Figura 8-16 Engrane s conieos espirales. (Gleason Works. Rochester, N. Y.) Figura 8-17 Corte de dientes de un engrane espiral sobre la eremallera de corona basica.
- 338. 322 mORtA DEMAQUINAS Y MECANISMOS 35°. Por 10 que concierne a la acci6n del diente. la mana de la espiral puede ser derecha 0 izquierda, y esto no provoca diferencia alguna. Sin embargo, si los cojinetes estan flojos, los dientes podrian atascarse 0 separarse. dependiendo de la direcci6n de la rotaci6n y la mana de la espiral. Puesto que el atascamiento de los dientes causaria el mayor dafio, la mano de la espiral debe ser tal que los dientes tiendan a separarse. Engranes conicos Zerol El engrane c6nico Zerol es un engrane patentado que tiene dientes curvos; pero con un angulo espiral de cero grados. Por 10 que respec ta a la aeci6n de los dientes, no tiene ventaja alguna sobre el engrane c6nico recto y se ha disefiado sencillamente para aproveehar la maquinaria cortadora que se usa para producir engranes c6nicos espirales. 8-12 ENGRANES HlPOIDALES Como en el caso de las aplicaciones en los diferenciales de autom6viles, con fre cuencia conviene tener un engrane similar a los c6nieos, pero con los ejes descen trados 0 excentricos. Este tipo de engranes se conocen como hipoidales debido a que sus superficies de paso son hiperboloides de revoluci6n. La acci6n de los dien tes entre este tipo de engranes es una combinaci6n de rodadura y deslizamiento a 10 largo de una recta, y tiene mucho en comlin con la de los engranes del gusano. En la figura 8-18 se ilustra un par de engranes hipoidales. Figura 8-18 Engranes hipoidales. (Gleason Works, Rochester, N. Y.)
- 339. ENGRANES HELICOIDALES,DE GUSANOY CONICOS 323 PROBLEMAS 8-1 Un par de engranes helicoidales paralelos tiene un lingula de presion normal de I·W ,6 de paso diametral y un angulo de helice de 45°. EI pifl.on tiene 15 dientes y el engrane 24. Calcl1lese el paso cir cular transversal y normal,el paso diametral normal,los diarnetros de paso y los numeros equivalentes de dientes. 8·2 Un par de engranes helicoidales paralelos se cortan con un angulo de presi6n normal de 20° y un an gulo de heHce de 30°. Tienen un paso diametral de 16 y,respectivamente,16 y 40 dientes. Se debe en contrar el lingula de presi6n transversal,el paso circular normal, el paso axial y los radios de paso de los engranes rectos equivalentes. 8-3 Un juego de engranes helicoidales paralelos se fabrica can un lingulo de presion transversal de 20° y un angulo de MUce de 35°. Los engranes tienen un paso diametral de 10 y 15 Y 25 dientes,respecti vamente. Si la anchura de la cara es de � pulg, calcitlese el lingula de helice de base y la raron de con tacto axial. 8-4 Se va a cortar un par de engranes helicoidales para eies paralelos cuya distancia entre los centros debe ser de aproximadamente 3� pulg, para obtener una raz6n de velocidades de 1.80, aproxima darnente. Los engranes se deben cortar can una fresa maestra con un lingula de presion estandar de 20° cuyo paso diametral es de 8. Con un angulo de Mlice de 30°,deterrninense los valores transversales del paso diametral y del circular, asi como los niu:neros de dientes,los diarnetros de paso y la distancia en· tre los centros. 8-5 Un pift6n helicoidal de 16 dientes va a girar a 1 800 rpm e irnpulsara a un engrane helicoidal sobre un eje paralelo a 400 rpm. Los centros de los ejes deben tener una separaci6n de 11 pulg. Utilizando un angulo de helice de 23° y un angulo de presi6n de 20°, determinense valores para los niuneros de dien- tes,diarnetros de paso,paso circular y diametral normales,y la anchura de la cara. ' 8-6 La descripci6n en un cataIogo de un par de engranes heUcoidales es la siguiente: angulo de presion normal 14°, angulo de helice 45°, paso diarnetral de 8, anchura de cara, 1 pulg,paso diametral nor mal, 11.31. El pifl.6n tiene 12 dientes y un diarnetro de paso de 1.500 pulg,y el engrane cuenta con 32 dientes, un diarnetro de paso de 4.000 pulg. Los dos engranes tienen dientes de altura completa y se pueden comprar ya sea de mano derecha a izquierda. Si se acopla un pil!.on derecho can un engrane izquierdo, encuentrese la razon de contacto transversal, la razon de contacto normal,la razon de con· tacto axial y la raz6n de contacto total. 8-7 En la transrnisi6n de un carni6n de tamalio mediano se dene un engrane del vastago del embrague de 22 dientes,que se endenta continuamente con un engrane de contrarnarcha de 41 dientes. Los datos son: paso diarnetral normal, 7.6,lingulo de presion normal, 18�o; angulo de helice, 23�o; y an chura de la cara 1.12 pulg. EI engrane del vastago del embrague se corta con una Mlice izquierda y el engrane de contrarnarcha can una helice derecha. Deterrninense l a raz6n de contacto normal y la total si los dientes se cortan de altura completa con respecto al paso diametral normal. 8-8 Un piil.6n helicoidal es derecho. tiene 12 mentes, un angulo de helice de 60° y debe impulsar a otro engrane con una raz6n de velocidades de 3. Los ejes forman un lingula de 90° y el paso diametral nor mal de los engranes es 8. Encuentrese el angulo de helice y el numero de dientes del engrane acoplado. i,CuaI es la distancia entre los centros? 8-9 Un piMn helicoidal derecho debe irnpulsar a un engrane, con un angulo entre ejes de 90°. EI pil!.6n tiene 6 dientes y un lInguio de helice de 75°, y debe impulsar el engrane con una raz6n de velocidades de 6.5. EI paso diarnetral normal de los engranes es 12. Calcitlese el angulo de helice y el numero de dientes del engrane acoplado; determinese el diarnetro de paso de cada engrane. 8-10 EI engrane 2 de la figura (piig. 324) debe girar en el mismo senddo del movirniento de las ma necillas del reloj e impulsar al engrane 3 en el sentido contrario,con una raron de velocidades de 2.
- 340. 324 TEORlA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Osese un paso diametral de 5, una distancia entre los centros de aproximadamente 10 puig y el mismo an.lulo de belice en ambos engranes. Encuentrense los numeros de dientes, los angulos de beliee y la dista�exacta entre los centros. 8-11 Un gusano que tiene 4 dientes y un avance de 1 pulg impulsa a un engrane eon una raz6n de ve locidades de 7�. Determlnense los dilunetros de paso del gusano y del engrane para una distaneia entre los centros de H pulg. 8·11 Especifiquese un gusano apropiado para una eombinaci6n engrane-gusano, para una raz6n de velocidades de 60 y distancia entre los centros de 6! pulg. Osese un paso axial de 0.500puig. ProbiemaS-l0 8-13 Un gusano de 3 dientes impulsa a un engrane que tiene 40 dientes. EI paso axial es Ii pulg y el diametro de paso del gusano es H pulg. CalcUlese el avance y ellmgulo de avance del gusano. Encuen trese el angulo de helice asl como el diametro de paso del engrane. 8-14 Se va a fabricar un par de engranes c6nicos de dientes rectos para un angulo entre los ejes de 90°. Si el impulsor debe tener 18 dientes y la raz6n de velocidades es de 3, i,cuaIes son los angulos de paso? 8-15 Un par de engranes c6nieos de dientes rectos tiene una raz6n de velocidades de 1.5 y un angulo en tre los ejes de 75°. i,CuaIes son los angulos de paso? 8-1Ci Se debe montar un par de engranes c6nicos rectos con un angulo entre ejes de 120°. El pifi6n y el engrane deben tener, respectivamente, 15 y 33 dientes, i,CuaIes son los angulos de paso? 8-17 Un par de engranes c6nicos rectos con paso diametral de 2 tienen 19 y 28 dientes, respectivamente. El lIngulo entre los ejes es de 90°. Determinense los diametros de paso, los angulos de paso, el adden dum, el dedendum, la anchura de la cara y los diametros de paso de los engram:s rectos equivalentes. 8-18 Un par de engranes c6nicos rectos de paso diametra18 tiene 17 y 28 dientes, respectivamente, y un fIngulo entre los ejes de 105°. Calculese para cada engrane el dianletro de paso, el lIngulo de paso, el addendum, el dedendum, la anchura de la cara y el nfu:nero equivalente de dientes. Hagase un diagrama de los dos engranes endentados. Osese las proporciones estflndar de los dientes como para un lingulo entre los ejes de 90°.
- 341. CAPITULO NUEVE TRENES DE MECANISMOS Trenesde mecanismos son todos aquellos mecanismos que se disponen en diversas combinaciones en serie y en paralelo, de tal manera que el elemento impulsado de uno de los mecanismos es el impulsor de otro. Con ciertas excepciones, que se van a estudiar a fondo, el analisis de estos trenes se puede realizar en forma de cadena, aplicando los metodos de analisis desarrollados en los capitulos previos. 9-1 TRENFS DE ENGRANES DE EJES PARALELOS Y DEFINICIONES En el capitulo 3 se estudio que raz6n de velocidades angulares es un termino utilizado para describir la cantidad que resulta cuando la velocidad angular de un elemento impulsado se divide entre la velocidad angular del elemento impulsor. Por consiguiente, en un eslabonamiento de cuatro barras, en el que el eslabon 2 es el elemento impulsor, 0 de entrada, y el eslabon 4se considera como el elemento impulsado, 0 de salida, la razon de velocidades angulares es (a) En este capitulo se han suprimido los segundos subindices de la ecuaci6n (a) para simplificar la notaci6n. Asimismo, en el caso del engranaje, es mas conveniente tratar con la velocidad y, por tanto, se empleara el simbolo n para describir la velocidad en revoluciones por minuto (rpm) 0, en algunos casos, en revoluciones por segundo (rls 0 1 /s) . Por ende, es preferible escribir la (a) como (9-1)
- 342. 326 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS en donde nL es la velocidad del ultimo engrane de un tren Y nF es la velocidad del primer engrane del mismo tren. Com(mmente, el ultimo engrane es la salida y es el engrane impulsado, y el primero es el impulsor 0 de entrada. EI termino e definido por la ecuaci6n (9-1) recibe a veces el nombre de raz6n de velocidades 0 bien, valor del tren. Ambos terminos son perfectamente ade cuados. La ecuacion se escribe a menudo en la forma mas conveniente. (9-2) Considerese ahora un pinon 2 que impulsa a un engrane 3. La velocidad del en grane impulsado es (b) en donde N es el nlimero de dientes, des el diametro de paso y n puede ser las revoluciones por minuto 0 el numero total de vueltas. En el caso de engranajes con ejes paralelos, se puede tener presentes las direcciones especificando que la ve locidad es positiva 0 negativa, dependiendo de si la direcci6n es en sentido con trario al del movimiento de las manecillas del reloj 0 en el mismo sentido. Este metodo no es aplicable cuando los ejes de los engranes no son paralelos entre si, como sucede, por ejemplo, en los engranajes c6nicos, helicoidales cruzados 0 de gusano. Por estas razones, a menudo es mas sencillo tener presentes las direcciones utilizando un esquema del tren. El tren que se muestra en la figura 9-1 se compone de cinco engranes. Si se aplica la (b) en forma de cadena, se encuentra que la velocidad del engrane 6 es (c) En este caso se observa que el engrane 5 es un engrane loco y que sus nlimeros de dientes se cancelan en la ecuaci6n (c) y, por ende, s610 tiene la funci6n de cambiar la direccion de rotaci6n del engrane 6. Tambh�n se observa que los engranes 2, 4y 5 son impulsores, en tanto que los 3, 5 y 6 son elementos impulsados. Por ende, la ecuaci6n (9-1) se puede escribir tambi€m Figura 9-1
- 343. TRENES DE MECANISMOS327 producto de los numeros de dientes de los impulsores e= producto de los numeros de dientes de los impulsados (9-3) Notese en la (b) que tambien se pueden usar los dhlmetros de paso en la (9-3). Para engranaje con ejes paralelos se usara la siguiente convenci6n de los signos. Si el ul timo engrane gira en el mismo sentido que el primero, e es positivo; si el ultimo en grane gira en sentido opuesto al primero, e es negativo. 9-2 F..JEMPLOS DE TRENES DE ENGRANES AI hablar de trenes de engranes, con frecuencia resulta conveniente describir un tren de engranes simple como el que solo tiene un engrane en cada eje. Entonces un tren de engranes compuesto es el que, como el de la figura 9-1, tiene dos 0 mas engranes en uno 0 mas ejes. En la figura 9-2 se muestra una transmisi6n para camiones de tamafio pe quefio y medio; cuenta con cuatro velocidades hacia adeiante y una hacia atras. El tren que aparece en la figura 9-3 se compone de engranes conicos, heli coidales y rectos. Los engranes helicoidales son cruzados y, por tanto, la direccion de rotacion depende de la mano de los engranes helicoidales. Un tren de engranes invertido (Fig. 9-4) es aquel en el que el primero y Ultimo engranes estan sobre el mismo eje. Esta configuracion da lugar a la compacticidad y se usa en aplicaciones tales como reductores de velocidad, relojes (para conectar la manecilla de las horas con la de los minutos), y herramientas para maquina. Engrane del vllstago del embrague Juego de engranes de contramarcha 170 430 240 7 430 8 6 5 I-------{---- 170 Engrane loco de reversa iVelocidad Transmisi6n 1 2-3-6-9 2 2-3-5·8 3 2·3·4·7 4 Direcu. Reversa 2·3·6·10·11·9 Figura 9-2 Transmisi6n de cami6n. Los engranes son rectos con un paso diametral de 7 y un Angulo de presi6n de 22.5°.
- 344. 328 TEORtA DEMAQUINAS Y MECANISMOS Figura 9-3 Tren que consta de en granes c6nicos, helicoidales cruzados y rectos. Como ejercicio, se sugiere que 'el lector determine un conjunto aoecuado de pasos diametrales para cada par de engranes ilustrados en la figura, de tal suerte que el primero y ultimo engranes tengan el mismo eje de rotaci6n. 9-3 DETERMINACION DEL NUMERO DE DIENTES Si se esta trasmitiendo una gran cantidad de potencia a traves de una unidad de reducci6n de velocidad, el paso del Ultimo par de engranes acoplados senft mayor que el del primer par, porque el momento de torsi6n es mayor en el extremo de salida. En espacio dado se pueden usar mas dientes en engranes de paso mas re ducido; de donde, se puede obtener una mayor reducci6n de velocidad en el ex tremo de alta velocidad. Sin adentrarse en el problema de la resistencia de los dientes, sup6ngase que se desea utilizar un par de engranes en un tren con el fin de obtener un valor del tren de 1112. lmpongamos tambien la restricci6n de que el nllinero de dientes no debe ser menor que 15 y que la reducci6n obtenida en el primer par de engranes debe ser aproximadamente el doble de la que se obtiene en el segundo par. Esto significa que Ultimo engrane (impulsado) 420 3 Primer engrane limpulsor) F1gura 9-4 Tren de engranes invertido. (a)
- 345. TRENES DE MECANISMOS329 en donde NJN3 es el valor de tren del primer par y NJNs es el del segundo. Dado que el valor de tren del primer par debe ser la mitad del corresponci.iente al segundo, o bien, N4 N4 1 2Ns Ns 12 Z;= �l= 0.4082 (b) (c) con cuatro cifras decimales. Se observa que los siguientes numeros de dientes estan cercanos al valor deseado: .ui 39 a 44 De estos, la mejor aproximaci6n es �; pero n6tese que N2 N4 2020 200 e = N3 Ns = 98 49 = 2401 no es TI' Por otro lado, la combinaci6n de 1i para la primera reducci6n y � para la segunda da un valor de exactamente TI. De donde e = (1i)(�) = TI En este caso, la reducci6n en el primer par no es exactamente el doble que la del segundo; pero esta consideraci6n en general tiene poca importancia. EI problema de especificar los nUmeros de dientes y el nu.mero de pares de en granes para dar un valor del tren dentro de cualquier grado de especificado de exactitud ha despertado el interes de muchas personas. Considerese, por ejempl0, el problema de especificar un juego de engranes que tengan un valor del tren de 17'/10, con una exactitud de ocho cifras decimales. 9-4 TRENES DE ENGRANFS EPlcICLICOS En la figura 9-5 se muestra el tren de engranes epiciclico elemental junto con la designaci6n simplificada de los mismos, utilizada por Uvai.t EI tren se compone de un engrane central 2 y un engrane epicfclico 4, que produce un movimiento epi ciclico rodando en torno a la periferia del engrane central. Cuenta tambien con un brazo de manivela 3 que contiene los cojinentes para el engrane epiciclico con el fin de mantener endentadas a las dos ruedas de engrane. Estos trenes se conocen tambien como planetarios. Segu.n esta nomenclatura, el engrane 2 de la figura 9-5 es el engrane sol, el 4 es el engrane planetaria y la manivela 3 se denomina soporte planetaria. En la figura 9-6 se presenta el tren de t Las publicaciones dedicadas al tema de los trenes de engranes epiciclicos son, a decir verdad, es casas. Se encontrara un estudio compieto en ingles, en la obra de Z. L. Levai Theory ofEpicyclic Gears and Epicyclic Change-Speed Gears, Technical University of Building, Civil and Transport Engineering, Budapest, 1966. Este libro enumera 104 referencias.
- 346. 330 TEORtA DEMAQUINAS Y MECANISMOS 4 3 2 (a) (b) Figura 9-5 a) Engrane epiciclico elemental; b) designaci6n simplificada. la figura 9-5 al que se Ie han agregado dos engranes planetarios redundantes. Esto produce un mejor equilibrio de fuerzas porque, al agregar mas engranes plane tarios, se aumenta el nitmero de fuerzas; pero los planetarios adicionales en nada contribuyen al comportamiento cinematico. Por esta razon, en general, en las ilus traciones y los problemas de este libro, itnicamente se muestra un solo planetario, aun cuando una maquina real es probable que se construya con los planetarios en trios. En la figura 9-7 se muestra un tren de engranes epiciclico simple, junto con la designacion simplificada correspondiente, en el que se puede ver la manera en la que se puede transmitir el movimiento del planetaria hacia otro engrane central. El segundo engrane central en este caso es el 5, un engrane interno. En la figura 9-8 se presenta una disposici6n similar, can la diferencia de que los dos engranes centrales son externos. N6tese, en esta misma figura, que los planetarios dobles es tan montados en un solo eje planetario, y que cada uno de ellos se endenta con un engrane sol. En cualquier caso, sea cual fuere el nitmero de planetarios utilizados, s610 se puede emplear un soporte 0 brazo. Este principio se ilustra en la figura 9-6, en la que se usan planetarios redundantes, y en la figura 9-9, en donde se usan dos planetarios para alterar el comportamiento cinematico. Segllil Levai, hay 12 variaciones posibles; todas ellas se muestran en forma simplificada en la figura 9-10, como las dispuso Levai. Las de las figuras 9-10 aye Engranes planetarios Engrane Sapone planetario (brazo) Figura 9-6 Juego de engranes planetarios.
- 347. TRENES DE MECANISMOS331 son los trenes simples en los que los planetarios se endentan con los dos engranes sol. Los trenes que se yen en las figuras 9-10 b y d tienen pares planetarios que es tan parcialmente endentados entre si, y en parte con los engranes sol. Ns = 800 5 4 (b) (a) Figura 9-7 a) Tren de engranes epiciclico simple; b) designacion simplificada. l 4 340 (a) (b) Figura 9-8 Tren de engranes epiciclico simple con pianetarios dobles. 9-5 TRENES EPICicLiCOS DE ENGRANES CONICOS El tren de engranes conicos ilustrado en la figura 9-11 se conoce can el nombre de engrane de reducci6n de Humpage. Los trenes epiciclicos de engranes conkos se emplean can bastante frecuencia; pero son iguales que los trenes epiciclicos de en granes rectos. De hecho, el tren de la figura 9-11 es un tren epiciclico doble y en la figura 9-10 se puede hallar el equivalente de engranes rectos de cada uno. En la
- 348. 332 TEORiA DEMAQUINAS Y MECANISMOS 4 ..,... JJ2 (al Figura ,., Tren epiciclico con dos planetarios. 1fl B 5 A G H (c) m ff3t F c L 11 5 3 0 (hI 4 - 5 2 3 (d) (bl 7 5 3 E J 3 Figura 9·10 Los 12 tipos posibles de engranes epiciclicos segim Levai.
- 349. TRENES DE MECANISMOS333 Fignra 9-11 siguiente secci6n se encontrara que el anaIisis de este tipo de trenes es el mismo que para los trenes de engranes rectos. 9·5 SOLUCION DE TRENFS PLANETARIOS MEDIANTE FORMULA En la figura 9-12 se presenta un tren de engranes planetario que consta de un en grane sol 2, un brazo 3, y los engranes planetarios 4 y S. Al aplicar la ecuaci6n (3-10), se puede escribir que la velocidad del engrane 2 en relaci6n con el brazo es n23 n2 n3 Asimismo, la velocidad del engrane 5 en relaci6n con el brazo es AI dividir la (b) entre la (a) queda nS3 ns n3 n23 n2- n3 (a) (b) (c) La ecuaci6n (c) expresa la raz6n de la velocidad relativa del engrane S a la del en grane 2, y ambas velocidades se toman en relaci6n con el brazo. Esta raz6n es la misma y proporcional a los mimeros de dientes, ya sea que el brazo este girando 0 no. Es el valor del tren; de donde, se puede escribir (d)
- 350. ( 334 TEOR1A DEMAQUINAS V.MECANISMOS La ecuaci6n (d) Resulta conveniente expresarla en la forma en donde nF velocidad nL velocidad nA velocidad del primer engrane del tren, rpm velocidad del ultimo engrane del tren, rpm = velocidad del brazo, rpm Los siguientes ejemplos ilustraran el uso de la (9-4). (9-4) Ejemplo 9-1. En la figura 9-8 se presenta un tren planetario invertido. E1engrane 2 esta sujeto a su eje y es impulsado a 250 rpm en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj. Los engranes 4y 5 son planetarios que estan unidos, pero tienen la Iibertad de girar, sobre el eje llevado por el brazo. EI engrane 6 es estacionario. Encuentrese la velocidad y la direcci6n de rotaci6n del brazo. SOLUCION Primero se debe decidir que engrane se va a designar como el primero y el Ultimo elementos del tren. Puesto que se dan las velocidades de los engranes 2 y 6, cualquiera de ellos puede utilizarse como el primero. La elecci6n no establece diferencia alguna en los resultados; pero una vez tomada dicha decisi6n, no se puede cambiar. Asi pues, se escogera el engrane 2 como el primero; de donde, el 6 sera el ultimo. Por consigui,ente, Al sustituir estos valores en la ecuaci6n (9-4) da nA 114rpm cmr Ejemplo 9-2. En el tren de engranes c6nicos ilustrado en Ja figura 9-11, Ja entrada es hacia el en grane 2, y la salida desde el engrane 6, que se conecta al eje de salida. EI brazo 3 gira Iibreinente sobre el eje de salida y lleva a los planetarios 4y 5. El engrane 7 esta fijo al marco. i,Cual es la velocidad de salida si el engrane 2 gira a 2 000 rpm? SOLUCION EI problema se resuelve en dos pasos. En el primero se considera que el tren se compone de los engranes 2,4Y 7, y se calcula la velocidad del brazo. Par siguiente, Figura 9-12
- 351. / TRENES DEMECANISMOS 335 Haciendo las sustituciones en la (9-4), y despejando la velocidad del braw, da 5 O-nA - 19 = 2 000- nA nA = 416.7 rpm Considerese ahora que el tren consta de los siguientes engranes 2, 4, 5 Y 6. Por 10 tanto se tiene que nF = n2 = 2000 rpm, al igual que antes, y nL = n6. que es 10 que se debe encontrar. EI valor del tren es e=HM�)=-� Haciendo las sustituciones en la (9-4) una vez mas y resolviendo para nL> puesto que ahora se conoce nA da 12 nL -416.7 - 49 = 2000-416.7 nL = n6 = 28.91 rpm EI eje de salida gira en la misma direcci6n que el engrane 2,con una reducci6n de 2000:28.91,0 sea, 69.2: 1. 9-7 ANALISIS TABULAR DE TRENES PLANETARIOS En la figura 9-7 se ilustra un tren de engranes planetario que consta de un engrane sol 2, un soporte (brazo) del planetario 3, un engrane planetario 4 y un engrane in terno 5 que va endentado con el planetario. Se podrian dar razonablemente ciertos valores para las revoluciones por minuto del engrane sol y el brazo, y desear deter minar las revoluciones por minuto del engrane interno. El amilisis se lleva a cabo en los tres pasos siguientes: 1. Fijense todos los engranes al brazo y hagase que este de una vuelta. TabUlense las vueltas resultantes del brazo y de cada engrane. 2. Fijese el brazo y ha.gase girar uno 0 mas de los engranes sol. Tabulense las vuel tas resultantes del brazo y de cada engrane. 3. Sumense las vueltas de cada engrane en los pasos 1 y 2, de modo que se satis fagan las condiciones dadas. Tabla 9-1 Solucion por tabulacion, rpm Numero del paso Brazo 3 Engrane 2 Engrane 4 Engrane 5 1. Engranes fijos +200 +200 +200 +200 2. Brazo fijo 0 -100 +200 + 50 3. Resultados +200 + 100 +400 +250 Como un ejemplo de este tipo de soluci6n, asignense los numeros de dientes que se dan en la figura 9-7, y sup6ngase tambien que la velocidad del engrane sol y
- 352. 336 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS del brazo son 100y 200rpm, respectivamente, ambas en direcci6n positiva. En la tabla 9-1 se consigna la soluci6n. En el paso 1, los engranes se fijan al brazo y a este se Ie dan 200 vueltas en sentido contrario at movimiento de las manecillas del reloj. Esto produce tambien 200vueltas en sentido opuesto at movimiento de las manecillas del reloj para los engranes 2, 4 y S. En el paso 2 se fija el brazo. Ahora, determinense las vueltas que debe dar el engrane 2 para que cuando se sumen a las del paso 1 el resultado sea, en este caso, + 100rpm. Esto es -100vueltas, como se indica. Para completar el paso 2, usese el engrane 2 como impulsor y determinese el numero de vueltas de los engranes 4 y S. De donde, n4= (-lOO)(-® +200rpm y n5= (-IQO)(-®(iS)= +50 rpm / Estos valores se anotan en las ooltimnas apropiadas y se suman los pasos 1 y 2 para obtener el resultado. Los siguientes ejemplos desarrollados ayudaran a comprender mejor este metodo. �emplo 9-3.Encuentrese la velocidad del engrane exterior de la figura 9-7 si, por el contrario, el engrane 2 gira a 100 rpm en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj, yel brazo 3 gira a 200 rpm en el sentido contrario. SoLUCION Los resultados estan tabulados a continuaci6n. En el paso I, los engranes se fijan al brazo yse hace girar a este 200 vueltas en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj. Esto hace que los engranes 2,4 yS realicen tambien 200 vueltas en ese sentido. En el paso 2 se fija el brazo; de modo que se anota 0 para las vueltas del brazo en la primera columna. En la segunda columna, el engrane 2 debe girar de tal modo que cuando sus vueltas se sumen a las del paso 1, el resultado sea 100 vueltas en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj. Por esta raz6n, se especifican -300 vueltas para el engrane 2. Ahora, si se trata al engrane 2 como impulsor, las vueltas de los engranes4 y 5 son: Numero del paso Brazo 3 Engrane 2 Engrane4 Engrane 5 1. Engranes fijos +200 2. Brazo fijo 3. Resultados +200 -300 -100 +200 +600 +800 +200 +150 +350 n4 (-300)(-�= +600 rpm ns = (- 300)(-�(iS)= +150 rpm Despues de sumar las coiumnas. se ve que el resultado es ns = 350 rpm cmr Ejemplo 9-4 El tren de engranes planetario que aparece en la figura 9-13 se conoce con el nombre de paradoja de Ferguson. EI engrane 2 es estacionario en mud de estar fijo a un marco, el brazo 3 ylos engranes4 y 5 pueden girar libremente sobr� el eje. Los engranes 2, 4 y 5 tienen, respectivamente, 100, 101 y99 dientes, cortados todos enos en discos en blanco del mismo diii. metro, de tal modo que el planetario 6 se endenta con todos elIos. Hii.llense las vueltas de los en-
- 353. TRENES DE MECANISMOS337 1010 1000 Figura 1)·13 Paradoja de Ferguson. granes 4 Y 5 si al brazo se Ie da una vuelta en sentido contrario al movbniento de las manecillas del reloj. SOLUCION Los resultados se dan en la tabla que sigue Numero del paso Brazo 3 Engrane2 Engrane 4 Engrane5 1. Engranes fijos +1 +1 +1 +1 2. Braw fijo � -1 - IOOlIOI -100/99 3. Resultados +1 0 +1/101 -1199 Para que el engrane 2 quede fijo, se Ie debe dar una vuelta en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj en el paso2. Los resultados muestran que conformese hace girar el brazo, el engrane 4 gira muy lentamente en la misma direcci6n, en tanto que el5 gira muy lentamente en la direcci6n opuesta. lijemplo 1).5 La unidad de sobremarcha que se ilustra en la figura 9-14 se usa detras de una trans misi6n esUmdar para reducir la velocidad del motor. Determinese el porcentaje de reducci6n que se obtendra cuando se "mete" Ia sobremarcha Engrane interior conectado al eje motriz, 420 Soporte plane1ario conec1ado a Is transmisi6n Figur1l9·14 Unidad de sobremarcha.
- 354. 338 TEORiA DEMAQUINAS Y MECANISMOS SOLUCION Es conveniente utilizar una vuelta para eJ brazo. Esto proporciona los resultados que se muestran en la tabla que sigue. La velocidad del motor corresponde a la del brazo, y la del eje motriz a la del engrane 5. Por 10 tanto, Reducci6n en la velocidad del motor = 1 '��:2;1 (100) = 30% 2 Engrane4 Engrane 5 1. Engranes fijos +1 +1 +1 +1 2. Brazo fijo .....Q -1 +1.5 +0.429 3. Resultados +1 0 +2.5 +1.429 9-8 DIFERENCIALES La clase de trenes de engranes planetarios conocida como diferenciales se utiliza con tanta profusi6n que merece una atenci6n especial. La operaci6n de un diferen cial se ilustra por medio del dibujo esquematico del diferencial de autom6vil que aparece en la figura 9-15. EI pinon del eje motriz y el engrane anular normalmente son engranes hipoidales. EI anular actua como el soporte planetario y se puede Cal cular su velocidad como para un tren de engranes simple, cuando se conoce la velocidad del eje motriz. Los engranes 5 y 6 se conectan, respectivamente, a cada rueda posterior y, cuando el autom6vil se esta moviendo en linea recta, ambos giran Ala ruedar-----l posterior IL.- _ _ _ I r"-''''-"-''......... ----., A la rueda rn'777:nr---.J posterior Figura 9·15 Dibujo esquematico de un diferencial automotriz de en granes c6nicos.
- 355. TRENES DE MECANISMOS339 en la misma direcci6n exactamente con la misma velocidad. Por ende, para el movimiento rectilineo del automovil, no hay movimiento relativo entre los en granes planetarios y los engranes 5 y 6. De hecho, los engranes planetarios sirven solo como cuiias para transmitir el movimiento del soporte planetario a ambas ruedas. Cuando el vehiculo efectua una vuelta, la rueda que queda dentro de la misma realiza menos revoluciones que la que describe el radio mas largo al girar. A menos que de alguna manera se de margen para esta diferencia de velocidades, una de las lIantas, 0 las dos, tendrian que resbalar para poder efectuar la vuelta. EI diferen cial permite que cada rueda gire a velocidades diferentes mientras que, al mismo tiempo, entrega potencia a ambas. Durante una vueIta, los engranes planetarios giran en torno a sus propios ejes, permitiendo con ello que los engranes 5 y 6 10 hagan a velocidades diferentes. El proposito de un diferencial es establecer una diferencia entre las veloci dades de las dos ruedas. En el diferencial usual de los automoviles, el momento de torsion se divide en forma igual ya sea que el auto se desplace en linea recta 0 des criba una curva. En ocasiones, las condiciones de la carretera son tales que el efec to de traccion desarrollado por las dos ruedas es desigual. En este caso, el esfuerzo total de traccion disponibk sera de solo el doble del que se tiene en la rueda con la menor traccion, porque el diferencial divide el momento de torsion en forma igual. Si sucede que una de las ruedas se apoya sQbre nieve 0 hielo, el esfuerzo total dis ponible es muy pequeno y solo se requerira un momento de torsion reducido para hacer que la rueda gire. PROBLEMAS 9-1 Calculese la velocidad y la direcci6n de rotaci6n del engrane 8 de la figura. �CuaI.es la raz6n de velocidades del tren? 48 D Problema 9-1 9-2 La parte (a) de la figura da los diametros de paso ge un juego de engranes rectos que forman un tren. Calculese la raz6n de velocidades del tren. Determinese la velocidad y direcei6n de rotaci6n de los engranes 5 y 7. 9-3 En la parte (b) de la figura se muestra un tren que consta de engranes conicos, rectos y un gusano junto con su engrane. El pinon conico esta montado sobre un eje que se impulsa mediante una banda en V sobre poleas. Si la polea 2 gira a I 200 rpm en la direcci6n que se muestra, encuentrese la velo cidad y direccion de rotaci6n del engrane 9.
- 356. 340 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS (a) Problema 9·2 y 9·3 480 7 �--�-'--�-rl� Gusano derecho 3D ·R.H. (b) 5 9·4 Dsese la transmisi6n de cami6n de Ia figura 9·2 y una velocidad de entrada de 3 000 rpm. Encuen trese la velocidad del eje motriz para cada engrane de avance y para el engrane de reversa. 9-5 En la figura se Hustran los engranes contenidos en una caja de engranes de cambio de velocidades que se utilizan en aplicaciones de maquinas-herramienta. En este caso se pueden obtener nueve cambios de velocidad deslizando el grupo de engranes sobre los ejes B y C. EI problema del disefiador de la 3 4 A n - ,.:- _. U 5" - '-- 6- - B -....9 - ..§.. r-- - t c - '-- '-- Problema 9·5 n=450r " 11 ...., r-- 1'-7 - '-- -10 - {J n=137 a pm Entrada Salida 580rpm
- 357. TRENES DE MECANISMOS341 Problemas 9-6 y 9-7 (a) (b) P:roblemas 9-8 a 9-11 maquina-herramienta eonsiste en seleecionar los numeros de dientes para los diversos engranes, con el fin de produeir una distribuci6n razonable de velocidades para eI eje de salida. Los engranes mas pe queno y mas grande son, respectivamente, el 2 y el 9. Suponiendo que estos engranes tienen 20 y 45 dientes, respeetivamente, determinese un conjunto de mlmeros de dientes apropiados para los engranes restantes. l,Cuaies son las veIoeidades correspondientes del eje de salida? N6tese que el problema tiene muchas soluciones. 9-6 EI engrane interior (el mlmero 7) de la figura gira a 60 rpm emr. I,Cuales son la velocidad y direc ci6n de rotaci6n del brazo 3? 9-7 Si el brazo de la figura gira emr a 300 rpm, deterrninese la velocidad y direeei6n de rotaci6n del en grane interior 7. 9·8 En la parte (a) de la figura, el eje C es estacionario. Si el engrane 2 gira a 800 rpm mmr, leual es la velocidad y cual la direcci6n de rotaci6n del eje B?
- 358. 342 TEORIA DEMAQUINAS Y MECANISMOS 9·9 En la parte (0) de la figura, eonsiderese que el eje B es estacionario. Si el eje C se impulsa a 380 rpm emr, l,cuales son la velocidad y direeci6n de rotaci6n del eje A? 9-10 En la parte (a) de la figura, determinese la velocidad y direeci6n de rotaci6n del eje C a) los ejes A y B giran a 360 rpm emr y b) el eje A gira a 360 rpm mmr y el eje B 10 haee a 360 rpm emr. 9-11 En la parte (0) de la figura, el engrane 2 esta eonectado al eje de entrada. Si el brazo 3 esta eonee tado al eje de salida, i,que reducei6n de velocidad se puede obtener? �Cual es el sentido de la rotaci6n del eje de salida? l.Que cambios se podrian haeer en el tren para producir el sentido de rotaci6n opues to? 9-12 El tren de Levai tipo L que se muestra en la figura 9-10 tiene Nz 16D, N. 19D, Ns = 170 N6 = 240, N7 95 O. El engrane interne 7 esta fijo. Calculese la velocidad y direeci6n de rotaci6n del brazo si el engrane 2 se,impulsa a 100 rpm mmr. 9·13 El tren de Levai tipo A que apareee en la figura 9·10 tiene Nz 200 y N. 32 D a) Encuentrese el numero de dientes en el engrane 5 y el radio del brazo de manivela, s1 el m6dulo es 6mm. b) i,Cual es la velocidad y direcci6n de rotaei6n del brazo si el engrane 2 est! fijo y el engrane inter no 5 gira a 10 rpm emr? 9·14 Los numeros de dientes para el diferencial automotriz ilustrado en la figura 9-15 son Nz = 17, N3 = 54, N. 11, y Ns = N6 = 16. EI eje motriz gira a 1 200 rpm, l.cual es la velocidad de la rueda derecha sl se encuentra elevada, montada sobre un gato, y la rueda izquierda descansa sobre la super fide de la carretera? 9-15 Un vehiculo que usa el diferencial ilustrado en la figura 9-15, gira hacia la derecha a una ve10cidad de 30 millas por hora, describiendo una eurva con un radio de 80 pies. Usense los mismos numeros de dientes que se citaron en el problema 9-14. EI diametro de la llanta es de 15 pulg. Sup6ngase que la dis tancia de centro a centro entre las rodaduras es de 60 pulg. a) Calculese la velocidad de cada rueda posterior. b) l.CuM es la velocidad del engrane anular?
- 359. CAPITULO DIEZ SÍNTESIS DE ESLABONAMIENTOS Eltérmino síntesis cinemática se refiere al diseño o creación de un mecanismo para obtener un conjunto deseado de características de movimiento. En vista de la am plísima variedad de técnicas disponibles, algunas de las cuales suelen ser en ex tremo abrumadoras, aquí se presentan algunos de los procedimientos más útiles para ilustrar la aplicación de la teoría. t:l: 10-1 SíNTESIS DEL TIPO, DEL NúMERO y DIMENSIONAL La sintesis del tipo se refiere a la clase de mecanismo seleccionado; podria ser un eslabonamiento, un sistema de engranes, bandas y poleas o un sistema de levas. Esta fase inicial del problema total de diseño comprende por lo común factores de diseño tales como los procesos de manufactura, materiales, seguridad, confiabi- t Se pueden encontrar extensas referencias en K. Hain (traducida por T.P. Goodman y otros), Ap plied Kinematics, la. ed., pp. 639-727, McGraw-HiIl, 1%7, y en Ferdinand Freudenstein y George N. Sandor, Kínematics ofMechanisms, en Harold A. Rothbart (ed.). MechanicalDesign and Systems Hand book. pp. 4-56 a 4-68, McGraw-Hill, New York, 1964. :j: En lengua inglesa, las siguientes son las referencias más útiles sobre sintesis cinemática: Rudolf A. Beyer (traducida por Herbert Kuenzel), Kinematics Synthesis ofMechanisms, McGraw-Hill, New York, 1963; Alexander Cowie, Kinematics and Design of Mechanisms, lnternational Textbook, Scranton, Pa., 1961; Hain, op. cit.; AlJen S. Hall, Jr., Kinematics and Linkage Design, Prentice-Hall, Engle wood Cliffs, N. J., 1961; R. S. Hartenberg y Jacques Denavit, Kinematícs Synthesis of Linkages, McGraw-HiIl, New York, 1964; Jeremy Hirschhorn, Kinematics and Dynamics of Plane Mechanisms, McGraw-Hill, New York, 1962; D. C. Tao, Fundamentals of Applied K inematics, Addison-Wesley, Reading, Mass., 1967; A. H. Soni, Mechanism Synthesis and Ana/ysis, McGraw-HiII. 1974.
- 360. 344 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS lidad, espacio y economía. El estudio de la cinemática en general se ocupa sólo ligeramentente de la síntesis del tipo. La sfntesis del número se ocupa del número de eslabones y de articulaciones o pares que se requieren para obtener una movilidad determinada (véase la sección 1-6). La síntesis del número e,s el segundo paso en el disefio, después de la síntesis del tipo. .� El tercer paso en el ¡jisefio, la determinación de las dimensiones de los esla bones individuales se conoce con el nombre de sintesis dimensional. Este es el tema del que se ocupa el resto de este capítulo. 10-2 GENERACiÓN DE LA FUNCIÓN, GENERACIÓN DE LA TRAYECTORIA Y GUiA DEL CUERPO Una clasificación importante de los problemas de síntesis que surge en el disefio de los eslabonamientos es la llamada generación de la función. Una de las necesidades frecuentes en el disefio es la de hacer que un elemento de salida gire, oscile, o tenga un movimiento alternativo, según una función del tiempo, o bien, una función del movimiento de entrada especificada. Esto se conoce con el nombre de generación de la función. Un ejemplo sencillo es el de sintetizar un eslabonamiento de cuatro barras para generar la función y = f (x). En este caso, x representaría el mo vimiento de la manivela de entrada y el eslabonamiento se disefiaría de tal modo que el movimiento del oscilador de salida sea una aproximación de la función y. Otros ejemplos de generación de la función son: l. En la línea de un transportador. el elemento de salida de un mecanismo se debe mover a la velocidad constante del transportador, al mismo tiempo que realiza cierta operación, por ejemplo, poner un tapón, regresar, recoger el siguiente tapón y repetir la operación. 2. El elemento de salida debe hacer una pausa o detenerse durante su ciclo de movimiento a fin de dar tiempo para que suceda otro evento. El segundo evento podría ser una operación de sellado, engrapado o sujeción de algún tipo. 3. El elemento de salida debe girar a una función de velocidad no uniforme es pecificada, porque está acoplada a otro mecanismo que requiere ese movimien to de rotación. Un segundo tipo de problema de síntesis es aquél en el que un punto del acoplador debe generar una trayectoria que tenga una forma prescrita. Las ne cesidades comunes son que una porción de la trayectoria sea un arco circular, elíp tico o una recta. En ocasiones se necesita que la trayectoria cruce sobre sí misma, como en una figura de ocho. La tercera clase general de problemas de síntesis se denomina guía del cuerpo; en este caso, el interés reside en mover un objeto de una posición a otra. El pro blema puede ser una traslación simple o una combinación de traslación y rotación.
- 361. SÍNTESIS D EESLABONAMIENTOS 345 Por ejemplo, en la industria de la construcción, piezas pesadas como cucharones y cuchillas de bulldozer se deben mover siguiendo una serie de posiciones prescritas. Dos clases de defectos. llamados de rama y de orden, pueden presentarse en la síntesis para confundir al disefiador. El defecto de rama se refiere a un eslabo namiento desarrollado que satisface todas las necesidades de posición pero tiene puntos del acoplador en ambas ramas de la curva del acoplador. El defecto de or den se refiere a un eslabonamiento desarrollado que satisface todas las necesidades de posición, pero no en el orden correcto. t 10-3 POSICIONES DE PRECISIÓN: ESPACIAMIENTO DE CHEBYCHEV Si 92 es la posición angular del eslabón 2 en un eslabonamiento de cuatro barras, y 94 es la posición angular del eslabón 4, entonces uno de los problemas de la sín tesis cinemática es encontrar las dimensiones del eslabonamiento de tal manera que (a) en donde f es cualquier relación funcional deseada. Aunque este problema no se ha resuelto, es posible especificar hasta cinco valores para 92, llamados puntos de precisión, y encontrar en ocasiones un esla bonamiento que satisfaga la relación deseada para la función y luego seleccionar de dos a cinco puntos de precisión a partir de la gráfka para utilizarlos en la sín tesis. Si el proceso tiene éxito, la relación funcional se satisface para estos puntos; pero ocurrirán desviaciones en otros. Para muchas funciones, el error más grande se puede mantener a un nivel inferior al 4010. Entre los puntos se presentarán desviaciones, conocidas con el nombre de errores estructurales. Uno de los problemas del disefio de eslabonamiento consiste en seleccionar un conjunto de puntos de precisión para utilizarlos en la síntesis, de tal modo que se minimice el error estructural. Como primer tanteo, el mejor espaciamiento de estos puntos es el llamado es paciamiento de Chebychev. Para n puntos en el intervalo Xo s x S Xn+1 el espa ciamiento Chebychev, según Freudensteín y. Sandor, * es _ 1 1 '1T(2j 1) Xi - 2 (Xo + Xn+l) 2 (Xn+l - Xo) cos 2n en donde Xi son los puntos de precisión. j = 1, 2, .. . , n (10-1) tVéase la obra de K. J. Waldron y E. N. Stevensen, Jr., Elimination 01 Branch, GrashoJ, and Order Dejects in Path-Angle Generation and Functlon Generation Synthesis, ASME Paper No. 78� D ET-16 :1: Op. cit. p. 4-27.
- 362. 346 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS {al {bl Figura 10-1 Determinación gráfica del espaciamiento de Chebychev. Como ejemplo, supóngase que se desea idear un eslabonamiento para generar la función (h) para el intervalo 1:s; x :s; 3, usando tres puntos de precisión. Entonces, partiendo de la ecuación (10-l), los tres valores de x son 1 1 �(2 1) n , x1= Z (1+3)- Z (3-1)cos (2)(3) 2-cos "6 = 1.134 3� X2 = 2 -cos 2.000 5n XJ = 2-cos 2.866 Los valores correspondientes de y se encuentran basándose en la ( b ) y son YI = 1.106 Y2 = 1.741 Y3 = 2.322 Se obtienen con facilidad estos puntos exactos utilizando el procedimiento de la figura 10-1. El método se muestra en la figura lO-la, en donde se construye pri mero un círculo cuyo diámetro es el intervalo áx dado por la ecuación áx = Xn+I-XO (e) En este círculo inscríbase un polígono regular de 2n lados. Las perpendiculares bajadas de cada vértice intersecarán a áx en los puntos de precisión. En la figura lO-lb se ilustra la construcción para el ejemplo numérico. Al concluir esta sección, conviene destacar que el espaciamiento de Chebychev es la mejor primera aproximación; dependiendo de las necesidades de exactitud del
- 363. StNTESIS DE ESLABONAMIENTOS347 problema. Si se requiere una actitud adicional, entonces mediante una curva del error estructural en contra de x, por lo común se pueden determinar visualmente los ajustes que se deben hacer en los puntos de precisión para el tanteo siguiente. 10-4 SíNTESIS DE POSICIÓN DEL MECANISMO GENERAL DE CORREDERA Y MANIVEI�A El mecanismo centrado de corredera y manivela ilustrado en la figura 10-20, tiene una carrera BIB2 igual al doble del radio de la manivela, r2. Como se muestra, se encuentran las posiciones extremas Bl y B2, llamadas también posiciones límite, de la corredera, trazando arcos de círculo con centro en O2 y cuyo radio sea, respec tivamente r3 r2 Y r3 + r2. En general, el mecanismo centrado de corredera y manivela debe tener a r3 más grande que rz. Sin embargo, el caso especial de r3 = r2 da por resultado un mecanismo isósceles de corredera y manivela en el que la corredera tiene un mo vimiento alternativo pasando por O2 y la carrera es 4 veces el radio de la manivela. Todos los puntos del acoplador del mecanismo isósceles de corredera y manivela generan trayectorias elípticas. Las trayectorias generadas por puntos sobre el acoplador del mecanismo de corredera y manivela de la figura 10-20 son no elíp ticas; pero siempre son simétricas en torno al eje de deslizamiento OzB. El eslabonamiento de la figura 1O-2b se denomina mecanismo generala excén trico de corredera y manivela. Se pueden obtener ciertos efectos especiales, cam biando la distancia de excentricidad e. Por ejemplo, la carrera BIB2 siempre es mayor que el doble del radio de la manivela. Asimismo, el ángulo de la manivela requerido para ejecutar la carrera hacia adelante es diferente del que corresponde a la carrera de retroceso. Se puede aplicar esta característica para sintetizar los mecanismos de retorno rápido, en los que se desea una carrera de trabajo más len ta. En la figura 1O-2b, nótese que se encuentran las posiciones limite Bl y B2 de la corredera, de la misma manera que para el de corredera y manivela centrados. (al Figura 10-2 a) Mecanismo centrado de corredera y manivela; b) mecanismo general, o excéntrico, de corredera y manivela.
- 364. 348 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 10-3 Posiciones extremas del mecanismo de manivela y oscilador. 10-5 SíNTESIS DE MECANISMOS DE MANIVELA Y OSCILADOR Las posiciones límite del oscilador, en un mecanismo de manivela y oscilador, están identificadas como los puntos B1 y B2 en la figura 10-3. Nótese que estas posi ciones se encuentran de la misma manera que para el eslabonamiento de corredera y manivela. Obsérvese también que la manivela y el acoplador quedan en una sola recta en cada posición extrema. En este caso particular, la manivela describe el ángulo 1/1 mientras que el os cilador se mueve de B1 a B2 describiendo el ángulo f/J. Se observará que, en la carrera de retorno, el oscilador va de B2 de regreso a Bh recorriendo el mismo án gulof/J; pero que la manivela recorre el ángulo 360° -1/1. Hay muchos casos en los que un mecanismo de mamvela y oscilador es su perior a un sistema de leva y seguidor. Entre las ventajas que se tienen sobre este último sistema están las fuerzas menores que intervienen, la eliminación del resorte de retención y las holguras menores en virtud del uso de pares de revoluta. Si ¡f¡ > 1800 en la figura 10-3, entonces a = ¡f¡ - 180, en donde se puede ob tener a p�tiendo de Ila ecuación correspondiente a la razón de tiempos (véase la sección 1-12) Q = 180+a 180-a (10-2) de los movimientos de avance y retorno del oscilador. El primer problema que se presenta en la síntesis de los eslabonamientos de manivela y oscilador es cómo ob tener las dimensiones o la geometría que hagan que el mecanismo genere un ángulo de salida especificado 4>, cuando también se especifica la razón de tiempos. t t El método que se va a describir aparece en la obra de Hall, op. cit., p. 33, Y Som, op. cit., p. 257. Tanto Tao. op. cit. p. 241, como Hain, op. cit., p. 317, describen otro método que da resultados diferentes.
- 365. SÍNTESIS DE ESLABONAMIENTOS349 (b) Figura 10-4 Síntesis de un eslabonamiento de cuatro barras para generar el ángulo del oscilador. Para sintetizar un mecanismo de manivela y oscilador, para los valores es pecíficos de cb y a, localicese el punto 04 en la figura 1O-4a y elíjase cualquier lon gitud deseada del oscilador, '4. Luego trácense las dos posiciones 04B¡ y 04B2 del eslabón 4, separadas por el ángulo cb como se dé. Trácese cualquier recta X que pase por B¡. Entonces, trácese la recta Y que pase por B2, formando el ángulo dado a con X. La intersección de estas dos rectas define la ubicación del pivote de la manivela, O2, Puesto que originalmente se eligió cualquier recta X, existe un número infinito de soluciones para este problema. A continuación, como se observa en las figuras 10-3 y 10-4a, la distancia B2C es 2r2, el doble de la longitud de la manivela. Por tanto, biséquese esta distancia para encontrar '2. Entonces la longitud del acoplador eS'3 OzB¡ - '2. En la figu ra 10-4b se ilustra el eslabonamiento completado. 10-6 MECANISMOS DE MANIVELA-OSCILADOR CON ÁNGULO ÓPTIMO DE TRANSMISIÓN Brodell y Sonit han desarrollado un método analitico para sintetizar el eslabo namiento de manivela y oscilador en el que la razón de tiempos seaQ 1. El disefio satisface también la condición 'Ymin 1800 - l'máx en donde l' es el ángulo de transmisión (véase la sección 1-10). (a) t R. Joe Brodell yA. H. Soni. "Design of the Crank-Rocker Mechanism with Unít Time Ratio", J. Mech., vol. 5 No. 1, p. 1, 1970.
- 366. 350 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS B Figura 10-5 Con el fin de desarrollar el método, úsese la figura 10-3 y la ley de los cose nos, para escribir las dos ecuaciones Luego, según la figura 10-5, rT + d - (r2 + r3)2 2rlr4 rT + d - (r3 - r2)2 2rlr4 (b) (e) (d) (e) Las ecuaciones (a) a (e) ahora se resuelven en forma simultánea; los resultados son las razones entre los eslabones (10-3) (10-4) (l0-5) Brodell y Soni representan gráficamente estos resultados como una gráfica de diseño, como se ilustra en la figura 10-6. Estos investigadores afirman que el án gulo de transmisión debe ser mayor que 30° para lograr un movimiento de buena "calidad", e incluso mayor, cuando se manejan velocidades elevadas.
- 367. 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0:5 lO Ql 0.4 c: o ..c .!l! lO Ql 0.3 '" .!2 ! 5l 0.2 .. Ql c: 0.1 2 .. a:: SÍNTESIS DEESLABONAMIENTOS 351 ��i:� -�- I'¡Oo .,..., r-,..l "qt )400 • , "- ji IX· / 30°1 1/ I ( ---- r4 /r1 "" �./ I f- f- ' .r3/r1 // /r:.. 30° y"V f- --- r2/r1 / / L': / V/ fi/V /' . / V/ / ,.- i-- ........- /V V/ /1/11#-"' //V.iV vh�'lr� V/ tE§: ! I 60° 1500 /' r---. 50° • 400 -.... 30° '. 40° 8 . ......- Figura 10-6 Gráfica de Brodell-Soni para diseñar el eslabonamiento de manivela y oscilador, con un ángulo de transmisión óptimo y razón de Ángulo del oscilador de salida lb 100° 1200 tiempos unitaria. Los ángulos que se dan en las gráficas son 'Y min • La síntesis de un mecanismo de manivela y oscilador para el ángulo de trans misión óptimo, cuando la razón de tiempos no es la unidad, es más dificil. Hallt, y también Sonit , explican un método ordenado para lograr esto. En la figura 10-7 se ilustra el primer paso de este procedimiento. En este caso se seleccionan los dos t op. cit., pp. 36-42. :j: Op. cit., p. 258. Figura 10·7 Diagrama que muestra todas las ubicaciones posibles de BI y B,?
- 368. ) 352 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 10-8 Determinación de las longitudes de los eslabones para uno de los mecanismos de manivela y oscilador posibles. puntos O2 y 04, Y se encuentran los puntos e y C', simétricos respecto a 0204 y definidos por los ángulos (4)/2) ex y 4>/2. Luego, utilizando a e como centro y a la distancia que va de e a O2 como radio, trácese el arco circular que es el lugar geométrico de B2• En seguida, utilizando a C' como centro y con el mismo radio, trácese otro arco circular que sea el lugar geométrico de BI' En la figura 10-8 se ha sintetizado uno de los muchos eslabonamientos po sibles de manivela y oscilador. Para obtener las dimensiones, elijase cualquier punto BI sobre el lugar geométrico de Bit y trácese un arco alrededor de 04, con el fin de localizar a B2 sobre el lugar geométrico de B2• Una vez que se definen estos dos puntos, se aplican los métodos de la sección anterior para localizar los puntos Al y Az, junto con las longitudes de los eslabones, rz y r3. Siempre se deben verificar los eslabonamientos resultantes para asegurarse de que el eslabón 2 es capaz de describir un círculo completo. Para obtener un eslabonamiento con un ángulo de transmisión óptimo, elijase una variedad de puntos B, sobre el lugar geométrico de Bl, sintetizando un esla bonamiento para cada uno. Determínense los ángulos 190'" 'Ymínl Y 190'" - 'Ymáxl para cada uno de estos eslabonamientos. Luego sitúense estos datos en una grá fica, utilizando el ángulo f3 (Fig. 10-8) como la abscisa para obtener dos curvas. Entonces se define el mecanismo que tiene el mejor ángulo de transmisión median te el punto bajo sobre una de las curvas. 10-7 SíNTESIS DE TRES POSICIONES En la figura 1O-9a, el movimiento del oscilador de entrada 02A, describiendo el ángulo 1/112, provoca un movimiento del oscilador de salida 04B, que describe el
- 369. SíNTESIS DE ESLABONAMIENTOS353 Figura 10-9 a) La r otación del os cilador de entrada O,¡A describiendo el ángulo ,p12 hace que el oscilador de salida 04B oscile describiendo el án gulo <P12. b) Eslabonamiento inver tido respecto a la posición 04B. ángulo <P12' Para definir la inversión como una técnica de síntesis, mantengamos estacionario a 04B y dejemos que el resto de los eslabones, incluyendo al marco, ocupen las mismas posiciones relativas como en la figura 1O-9a. El resultado (Fig. 1O-9b) se denomina inversión en el oscilador de salida. Nótese que A¡B¡ se Figura lO-lO
- 370. 354 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS coloca en la misma posición que en las figuras 1O-9a y b. Por consiguiente, la in versión se hace en la posición 04BI . Puesto que 04B1 debe estar fijo, el marco tendrá que moverse para que el eslabonamiento adquiera la posición A2B2• De hecho, el marco tendrá que moverse hacia atrás, describiendo el ángulo <P12. Por ende, la segunda posición es OíAíBí04' En la figura 10-10 se ilustra un problema y el eslabonamiento sintetizado en el que se desea determinar las dimensiones de un eslabonamiento en el que la palanca de salida debe ocupar tres posiciones especificadas, correspondientes a tres po siciones dadas de la palanca de entrada. En la figura 10-10, el ángulo de partida de la palanca de entrada es 82; y 1/112, 1/123 y 1/113 son los ángulos de oscilación, respec tivamente, entre las posiciones de diseño 1 y 2, 2 Y 3, y 1 Y 3. Para la palanca de salida se desean los ángulos de oscilación correspondientes <P12, 4>23 y <PJ3o Es preci so determinar la longitud del eslabón 4 y su posición de partida 84, La solución para el problema se ilustra en la figura 10-11 y se basa en la inver sión del eslabonamiento en el eslabón 4. Trácese el oscilador de entrada OzA en sus tres posiciones especificadas y localícese una posición deseada para 04• Puesto que se hará la inversión en el eslabón 4, en la primera posición de diseño, trácese un rayo de 04 a A2 y gírelo hacia atrás describiendo el ángulo <P12 para localizar a Aío Del mismo modo, trácese otro rayo OxAx y hágasegirar hacia atrásdescribien do el ángulo 4>13 con el fin de localizar Ajo Puesto que se está invirtiendo sobre la primera posición de diseño, Al y Aí son coincidentes. Ahora trácense las me diatrices de las rectas AíA2 y AíA�. Estas se intersecan en BI y definen la longitud del acoplador 3 así como la longitud y la posición de partida del eslabón 4. Figura 10-11
- 371. SlNTESIS DE ESLABONAMIENTOS355 10-8 REDUCCIÓN DE LA POSICIÓN DEL PUNTO; CUATRO PUNTOS DE PRECISIÓN En la reducción de la posición del punto, el eslabonamiento se hace simétrico res pecto a la recta central del marco, 0204, de forma que se logre que dos de los pun tos A' sean coincidentes. El efecto de esto es producir tres puntos equivalentes A' por los que se pueda trazar un círculo como en la sintesis de tres posiciones. Este método se ilustra mejor con un ejemplo. A continuación se sintetizará un eslabonamiento para poder generar la fun ción y log x para lOs x s 60, utilizando un intervalo de la manivela de entra da de 1200 y uno de salida de 900• Con el propósito de simplificar la presentación, no se empleará el espacia miento de Chebychev. Se evalúa el ángulo", para las cuatro posiciones de disefio a partir de la ecuación", == ax + b Y de las condiciones en la frontera'" == O cuan do x = 10Y'" 1200 cuando x == 60. Esto da '" == 2.40x 24. El ángulo 4> se (a) (d) Figura 10-12
- 372. 356 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Tabla 10-lt Posición x "', grados y 4>, grados 1 10 O 2.30 O 2 20 24 3.00 35 3 45 94 3.80 75 4 60 120 4.10 90 t "'12 = 24" 1/112 = 35" "'23 70" 1/123 40" "'34 26° 1/Ij4= 15° evalúa exactamente en la misma forma; de donde, se obtiene f/l = SOy-lIS. En la tabla 10-1 se dan los resultados de este trabajo preliminar. En la figura IQ..12 se presenta una selección de cuatro configuraciones para la posición de partida. En a, la recta 0204biseca tanto a 1/112 como a f/l12; y, por tan to, si el elemento de salida que hace girar en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj, desde la posición 04B2, Aí y Aí serán coincidentes y se en contrarán en Al. Entonces la inversión se basaría en la posición de 04B¡. De don de A3 se giraría describiendo el ángulo f/l3' en torno a 04, en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj hasta llegar a A;; y A4 describiría el ángulo f/l14 hasta llegar a A4. En .la figura lO-12b, la recta 0204 biseca a 1/123 y f/l23, en tanto que en d se bisecan los ángulos 1/114 y f/l14' Al obtener las inversiones para cada caso, debe tenerse un cuidado extremo para asegurarse de que se hace la rotación en la direc ción correcta y con los ángulos correctos. Cuando se usa la reducción de la posición del punto, lo único que es factible especificar por adelantado es la longitud del oscilador de entrada 02A. La distan cia 0204 depende de los valores de 1/1 y f/l. como se indica en la figura 10-12. Nótese que cada posición de síntesis ofrece un valor diferente para esta distancia. En realidad esto resulta muy conveniente ya que no es raro sintetizar un eslabo namiento que no pueda funcionar. Cuando esto sucede, se puede intentar una de las otras configuraciones. El eslabonamiento sintetizado aparece en la figura 10-13. El procedimiento es exactamente el mismo que para los tres puntos de precisión, excepto en lo que ya se hizo notar previamente. El punto Bl se obtiene en la intersección de las me diatrices de AjA� y A;A4. En este ejemplo el mayor error cometido es menor que el 30/0. 10-9 MÉTODO DE LA FIGURA SOBREPUESTA La síntesis de un generador de función, póngase por caso, utilizando el método de la figura sobrepuesta, es el método más fácil y rápido de utilizar de entre todos. No siempre es posible obtener una solución y, en ocasiones, la exactitud es defi-
- 373. SíNTESIS DE ESLABONAMIENTOS357 Figura 10-13 dente. Sin embargo, desde un punto de vista teórico, se pueden emplear tantos puntos como se deseen en el proceso. Diseñemos un generador de función para resolver la ecuación (a) Supóngase que se eligen seis posiciones del eslabonamiento para este ejemplo y que se usa un espaciamiento uniforme del oscilador de salida. En la tabla 10-2 se mues tran los valores de x y y redondeados, así como los ángulos correspondientes selec cionados para los osciladores de entrada y salida. Tabla 10-2 Posición x if¡, grados y q" grados 1 1 O 1 O 2 1.366 22.0 1.284 14.2 3 1.756 45.4 1.568 28.4 4 2.16 69.5 1.852 42.6 5 2.58 94.8 2.136 56.8 6 3.02 121.0 2.420 71.0
- 374. 358 TEORIA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS (a) 6 Figura 10-14 El primer paso de la síntesis es el que' se ilustra en la figura 10-140. Úsese una hoja de papel para dibujo y trácese el oscilador de entrada 02A en todas sus posiciones. Esto exige que se elija la longitud de �A Asimismo, en la misma hoja, elíjase una longitud para el acoplador AB y dibújense los arcos numerados dell al 6, utilizando respectivamente como centros desde Al hasta AQ• Ahora, en otra hoja de papel, trácese el oscilador de salida, cuya longitud se desconoce, en todas sus posiciones, como se ilustra en la figura 1O-14b. Con centro en 04 dibújese cierto número de arcos igualmente espaciados que se inter sequen con las rectas 041, 042, etc.; estos representan las longitudes posibles del oscilador de salida. El paso final consiste en colocar esta última figura sobre el dibujo del primer papel y moverla en un intento por encontrar un ajuste. En este caso, se encontró el ajuste y el resultado es el que se ilustra en la figura10-15. 10-10 SÍNTESIS DE LA CURVA DEL ACOPLADORt En esta sección se usa el métE>do de reducción de la posición del punto para sin tetizar un eslabonamiento de cuatro barras, de tal modo que un punto trazador del acoplador recorra cualquier trayectoria previamente especificada cuando se mueve el eslabonamiento. Luego, en las secciones que siguen, se descubrirá que las tra- t Los métodos aqui presentados fueron ideados por Rain y se presentan en su obra, op. cit., cap. 17.
- 375. SlNTESIS DE ESLABONAMIENTOS359 6 �y 3 2 Figura 10-15 yectorias que tienen ciertas características son particularmente útiles al sintetizar eslabonamientos que tienen detenciones del elemento de salida para ciertos pe riodos de la rotación del elemento de entrada. Al sintetizar un eslabonamiento con el fin de generar una trayectoria, se pueden elegir hasta seis puntos de precisión sobre la misma. Si la síntesis tiene éxito, el punto trazador pasará por cada uno de los puntos de precisión. El resul tado final puede o no ser una aproximación de la trayectoria deseada. En la figura 10-16 se ilustran dos posiciones de un eslabonamiento de cuatro barras. El eslabón 2 es el elemento de entrada; está conectado en A al acoplador 3, Bl �----------�--------��� Figura 10-16
- 376. 360 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS que contiene el punto trazador e, y al eslabón de salida 4 en B. Se ilustran dos fases del eslabonamiento mediante los subíndices 1 y 3. Los puntos el y e3 son dos posiciones del trazador sobre la trayectoria que se va a generar. En este ejem pIo/tl y e3 se han seleccionado en forma especial de tal modo que la mediatriz C)3 pase por 04• En lo que concierne a la selección de los puntos, se observará que el ángulo el04e3 es igual al ángulo A104A3, como se indica en la figura. La ventaja de hacer que estos dos ángulos sean iguales es que, cuando se sin tetiza finalmente el eslabonamiento, los triángulos e3A304 y elAI04 son con gruentes. Por tanto, si se hace que el punto trazador pase por el, sobre la trayec toria, también pasará entonces por e3• Para sintetizar un eslabonamiento de tal manera que el acoplador pase por cuatro puntos de precisión, se localizan cuatro puntos cualesquiera eh e2, e3, e4 de la trayectoria deseada (Fig. 10-17). Por ejemplo, eligiendo el y e3, primero se localiza 04 en cualquier punto sobre la mediatriz Cn. Luego, con 04 como cen tro y cualquier radio R, trácese un arco circular. A continuación, con los centros en el y e3 y cualquier otro radio r, márquense pequefios arcos que se intersequen con el arco de radio R. Estas dos intersecciones definen los puntos Al y A3 del eslabón de entrada. Constrúyase la mediatriz an de AIA3 y obsérvese que pasa por 04• Localícese O2 en cualquier punto sobre an. Esto ofrece una oportunidad de elegir una longitud conveniente para el oscilador de entrada. Úsese ahora O2 como centro y trácese el círculo de la manivela pasando por Al y A3. Los puntos A2 y A4 de este círculo se obtienen marcando pequefios arcos de radio r una vez más con centro en e2 y e4• Esto completa la primera fase de la síntesis; se han localizado O2 y 04 en relación con la trayectoria deseada y, por ende, se ha de finido la distancia 0204• También se ha definido la longitud del elemento de en trada y se localizaron sus posiciones relativas a los cuatro puntos de precisión de la trayectoria. � -------- � ,- R -------- ------ � Figura 10-17
- 377. SINTESIS DE ESLABONAMIENTOS361 Radio Figura 10-18 La siguiente tarea consiste en localizar el punto B, el punto de sujeción del acoplador y el elemento de salida. Se puede utilizar cualquiera de las cuatro ubicaciones de B; en este ejemplo se emplea la posición Bl> Antes de dar principio al paso final, obsérvese que el eslabonamiento ha / °4 Figura 10·19
- 378. 362 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS quedado definido. Se tomaron cuatro decisiones; la ubicación de 04, los radios R y r y la ubicación de 02 . En consecuencia, hay una infinidad de soluciones posibles. En relación con la figura 10-18, 10ca1ícese el punto 2 haciendo congruentes a los triángulos C2A204 y C¡A¡2. Localícese el punto 4 haciendo que sean congruen tes C4A404 y C¡A¡4. Los puntos 4, 2 Y 04 están sobre el circulo cuyo centro es Bl. De donde, BI se encuentra en la intersección de las mediatrices de 042 y 044. Nótese que el procedimiento utilizado hace que los puntos 1 y 3 coincidan con 04, Una vez localizado Bh se pueden dibujar los eslabones en su sitio y el mecanismo se prueba para ver si describe bien la trayectoria prescrita. Para sintetizar un eslabonamiento con el fin de generar una trayectoria que pase por cinco puntos de precisión, es necesario hacer dos reducciones de punto. Se principia eligiendo cinco puntos de CI a Cs sobre la trayectoria que se debe recorrer. Elíjanse dos pares de estos puntos para los fines de reducción. En la figura 10-19 se han elegido los pares CICS y C2C3• Otros pares que pudieran haberse usado son: (a) Figura sobre papal delgado Ca _----_� - ....." (b) FigurlllO-20
- 379. SíNTESIS DE ESLABONAMIENTOS363 Constrúyanse las mediatrices Cn Y CI5 de las rectas que conectan a cada par. Estas intersecan en el punto 04• Obsérvese que, en consecuencia, se puede localizar con venientemente 04 mediante una selección juiciosa de los pares que se usarán, asi como por la elección de las posiciones de los puntos CI sobre la trayectoria. El siguiente paso se realiza mejor empleando un trozo de papel delgado para sobreponerlo al dibujo. Fíjese esta hoja de papel delgado al dibujo y márquense el centro 04, la mediatriz Cn, y otra recta que vaya de 04 a C2 sobre él. En la figu ra 10-24a se ilustra esta superposición en donde la recta 04C2 se designa como 04 C;. Esto define al ángulo tPn/2. A continuación, girese el papel delgado en torno a 04 hasta que la mediatrÍz coincida con CI5 Y repítase el procedimiento para el pun to CI. Con esto se define el ángulo tPls/2 y la recta correspondiente 04Cl. Ahora se fija el papel sobrepuesto en 04, utilizando una tachuela y se hace girar hasta que se encuentre una buena posición. Es conveniente ajustar el compás con un radio conveniente r y dibujar circulos en torno a cada punto C;. La inter sección de estos circulos con las rectas 04Cí y 04Cí de la hoja sobrepuesta, y en tre si, revelará cuáles áreas valdrá la pena investigar. Véase la figura lO-20b. En la figura 10-21 se muestran los pasos finales de la solución. Después de localizar una buena posición para el papel sobrepuesto, transfiéranse las tres rectas al dibujo y quítese el papel. A continuación dibújese un arco circular de radio r para que se interseque con 04Cí y localícese Al. Otro arco del mismo radio r des de C2 interseca con 04Cí en A2• Una vez localizados Al y A2, dibújese la me- C' 2 Figura 10-21 ,3
- 380. 364 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS diatriz a12; ésta se interseca con a23 en O2, dando la longitud del oscilador de en trada. Un círculo que pase por Ah en torno a O2, contendrá todas las posiciones de diseño de A; utilícese el mismo radio r, localícense A3, A4 Y A5 sobre arcos trazados alrededor de C3, C4 y C5• Ahora ya se localizó todo excepto el punto BI, y éste se encuentra como antes. Existe un doble punto 2,3 debido a la elección de 04 en la mediatriz e23. Para localizar este punto, trácese un arco desde Cl cuyo radio sea C204• Luego se traza otro desde Al con radio A204• Estos se intersecan en el punto 2,3. Para localizar el punto 4, márquese un arco desde Ch con radio C404, y otro desde Ah con radio A404• Nótese que los puntos 04 y los puntos dobles 1,5 coinciden, porque la sín tesis se basa en la inversión sobre la posición 04BI. Los puntos 04,4 Y los puntos dobles 2,3, están sobre un círculo cuyo centro es Bt. como se muestra en la figura 10-21. El eslabonamiento se completa dibujando el acoplador y el seguidor en la primera posición de diseño. 10-11 ESLABONAMIENTOS AFINES; TEOREMA DE ROBERTS-CHEBYCHEV Una de las propiedades desusuales del eslabonamiento plano de cuatro barras es que no hay uno sino tres eslabonamientos de cuatro barras que generan la misma curva del acoplador. Esto fue descubierto por Roberts t en 1875 y por Chebychev en 1878, de ahí que se conozca como teorema de Roberts-Chebychev. Aunque se mencionó en una publicación en lengua inglesa en 1954,* no apareció en las publicaciones estadounidenses sino hasta que fue presentado en forma indepen diente, y casi simultánea, por Richard S. Hartenberg y Jacques Denavit, de la North Western University,y por Rolland T. Hinkle,de la Michigan State University.§ En la figura 10-22, sea 0lAB02 el eslabonamiento original de cuatro barras con un punto del acoplador P fijo a AB. Hartenberg y Denavit denominaron eslabonamientos afines a los dos eslabonamientos restantes definidos por el teo rema de Roberts-Chebychev. Cada uno de los eslabonamientos afines se ilustran en la figura 10-22, uno de ellos mediante guiones cortos y el otro mediante trazos lar gos. La construcción es evidente, si se observa que hay cuatro triángulos semejan tes, cada uno de los cuales contiene a los ángulos er, f3 y y, y tres paralelogramos diferentes. Una buena manera de obtener las dimensiones de los dos eslabonamientos afines es imaginar que pueden soltarse las conexiones con el marco, OI. O2 y 03• t Por S. Roberts, un matemático; que no es el mismo Roberts a quien se debe el generador de líneas rectas aproximadas (Fig. 1-l2b). t P. Grodzinski y E. M'Ewan, "Link Mechanisms in Modem Kinematics", Proc. Inst. Mech. Eng., vol. 1 68. no. 37. p. 877-896, 1 954. § R. S. Hartenberg y Jacques Denavit, "The Fecund Four-Bar", Trans. 5th Con! Mech., Purdue University, Lafayette, Ind., 1958, p. 194. R. T. Hinkle, "Altemate Four-Bar Linkages", Prod. Eng., vol. 29, p. 54, october, 1 958.
- 381. SÍNTESIS DE ESLABONAMIENTOS365 F1gura 10-22 Luego "se tira" de Oh O2 y 03, separándolos hasta que se forma una recta con la manivela, el acoplador y el seguidor de cada eslabonamiento. Si se hace esto con la figura 10-22, se obtiene la figura 10-23. Nótese que las distancias sobre el marco son incorrectas; pero todos los eslabones movibles tienen la longitud correcta, y todos los ángulos son los correctos. Dado cualquier eslabonamiento de cuatro barras y su punto del acoplador, se puede crear un dibujo como el de la figura 10-23 Figura 10-23 Diagrama de Cayley.
- 382. 366 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS A Figura 10..24 y obtener las dimensiones de los otros dos eslabonamientos afines. Este método fue descubierto por A. Cayley y se denomina diagrama de Cay/ey. t La ventaja del teorema de Roberts-Chebychev es que uno de los otros dos eslabonamientos afines puede tener mejores características de movimiento, o un mejor ángulo de transmisión, o bien, caber en un espacio menor. Si el punto trazador P se encuentra sobre la recta AB, o su extensión, una figura como la 10-23 es de poca ayuda, debido a que los tres eslabonamientos se comprimen en una sola recta. En la figura 10-24 se presenta un ejemplo en el que 0)AB02 es el eslabonamiento original que tiene un punto del acoplador P, sobre una extensión de AB. Para encontrar los eslabonamientos afines, localicese 03 sobre una extensión de 0,0z en la misma razón que AB es a BP. Luego contrúyan se en orden, los paralelogramos O,A¡PA, 02B2PB Y 03C1PC2• Hartenberg y Denavit demuestran que las relaciones de velocidad angular en tre los eslabones de la figura 10-22 son (10-6) t A. Cayley, "On Three-BarMotion". Proc. Lond. Math. Soc., vol. 7. PP_.)36-166,1876. En la épo ca de cayley, un eslabonamiento de cuatro barras se describía como un mecanismo de tres barras porque aún no se había concebido la idea de cadena cinemática. Figura 10-25
- 383. SlNTESIS DE ESLABONAMIENTOS367 También observan que si se impulsa el eslabón 2 con una velocidad angular cons tante y si se deben conservar las relaciones de velocidad durante la generación de la curva del acoplador, los mecanismos afines tendrán que ser impulsados con ve locidades angulares variables. 10-12 SíNTESIS ANALíTICA UTILIZANDO ÁLGEBRA COMPLEJA Hay ocasiones en que se publica una investigación que resulta clásica por su sim plicidad e ingenio. El especialista ruso en cinemática Bloch t publicó una inves tigación de esta índole, que fue la chispa que encendió una generación completa de investigación. Su método se presenta aquí más por las ideas adicionales que puede generar, que por su valor intrínseco, y también en virtud de su interés histórico. En la figura 10-25 reemplácense los eslabones de un eslabonamiento de cuatro barras por vectores de posición y escríbase la ecuación vectorial En notación compleja polar, la ecuación (a) se escribe La primera y segunda derivadas de estas ecuaciones son (a) (b) (e) (d) Si ahora las ecuaciones (b), (e) y (el) se regresan a la notación vectorial, se obtienen las ecuaciones simultáneas +r2 W2r2 +W3r3 +W4f"4 = O (a2 +jwDr2 +(a3 +jw�)r3 +(a4 +jw¡)r4 = O (e) Este es un conjunto de ecuaciones vectoriales homogéneas cuyos coeficientes son números complejos. Bloch especificó los valores deseados de todas las velocidades angulares y aceleraciones angulares, y luego resolvió las ecuaciones para obtener las dimensiones relativas del eslabonamiento. t s. Sch. Bloch. "On the Synthesis of Four-Bar Linkages" (en ruso), Bul/, Acad. Sci. USSR., pp. 47-54, 1940.
- 384. 368 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Al resolver las ecuaciones (e) para r2 da -1 1 O W3 W4 O W3 +j6)� W4 +j6)¡ r2 1 1 (f) 6)2 w3 W4 U2 + jw� u3 +jwi U4 +jwa Se obtendrán expresiones similares para r3 Y r4. Resulta que los denominadores para las tres expresiones, es decir, para r2, r3 Y r4, son números complejos e iguales. En la división, se dividen las magnitudes y se restan los ángulos. Puesto que estos denominadores son todos semejantes, el efecto de la división sería cam biar las magnitudes de r2, r3 Y r4 en el mismo factor, y desplazar todas las direc ciones en el mismo ángulo. Por esta razón, se hace que todos los denominadores sean la unidad; las soluciones dan en tal caso vectores adimensionales para los eslabones. Cuando los determinantes se evalúan, se encuentra r2 = W4(U3 +jwj) W3(U4 +jw¡) r3 = W2(U4 +jw¡) W4(U2+j6)D r4 W3(U2+jw�) - W2(U3 +jwD (10-7) Ejemplo 10-1 Sintetícese un eslabonamiento de cuatro barras que dé los siguientes valores para las velocidades y aceleraciones angulares: w-¿ 200radls az = Orad/s2 WJ = 85rad/s aJ = -1000rad/s2 W4 130rad/s a4 -16000 rad/s2 SOLUCiÓN Después de sustituir los valores dados en las ecuaciones ( 10.7 f2 130[-1000+j(8!¡2 )] 85[-16000+j{ 1 3W] 1 230000-j497 000= 1 330000/-27: unidades f3 = 200[- 1 6000+j(130)21 = - 3 200000 -j 1 8 20000= 3 690 000/-150.4° unidades f. = 8 5 [0+j(200 )2] 200[- 1000+j(8Wl 200000+ji 95 5000= 1 965000/84. 15° unidades f¡ -(1 230000-j4970(0) -(200000+ji 9550(0) = 1 770000+j 36 2 000= 1810OOO� unidades En la figura 10. pulgada. Para hacer que f¡ sea horizontal y esté en la dirección -x se debe hacer girar todo el sistema vectorial en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj 1 8 0.11.6 Entonces se puede construir el eslabonamiento resultante utilizando T¡ para el eslabón1, fZ para el eslabón 2, etc., como se ilustra en la figura 10.26b. en pulgadas y, si se analiza, se encontrará que se han satisfecho las condiciones del ejemplo.
- 385. SÍNTESIS DE ESLABONAMIENTOS369 y Escala: 1 000000unidades II...¡·-----------,_r! I �------------------���----��---x A (a) Figura 10-26 O;¡A = 1.33 pulg; AB 3.79 pulg; 04B 1.965 pulg; O;¡04 = 1.81 pulg. 10-13 ECUACiÓN DE FREUDENSTEINt B Si la ecuación de la sección anterior se lleva a la forma compleja rectangular, y si se separan las componentes real e imaginaria, se obtienen las dos ecuaciones al gebraicas r¡ cos 01 + r2 CoS O2 + r3 COS 03 + rol COS 04 = O r¡ sen 81 + r2 sen O2 + r3sen (h + r4 sen 04 O Partiendo de la figura 10-25, sen 81 = O Y cos 01 = -1; de donde, -r¡ + r2 cos flz + r3 COS 03+ rol cos fh = O r2 �en O2 + r3 sen 83+ r4 sen 84 = O (a) (b) (e) (d) Para eliminar el ángulo del acoplador 03 de las ecuaciones, pásense todos los tér minos, excepto los que comprenden a r3, al segundo miembro y elévense al cuadrado ambos miembros. Esto da dcos 2 83 = (rl - rz cos 62 - r4 cos (4) 2 dsen 2 03 = (-rz sen 62 rol sen (4) 2 (e) (j) t Ferdinand Freudenstein, "Approximate Synthesis of Four-Bar Linkages", Trans. ASME. vol. 77. no. 6, pp. 853-861, 1955.
- 386. 370 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Desarróllense los segundos miembros de ambas ecuaciones y súmense. El resultado es el siguiente: ti = ri+ d + r¡ 2rlr2 COS 82-2rlr4 COS 84 + 2r2r4(COS 82COS 84 + sen82 sen (4) (g) Ahora, obsérvese que cos 82 C06 94 +_sen 82 sen 94 == COS (82 (4). Si se hace esta sustitución, divídase entre el término 2r2r4;-;' reordénense una vez más, se obtiem I (h) Freudenstein escribe la ecuación (h) en la forma (10-8) siendo (l0-9) K2 = r2 (10-10) ti-ri-r�-d Kl = '--"--':"':�:"'=-"';";;:; 2r2r4 ( l0-11) Ya se han presentado métodos gráficos para sintetizar un eslabonamiento de tal modo que el movimiento del elemento de salida se coordine con el de entrada. La ecuación de Freudenstein nos permite realizar esta misma tarea por medios analíticos. En consecuencia, supóngase que se desea que la palanca de salida de un eslabonamiento de cuatro barras ocupe las posiciones 4>1, 4>2 y 4>3 correspondientes a las posiciones angulares "'h 1/12, Y "'3 de la palanca de entrada. En la (10-8), lo único que se hace es sustituir 92 por "', 84 por 4>, y se escribe la ecuación tres veces, una para cada posición. Esto da K¡ cos "'¡ + K2 cos <p¡ + K3 = COS ("'¡ - 4>¡) K¡ COS "'2 + K2 COS 4>2 + K3 = COS ("'2 - <P2) K¡ COS "'3 + K2 cos <P3 + K3 = COS ("'3 <P3) (i) Las ecuaciones (l) se resuelven simultáneamente para las tres incógnitas K¡, K2, K3. Luego se selecciona una longitud, por ejemplo rI. para uno de los eslabones y se resuelven las ecuaciones (10-9) a (10-1l) para determinar las dimensiones de los otros tres. El método queda mejor ilustrado por medio de un ejemplo. Ejemplo 10-2 Sinteticese un generador de función para resolver la ecuación utilizando tres puntos de precisión. 1 y x
- 387. SíNTESIS DE ESLABONAMIENTOS371 SOLUCIÓN Si se elige el espaciamiento de Chebychev, se encuentra, basándose en la (10-1), que los valores de x y los valores correspondientes dey son XI = 1 .067 X2 = 1 .500 XJ = 1 .933 YI = 0.937 Y2 0.667 Yl 0.5 17 Ahora se deben elegir los ángulos de partida para las palancas de entrada y salida, asl como los ángulos de oscilación total para cada una. Estas son decisiones arbitrarias y es posible que no conduzcan a un buen eslabonamiento, en el sentido de que los errores estructurales entre los pun tos de precisión pueden ser grandes o que los ángulos de transmisión resulten deficientes. En ese género de síntesis, hay ocasiones en que incluso se descubre que debe eliminarse uno de los pi votes para pasar de un punto de precisión a otro. Por lo general se requierecierto trabajo de tan teos para descubrir las mejores posiciones de partida y ángulos de oscilación más adecuados. Tabla 10-3 x ¡fJ, grados y </>, grados 1 .000 30.00 1 .000 240.00 1 .067 36.03 0.937 251.34 1.500 75.00 0.667 300.00 1.933 1 13.97 0.517 326.94 2.000 120.00 0.500 330.00 Para la palanca de entrada se escoge una posición de partida de 30° y un ángulo de oscilación total de 90°. Para la palanca de salida, elijase la posición de partida a 240° y también un reco rrido total de 90° . Una vez tomadas estas decisiones, pueden completarse el primero y último ren glón mostrados en la tabla 10-3. A continuación, para obtener los valores de '" Y ti> correspondientes a los puntos de precisión, escríbase ¡fJ = ax + b </> = cy + d (1) y úsense los datos del primero y último renglones de la tabla 10-3 para evaluar las constantes a, b, e y d. Cuando se hace esto, se encuentra que las ecuaciones (1) son ¡fJ = 9Ox - 60 </> -l80y + 420 (2) Ahora se pueden usar estas ecuaciones con el fin de calcular los datos para los renglones restantes de la tabla 1 0-3 y determinar las escalas de las palancas de entrada y salida del eslabonamiento sintetizado. Abora tómense los valores de ¡fJ y </> de la segunda línea de la tabla 10·3 y sustitúyanse 82 y 8. por ellos en la (10-8). Repítase esta operación para la tercera y cuarta líneas. Entonces se tienen las tres ecuaciones KI cos 36.03 + Kz cos 25 1.34 + K3 = cos (36.03 - 251 .34) KI cos 75.00 + K2 cos 300.00 + K3 = cos (75.00- 300.00) K¡ cos 1 13.97 + K! cos 326.94 + K3 cos(l 13.97 - 326.94) (3)
- 388. 372 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Cuando se llevan a cabo las operaciones indicadas, se tiene 0.8087K¡ -0.3200K2+ K3 = -0.8160 O.2588K¡ + 0.5000K2 + K3 = -0.7071 ¡ -0.4062K¡ + 0.838t K2 + K3 = -0.8389 Después de resolver las ecuaciones (4), se obtiene K2 = 0.4032 Utilizando TI = 1 unidad, de la (10-9) se obtiene '¡ too 48 ' ' 4 = K¡ = 0.4032 2. uruts Del mismo modo, basándose en las ecuaciones (10-10) y (10-1 1), resulta que '2 2.48 units ' ) = 0.968 unit El resultado es el eslabonamiento cruzado que se ilustra en la figura 10-27. (4) Freudenstein ofrece las siguientes sugerencias que serán de gran ayuda para sintetizar tales generadores: l. Los ángulos totales de oscilación de los elementos de entrada y salida deben ser menores que 1200• 2. Evítese la generación de funciones simétricas tales como y = X2 en el intervalo -l s x s 1. 3. Evítese la generación de funciones que tengan cambios de pendiente abruptos. 10-14 SlNTESIS DE LOS MECANISMOS DE DETENCIÓN Uno de los usos más interesantes de las curvas del acoplador que tienen segmentos rectilineos o de arco circular, es en la síntesis de mecanismos que poseen una detención sustancial durante una porción de su periodo de operación. Al utilizar segmentos de curvas del acoplador no es difícil sintetizar eslabonamientos con una Figura 10-27
- 389. c2 / I I I I I , I / __ ----;"'-- C¡,- ,/ D¡, D2, D3 -� Curva del acoplador (a) SíNTESIS DE ESLABONAMIENTOS 373 / / / '- / / ---- ) / / / / / / 1/ / /"'"- Curva del acoplador / (b) Figura 10-28 Síntesis de mecanismos de detención; en ninguno de los casos se ilustra el eslabonamiento de cuatro barras que genera la curva del acoplador. a) El eslabón 6 se detiene mientras el punto e recorre la trayectoria de arco circular C,C2C3; b) el eslabón 6 se detiene mientras el punto e se desplaza a lo largo de la porción recta de la curva del acoplador. detención, en cualquiera de los extremos de su movimiento o en ambos, o bien, en un punto intermedio. En la figura 10-28a se seleccionó una curva del acoplador que tiene aproxi madamente una forma elíptica, del atlas de Hrones y Nelson, de tal modo que una porción sustancial de la curva se aproxima a un arco circular. Conectando el eslabón 5 se le da entonces una longitud igual al radio de este arco. Por tanto, en la figura, los puntos Dr, D2 Y D3 son estacionarios en tanto que el punto del acoplador C se mueve pasando por las posiciones el. e2 y e3• La longitud del eslabón de salida 6 y la localización del punto del marco 06 dependen del án gulo de oscilación deseado de este eslabón. También se debe colocar el punto del marco para obtener un ángulo de transmisión óptimo. Figura 1(1..29 Figura para sobreponer que se usa con el atlas de Hrones y Nelson.
- 390. 374 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS L Curva del acoplador � �---- ------- // - -C ---....... '" � j/ I � / , / � / � / � / � / � / � / � / � / " / '" --' (b) Figura 10-30 a) El eslabón 6 se detiene en cada extremo de su oscilación. b) El eslabón 6 se detiene en la porción central de su oscilación. Cuando se desean segmentos de arcos circulares para la curva del acoplador, conviene seguir un método organizado de búsqueda en el atlas de Hrones y Nelson. La figura para sobreponer, ilustrada en la figura 10-29, se realiza en un papel del gado y se puede ajustar sobre las trayectorias del atlas con suma rapidez. Esta figura revela inmediatamente el radio de curvatura del segmento, la ubicación del punto pivote D y el ángulo de oscilación del eslabón conectador. En la figura 1O-28b se muestra un mecanismo d� detención que emplea una corredera. Se usa una curva del acoplador con un segmento rectilíneo, y el punto pivote 06 se sitúa sobre una extensión de esta recta. La configuración ilustrada en la figura 10-300 tiene una detención en ambos extremos del movimiento. Sin embargo, es un tanto difícil lograr una configu ración práctica de este mecanismo, porque el eslabón 6 tiene una velocidad muy elevada cuando la corredera está cerca del pivote 06• El mecanismo de corredera de la figura 1O-30b usa una curva del acoplador con la forma de un ocho, la cual tiene un segmento rectilíneo para producir un eslabonamiento con detención intermedia. El pivote 06 debe localizarse sobre una extensión del segmento rectilíneo, como se indica. 10-15 MOVIMIENTO ROTATORIO INTERMITENTE La rueda de Ginebra, o cruz de Malta, es un mecanismo parecido al de las levas que suministra un movimiento rotatorio intermitente y se emplea profusamente tanto en maquinaria de baja velocidad como de alta. Aunque originalmente se desarrolló como un tope para evitar dar cuerda en exceso a los relojes, en la ac tualidad se emplea con amplitud en la maquinaria automática, por ejemplo, cuan do se deben marcar distancias determinadas en árboles, torretas o mesas de tra-
- 391. SlNTESIS DE ESLABONAMIENTOS375 Rueda de Ginebra Figura 10-31 Mecanismo de Ginebra. bajo. También se utiliza en proyectores de películas para proporcionar el avance intermitente de las mismas. En la figura 10-31 se muestra un dibujo de un mecanismo de Ginebra de seis ranuras. Nótese que las líneas de los centros de la ranura y la manivela son mu tuamente perpendiculares al encastrarse y al desencastrarse. La manivela, que casi siempre gira con una velocidad angular uniforme, lleva un rodillo que se encaja en las ranuras. Durante una revolución de la manivela, la rueda de Ginebra gira una fracción de una revolución, cantidad que depende del número de ranuras. El seg mento circular que va unido a la manivela realmente evita que la rueda gire cuando el rodillo está desencastrado, y también coloca a la rueda para que se efectúe un encaje correcto del rodillo con la siguiente ranura. El diseño de un mecanismo de Ginebra se inicia especificando el radio de la manivela, el diámetro del rodillo y el número de ranuras. Se requieren por lo menos tres ranuras, pero la mayor parte de los problemas se pueden resolver con ruedas que tienen de cuatro a doce ranuras. En la figura 10-32 se ilustra el pro cedimiento de diseño. El ángulo {3 es la mitad del ángulo subtendido por ranuras adyacentes; es decir {3 = 360 2n (a) en donde n es el número de ranuras en la rueda. En consecuencia, al definir rz como el radio de la manivela. se tiene rz c = -- sen{3 (b)
- 392. 376 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Radio real de la rueda Centro d �rodillo�� R.d� " '. �,� mm�' ---t.íor''') ' °2 0 3 C-�L...o-I Radio teórico de la rueda 1 ) Figura 10-32 Dísefto de una rueda de Ginebra. en donde e es la distancia entre los centros. En la figura 10-32, nótese también que el radio real de la rueda de Ginebra es mayor que el que se obtendría con un ro dillo de diámetro cero. Esto se debe a la diferencia entre el seno y la tangente del ángulo subtendido por el rodillo, medido desde el centro de la rueda. Después de que el rodillo ha entrado en la ranura y está impulsando a la rueda, la geometría es la de la figura 10-33. Aquí, fh es el ángulo de la manivela y 93 el de la rueda. Estos ángulos se relacionan trigonométricamente mediante t 9 sen 92 an 3 = (elr2) - --' CO "- S - () - 2 (e) Se puede determinar la velocidad angular de la rueda para cualquier valor de ()2 ' derivando la ecuación (e) con respecto al tiempo; lo cual da (c!r2) COS 92 1 W - w � � � � � � � - � � 3 - 2 1 + (c 2 Id) - 2(c/r2) COS ()2 Figura 10-33 (10-12)
- 393. SÍNTESIS DE ESLABONAMIENfOS377 La velocidad máxima de la rueda ocurre cuando el ángulo de la manivela es cero. Por consiguiente, cuando se sustituye fh = O da (10-13) La aceleración angular se obtiene derivando la (10-12) con respecto al tiempo. Esta aceleración es 2 (c!rz) sen tM l c2/d) W2 [1 + (clr2)2 2(c/rz) cos 82F La aceleración angular alcanza un máximo cuando (10-14) (10-15) Esto ocurre cuando el rodillo ha avanzado aproximadamente el 300/0 dentro de la ranura. Se han empleado varios métodos para reducir la aceleración con el fin de reducir las fuerzas de inercia y el desgaste consecuente sobre los lados de la ranura. Entre estos se encuentra la idea de usar una ranura curva. Esto reduce la acele ración, pero aumenta la desaceleración y, corno consecuencia, el desgaste sobre el otro lado de la ranura. Otro método utiliza la síntesis de Hrones-Nelson. La idea es colocar el rodillo sobre el eslabón de conexión de un eslabonamiento de cuatro barras. Durante el periodo en el que impulsa a la rueda, la trayectoria del rodillo debe ser curva y tener un valor bajo de la aceleración. En la figura 10-34 se muestra una solución y Trayectoria del rodillo- }/ I I 1 I I I I Figura 10-34 Rueda de Ginebra impulsada por un eslabonamiento de cuatro barras sintetizado por el método de Hrones-Nelson. El eslabón 2 es la manivela impulsadora.
- 394. 378 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 10-35 Mecanismo de Ginebra inverso. se incluye la trayectoria tomada por el rodillo. Esta es la trayectoria que se busca al hojear el libro. El mecanismo inverso de Ginebra de la figura 10-35 permite que la rueda gire en la misma dirección que la manivela y requiere un espacio radial menor. No se muestra el dispositivo de cierre, pero éste puede ser un segmento circular sujeto a la manivela como se mostró antes, que cierra frotándose contra un borde en la periferia de la rueda. PROBLEMAS 10-1 Una función varia de O a 1 0. Encuéntrese el espaciamiento de Chebychev para dos , tres, cuatro, cinco y seis puntos de precisión. 10-2 Determinense las longitudes de los eslabones de un eslabonamiento de corredera y manivela para tener una carrera de 600 mm y una razón de tiempos de 1 .20. 10-3 Determinense un conjunto de longitudes de los eslabones para un eslabonamiento de corredera y manivela tal que la carrera sea de 16 pulg y la razón d e tiempos, 1 .25. 10-4 El oscilador de un eslabonatniento de manivela y oscilador debe tener una longitud de 500 mm y oscilar recorriendo u n ángulo total de 450, con una razón de tiempo de 1 .25. Determínese un conjunto de dimensiones apropiadas para rI. r2 Y rJ. 10-5 Un mecanismo de manivela y oscilador debe tener un oscilador con 6 pies de longitud y un ángulo de oscilación de 750• Si la razón de tiempos debe ser 1 .32, ¿cuáles son un con junto apropiado de lon gitudes de los eslabones para los tres eslabones restantes? 10-6 Diséñese una manivela y un acoplador para impulsar al oscilador 4 de la figura, de tal manera que la corredera 6 tenga un movimiento alternativo en una distancia de 1 6 pulg con una razón de tiempos de 1 .20. Sea a '4 16 puIg Y r5 = 24 pulg. con '4 vertical a la mitad de la carrera. Regístrese la u bi cación de O2 y las d imensiones '2 y '3. 10-7 Diséjíese una manivela y un oscilador para un mecanismo de seis eslabones tal que la corredera de la figura correspondiente al problema 10-6 tenga un movimiento alternativo en una distancia de
- 395. SíNTESIS DE ESLABONAMIENTOS379 Asiento B y - �l -12· ==:J 16" 1-<------20"-------;� J Problema 10-6 Problema 10-9 800 mm con una razón de tiempos de 1 . 1 2. Sea 1 a r4( 1 200 mm y rs = 1 800 mm. Localícese 04 de tal manera que el oscilador 4 quede vertical cuando la corredera se encuentra a la mitad de carrera. Encuéntrense coordenadas apropiadas para O2 y las longitudes para r2 Y rJ. 10-8 Diséñese un mecanismo de manivela y oscilador con un ángulo óptimo de transmisión, una razón de tiempos igual a la unidad y un ángulo del oscilador de 45°, con una longitud de éste de 250 mm. Utilícese la gráfica que aparece en la figura 1 0-6 Y sea 'Yrnln= 50°. Hágase un dibujo del eslabonamiento para encontrar y verificar 'Yrnln 'Yrnáx ,p. 10-9 En la figura se muestran dos posiciones de un asiento plegable de los que se utilizan en los pasillos de los autobuses para dar acomodo a pasajeros adicionales. Diséñese un eslabonamiento de cuatro barras para sostener el asiento de tal modo que se fije con seguridad en la posición de abierto y quede en una posición cerrada estable en el lado del pasillo. 10-10 Diséñese un eslabonamiento de cuatro barras que funcione mediante resortes y sirva para sostener una cubierta pesada como la del cofre de un automóvil. La cubierta debe describir un ángulo de 80°, desde la posición de cerrada hasta la de abierta. Los resortes se montarán de talmodo que la cubierta se mantenga cerrada contra un tope, y también se mantenga en una posición abierta estable sin necesidad de utilizar un tope. 10-11 En la parte (a) de la figura, sinteticese un eslabonamiento para mover a AB de la posición 1 a la posición 2 y de regreso. 10-12 En la parte (h) de la figura, sintetícese un mecanismo para mover a AB sucesivamente por las posiciones 1, 2 y 3. I B1 (2. 7) 10" 5" � B2 A2 (5. 4) A l (2. 2) (al Problemas 10-11 Y 10-12 y A 2 A l (2, 6) � Bl (8. 6) jA3 02, 6) 50· .,-- B2 (9. 2 ) B _ 3__x (b)
- 396. 380 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Problemas 10-13 a 10-22 ". - - - - - ...... / .... / 'V- Curva del / acoplador I I I 1 I I I I I I I " I ...."'-- e Problema 10-33 10-13 a 10-22 t En la figura se presenta un eslabonamiento generador de función en el que el movi miento del oscilador 2 corresponde a x y el movimiento del oscilador 4 a la función y f (x). Úsense cuatro puntos de precisión y el espaciamiento de Chebychev, y sintetícese un eslabonamiento para generar las funciones indicadas en la tabla adjunta. Trácese una curva de la función deseada y otra de la función real que genera el eslabonamiento. Calcúlese el error máximo entre eUos, expresándolo con un porcentaje. Número del problema Función y Intervalo de x 10-13, 10-23 !oglo x l :s x :s 2 10-14, 10-24 sen x O :s x :s 71"/2 10-15, 10-25 tan x O :s x s 71"/4 10-16, 10-26 eX O s x s l 10-17, 10-27 llx I s x s 2 10-18, 10-28 xl.S O s x :s 1 10.19, 10-29 X 2 O s x s l 10-20, 10.30 x2.5 O s x :S l 10-21, 10-31 x3 O :s x :S l 10-22, 10.32 X 2 - 1 S X s 1 10.23 a 10-32 Repítanse los problemas 10-13 a 10-22 utilizando el método de la sobreposición de la figura. 10.33 En la figura se ilustra una curva del acoplador que se puede generarmediante un eslabonamiento de cuatro barras (no ilustrado). El eslabón S se debe fijar al punto del acoplador y el 6 será un miembro giratorio cuya conexión sobre el marco es 06 , En este problema se desea encontrar una curva del acoplador en el atlas de Hrones y Nelson, o bien, por reducción de la posición del punto, de tal manera que, para una distancia apreciable, el punto e describa un arco de un círculo. Luego se da una dimen sión al eslabón S de tal modo que D quede en el centro de curvatura de este arco. El resultado se denomina entonces movimiento de vacilación porque el eslabón 6 vacilará en su rotación durante el periodo en que el punto e describe el arco cirCular aproximado. Hágase un dibujo del eslabonamiento t F. Freudenstein de la Columbia University obtuvo soluciones en una computadora digital para estos problemas: véase ¡bid.
- 397. StNTESIS DE ESLABONAMIENTOS381 completo y trácese el diagrama velocidad-desplazamiento para 360° de desplazamiento del eslabón de entrada. 10-34 Sinteticese un eslabonamiento de cuatr'J barras para obtener una curva del acoplador con un seg mento rectilineo aproximado. Luego, aplicando la sugerencia incluida en la figura 10-28 o la 1O-30b, sintetícese un movimiento de detención. Con una velocidad angular unitaria de la manivela de entrada, trácese la gráfica de la velocidad del oscilador 6 contra el desplazamiento de la manivela de entrada. 10-35 Sinteticese un mecanismo de detención aplicando la idea sugerida en la figura 10-28a y el atlas de Hrones y Nelson. El oscilador 6 debe te:Jer un desplazamiento angular total de 60° . Utilizando este des plazamiento como abscisa, trácese un diagrama de velocidad del movimiento del oscilador para ilustrar el movimiento de detención. - t
- 398. CAPITULO ONCE MECANISMOS ESPACIALES 11-1 INTRODUCCIÓNA LOS ESLABONAMIENTOS ESPACIALES Como se vio en la sección 1-5, la gran mayoría de los mecanismos en uso hoy en día son mecanismos planos; es decir, los movimientos de todos los puntos pro ducen trayectorias que se encuentran en planos paralelos. Aunque este es el caso usual, no es una necesidad, y los mecanismos que tienen trayectorias tridimen sionales, más generales, de los puntos reciben el nombre de mecanismos espaciales. Otra categoría especial abarca los mecanismos esféricos, en los que todos los pun tos quedan sobre superficies esféricas concéntricas. Aunque estas definiciones se presentaron en el capítulo 1, casi todos los ejem plos de los capítulos anteriores se han ocupado de mecanismos planos. Esto se jus tifica debido a su uso tan extendido en situaciones prácticas. Aunque unos cuantos mecanismos no planos, como las articulaciones u'niversales se conocen desde hace varios siglos, no fue sino hasta hace relativamente poco que los especialistas en cinemática se han interesado en desarrollar procedimientos de diseño para otros mecanismos espaciales. Aunque hasta ahora nos hemos concentrado en ejemplos de movimiento plano, un breve repaso mostrará que la mayor parte de la teoría anterior se ha deducido con la generalidad suficiente como para aplicarla al movimiento plano o al espacial. Se han propuesto ejemplos en el plano ya que se pueden visualizar mejor y requieren cálculos menos tediosos que el caso tridimensional. Con todo, la mayor parte de la teoria antes presentada se extiende directamente hacia los mecanismos espaciales. En la sección 1-6 se explicó que se puede obtener la movilidad de una cadena cinemática partiendo del criterio de Kutzbach, La forma tridimensional del criterio
- 399. se dió enla ecuación (1-3), en donde m = movilidad del mecanismo n = número de eslabones MECANISMOS ESPACIALES 383 (11-1) ii = número de articulaciones que tienen i grados de libertad Una de las soluciones de la (11-1) es n = 7, i¡ = 7, Í2 i3 = i4 = is = O • Harris berger denomina a esto un tipo de mecanismo, t en particular, el tipo 711 • Otras combinaciones de los ii producen otros tipos de mecanismos. Por ejemplo, el tipo' 3i¡ + 2h tiene cinco eslabones, en tanto que el tipo 1i¡ + lj3 cuentan sólo con tres éslabones. Cada tipo de mecanismo contiene un número finito de clases de mecanismos; existen tantas clases de mecanismos en cada tipo como maneras hay de combinar diferentes clases de articulaciones. En la 'tabla 1-1 se vio que tres de los seis pares inferiores tienen un grado de libertad. Estos son la revoluta R, el prismático P y el tornillo S. Por ende, si se utilizan 7 de cualesquiera estos pares inferiores se ob tienen 36 clases de mecanismos tipo 7i¡ . En conjunto, Harrisberger lista 435 clases que satisfacen el criterio de Kutzbach. Sin embargo, no todos estos tipos, o clases, es probable que tengan valor práctico. Considérese, por ejemplo, el tipo 7j¡ con todos los pares de revoluta; esto define un eslabonamiento, con siete eslabones y siete articulaciones de revoluta. En el caso de mecanismos que, según el criterio de movilidad. se definen como poseedores de una movilidad de 1, Harrisberger ha seleccionado nueve clases de los tipos que parecen ser útiles; estos se ilustran en la figura 11-1. Todos ellos son eslabonamientos espaciales de cuatro barras que tienen cuatro articulaciones, con elementos de entrada y salida giratorios o deslizantes. Las designaciones en la leyenda, como RGCS en la figura l1-1f, por ejemplo, identifican los tipos de pares cinemáticos (véase la tabla 1-1), principiando con el eslabón de entrada y pasando por el acoplador y el elemento de salida, para retornar al marco. Por ende, para el RGCS, la manivela de entrada gira respecto al marco alrededor de la revoluta R y respecto al acoplador alrededor del par globular G. El acoplador forma un par con el elemento de salida mediante el cilindro C. El movimiento del elemento de salida queda determinado por el par de tornillo S (del inglés screw). Según la tabla 1-1, las libertades de estos pares son R = 1, G = 3, C = 2 Y S = 1. Los eslabonamientos de las figuras 11-1a a c fueron descritos por Harrisberger como mecanismos del tipo 1. Cada uno de ellos está compuesto por un par de un solo grado de libertad y tres pares de libertad doble; de donde, es un mecanismo del tipo li¡ + 3h. Los demás eslabonamientos de la figura 11-1 son del tipo 2, que tienen dos pares de un grado de libertad, un par de libertad doble y un par de libertad triple. Por ende, pertenecen al tipo 2j¡ + lj2 + lh. t L. Harrisberger, "A Number Synthesis Survey of Three·Dimensional Mechanisms", J. Eng. Ind., ASME Trans., series B, vol . 87, no. 2, 1965.
- 400. cr'!lo' (") ..... ..0c:: §" � ::l. -o !lo' O"" '" !lo' Q. ..o � � r:: = ¡; (1) ¡t '" ::! w () lO O g � '" 0.1:: ..... () S Q. g. (I)� g ::! (1) o. . '" (1) "" (Jq � S (1) = O O .... '" S§" (I) (1)-"' <1> .... '" �'8 � !lo' S .... "" O e. W (1) ........ 1'1> e. e.!:1 (1) (1) P '" "" !lo" () "" '" O � r::, S r::, ¡; O = fl S !!...o !lo' () r:: ...., (1) ...., ..... !lo' ..... '" N � (1) O- ..... = O ::r '" o. g¡ !lo' (1) ...., !:1 (1) ::r. P ¡:¡ () O O E.. :5. = � [; o.�o. (1) • O -t::;jl'l> g ('1) O I I = '""' '""' I N � > z """ 00 � O 00 � � � n ;;; � � 00 � (a) (b) / "" G (g) Figura 11-1 Eslabonamientos espaciales de cuatro barras con movilidad de 1: a) RCCC; b) PCCCC; c) SLCCC; d) ROCR; e) ROCP; f) RGCSL: g) PPGC; h) PSLGC; 1) S"SLGC. (Tomado de L. Harrisberger., A Number Synthesís Survey 01 Three-Dimensional Mechanisms, J. Eng. Ind. ser. B, vol. 87, no. 2, mayo, 1965, publicado con autori zación de la ASME y el autor del artfculo.) En esta obra, un par de tornillos se designa mediante el slmbolo S; pero Harrisberger utilizaSL; es probable que el subindice se refiera al avance (en inglés, lead) de un tornillo. W r ;l O � >' 51 � :t c:: .... � Vl -< � tn &? Z Cil � O Vl
- 401. MECANISMOS ESPACIALES 385 Figura11-2 Eslabonamiento esférico de cuatro barras. gitudes de los eslabones, o la orientación de ejes de pares con una sola libertad, es factible introducir libertades no esenciales o restricciones no esenciales. Por lo menos dos de los eslabonamientos espaciales conocidos que violan el criterio de Kutzbach, son mecanismos RRRR de cuatro eslabones. Asi pues, n = 4, jI = 4, Y la ecuación (11-1) da m = -2, de manera que se llega a la conclusión de que hay tres restricciones no esenciales. Uno de estos mecanismos es el eslabo namiento espacial esférico de cuatro barras ilustrado en la figura 11-2. Los ejes de las cuatro revolutas se intersecan en el centro de una esfera, y los eslabones se pueden considerar como arcos de círculo máximo que existen sobre la superficie de la esfera. Entonces sus longitudes se designan como ángulos esféricos. Dando una proporción adecuada a estos ángulos, se pueden diseñar todos los equivalentes es féricos del mecanismo plano de cuatro barras, como por ejemplo, el eslabona miento esférico de manivela y oscilador y el eslabonamiento esférico de arrastre. El eslabonamiento esférico de cuatro barras es fácil de diseñar y fabricar y, por ende, es uno de los mecanismos espaciales más útiles. La muy conocida articulación de Hooke, o Cardan, que es la base de la articulación, o unión universal, constituye un caso especial del mecanismo esférico que tiene manivelas de entrada y salida que subtienden el mismo ángulo en el centro de la esfera. El mecanismo de placa oscilante, que aparece en la figura 11-3, también es un caso especial. El mecanismo RRRR de Bennett que se muestra en la figura 11-4, es pro bablemente uno de los más inútiles de los eslabonamientos espaciales conocidos. En este mecanismo, los eslabones opuestos están torcidos la misma cantidad y tienen también longitudes iguales. Los ángulos de torsión al Y a2 deben estar también en proporción a las longitudes de los eslabones, a l Y a2, según la ecuación senal sen -- = al az (11-2) El mecanismo espacial RGGR de cuatro eslabones de la figura 11-5 es otro eslabonamiento importante y de gran utilidad. Puesto que para n = 4, il = 2, Y
- 402. 386 TEORIA DEMAQUINAS y MECANISMOS Figura 11-3 Mecanismo de placa oscilante; la manivela de entrada 2 gira y el eje de salida 4 oscila, Cuando 1)� 900 el mecanismo se conoce con el nombre de oscilador de deslizamiento esférico. Si r > 8. el eje de salida gira. Figura 11-4 Mecanismo de cuatro eslabones de Bennett. i3 = 2, el criterio de movilidad de la ecuación (11-1) predice que m 2. Aunque, a primera vista ésta podría parecer otra excepción, si se le examina con cuidado se encuentra que en realidad existe el grado adicional de libertad; se trata de la liber-
- 403. MECANISMOS ESPACIALES 387 taddel acoplador para girar alrededor de su propio eje. Ya que esto no afecta la relación cinemática de entrada-salida, se conoce con el nombre de libertad no esen cial. Esta libertad adicional no perjudica si la masa del acoplador se distribuye a lo largo de su eje; de hecho, puede resultar una ventaja porque es fácil de fabricar y la rotación de acoplador alrededor de su eje debe igualar el desgaste en las dos ar ticulaciones de rótula. No obstante, si el centro de masa del acoplador queda fuera del eje, esta libertad adicional no es dinámicamente no esencial y puede causar un comportamiento bastante errático a gran velocidad. Todavía otras excepciones al criterio de movilidad son el mecanismo de cinco barras y cinco revolutas de Goldberg (no de Rube) y el eslabonamiento de seis barras y seis revolutas de Bricard. t Una vez más, es dudoso que estos mecanis mos tengan algún valor práctico. Harrisberger y Soni han tratado de identificar todos los eslabonamientos es paciales que tienen una restricción general. * Han identificado 8 tipos y 212 clases y han descubierto 7 nuevos mecanismos que pueden tener cierta utilidad. 11-3 PROBLEMA DE LA POSICIÓN Al igual que los mecanismos planos, un mecanismo espacial se conecta casi siem pre de tal modo que forme un circuito cerrado. Por consiguiente si se siguen métodos similares a los de la sección 2-6, es factible escribir una ecuación de cierre del circuito que defina las relaciones cinemáticas del mecanismo. Hay un cierto número de formas matemáticas diferentes que se pueden usar, incluyendo vectores, números duales y cuaterniones § al igual que matrices � . Para seguir la misma tónica en toda la obra, se utilizará la notación vectorial. La condición de cierre del circuito para un eslabonamiento espacial como el mecanismo de la figura 11-5, se puede definir por medio de una ecuación vectorial de la forma r+s+t+C O (11-3) Esta expresión se conoce con el nombre de ecuación vectorial del tetraedro, debido a que se puede concebir a cada uno de los vectores como si definiera cuatro de las seis aristas de un tetraedro. La ecuación vectorial del tetraedro es tridimensional y, por ende, se puede resolver para tres incógnitas escalares. Estas pueden existir en cualquier combi- t Si se desean tener ilustraciones de estos, véase la obra de R.S. Hartenberg y J. Denavit, Kinematic Synthesis ofLinkages, McGraw-HilI, New York, 1964, pp. 85-86. :j: L. Harrisberger y A.H. Soni, "A Survey of Three-Dimensional Mechanisms with One General Cons traint", ASME papo 66-MECH-44, October 1966. Esta publicación contiene 45 referencias sobre mecanismos espaciales. § A.T. Yang y F. Freudenstein, "Aplication of Dual-Number and Quaternian Algebra to the Anaiysis of Spatial Mechanisms", J. Appl, Mech., ASME trans., ser. E. vol. 86, pp. 300-308,1964. 11 J.J. Uicker, Jr., J. Denavit y R.S. Hartenberg, HAn Iterative Method for the Displacement Analysis of Spatial Mechanisms", J. Appl. Mech., ASME Trans., ser . E. vol. 87, pp. 309-314, 1965.
- 404. 388 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 11-5 El eslabonamiento RGGR. RAo, I pulg, RBA '" 3.5 pulg, RBo. '" 4 pulg. nación en los vectores r, s y t. El vector e es la suma de todos los vectores co nocidos en el circuito. Si se usan coordenadas esféricas, cada uno de los vectores r, So y t se puede expresar como una magnitud y dos ángulos. Por ejemplo, el vector r se define una vez que se conoce su magnitud r y dos ángulos, Or y ePr' Por tanto, en la (11-3), tres cualesquiera de las nueve cantidades r, O,., eP" s, O., eP.. t, ()h Y ePI pueden ser incógnitas. Cuando estas se resuelvan se obtiene justamente nueve com binaciones de las incógnitas que conducen a soluciones diferentes. Chacet ha re suelto estos nueve casos, reduciendo primero a cada uno de ellos a un polinomio. Chace clasifica las soluciones dependiendo de si las incógnitas se presentan en uno, dos o tres vectores, y tabula las formas de las soluciones como se indica en la tabla ll-l. En esta tabla, los vectores unitarios ro,., ro, y rot son direcciones conocidas de Tabla 11-1 Oasificaci6n de las soluciones para la ecuación vec- torlal del tetraedro Número Cantidades conocidas del Grado del caso Incógnitas Vectoriales Escalares polinomio r, 8"4>, e 1 2a r, 8,., s C�s., c;" 4>, 2 2b r, 8" 8, C,c:d" '-$ 4>" s,4>, 4 2e 8" 4>n s e,s r 2 2d e,., 4>" 8, e,ro, r, s, 4> 2 3a r, s, t e,r,s,t I 3b' r, s, 8, C,i,s,Wr t,4>, 2 3e: r, e" e, C,r,ws,w, s, 4>" t, 4>, 4 3d en 8" 8, C,�nronWt r, 4>" s, 4>" t, 4>, 8 t M. A. Chace, "Vector Analysis of Linkages", J. Eng. Ind., ASME Trans., ser. B, voL 85, no. 3, pp. 289-297, 1963.
- 405. MECANISMOS ESPACIALES 389 losejes a partir de las cuales se miden los ángulos conocidos <l>n <l>s y <l>t. En el caso 1, los vectores s y t son completamente conocidos y al sumarse dan el vector C.En los casos 2a, 2b, 2c Y 2d se conoce el vector t y al sumarse C.Los casos 3a, 3b, 3c y 3d tienen incógnitas en cada uno de los vectores r, s y t. Una ventaja importante de las soluciones de Chace para las ecuaciones vec toriales del tetraedro es que, puesto que proporcionan formas conocidas para las soluciones de los nueve casos, es fácil escribir una familia de nueve subprogramas para hacer una evaluación por computadora o calculadora. Estos seguirían el mis mo procedimiento general que se describió en la sección 5-3 para las ecuaciones equivalentes en el plano. Todos los nueve casos, a excepción del 3d, se han re ducido a soluciones explícitas de forma cerrada para las incógnitas y, por ende, se pueden evaluar con gran rapidez. Sólo el paso 3d, que comprende la solución de un polinomio de octavo orden, se debe resolver mediante técnicas iterativas. Aunque la ecuación vectorial del tetraedro y sus soluciones de los nueve casos se pueden utilizar para resolver la mayor parte de los mecanismos espaciales prác ticos, se recordará, por lo que se dijo en la sección 11-1, que el criterio de Kutz bach predice la existencia hasta de siete articulaciones jI en un mecanismo de un solo circuito, con un grado de libertad. Un caso como el mecanismo 7R, por ejem plo, tendría seis incógnitas a resolver, a partir de la ecuación de cierre del circuito. Esto no es posible a partir de la forma vectorial de la ecuación de cierre del cir cuito, por lo que es necesario utilizar en su lugar cuaterniones duales o matrices. Este tipo de problemas conducen también a polinomios de muy alto orden y re quieren soluciones iterativas para su evaluación final. Cualquiera que intente resol ver este género de ecuaciones por medio de técnicas algebraicas manuales, se per catará inmediatamente de que el análisis de posición, y no el de velocidad o ace leración, es el problema más dificil en la cinemática. 11-4 ANÁLISIS DE POSICIÓN DEL MECANISMO RGGR Resolver los polinomios de la ecuación vectorial del tetraedro de Chace resulta ser equivalente a encontrar las intersecciones de rectas o círculos con diversas super ficies de revolución. Este género de problemas por lo común se puede resolver rápida y fácilmente aplicando métodos gráficos de la geometría descriptiva. El planteamiento gráfico tiene la ventaja adicional de que no se oculta la naturaleza geométrica del problema en una multiplicidad de operaciones matemáticas. Usemos un mecanismo RGGR de cuatro eslabones, de manivela y oscilador, en el que los elementos conocidos son la posición y el plano de rotación del eslabón de entrada, el plano de rotación del eslabón de salida y las dimensiones de los cuatro eslabones. En la figura 11-5 se ilustra este mecanismo. El problema de la posición consiste en encontrar la posición del acoplador y el oscilador, eslabones 3 y 4. Si el eslabón 4 se trata como un vector, entonces la única incógnita es un án gulo, porque se dan la magnitud y el plano de oscilación. Del mismo modo, si el eslabón 3 es un vector, se conoce su magnitud pero existen dos incógnitas que son
- 406. 390 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS las dos direcciones angulares en coordenadas esféricas. Esta situación se identifica como el caso 2d de la tabla 11-1, que exige la resolución de un polinomio de segun do grado y, por ende, produce dos soluciones. Este problema se resuelve empleando solo dos vistas ortográficas, el frente y el perfil. En la figura 11-5, si se imagina que se desconecta el acoplador B y se le per mite ocupar todas las posiciones relativas a A, luego B, debe quedar sobre la superficie de una esfera cuyo centro está en A. Con el acoplador aún desconec tado, el movimiento de B sobre el eslabón 4 es un círculo alrededor de 04, en un plano paralelo al plano yz. Por consiguiente, para resolver este problema sólo se necesita encontrar los dos puntos de intersección de un círculo con una esfera. La solución aparece en la figura 11-6. Los subíndices Fy P denotan proyec ciones en los planos frontal y de perfil, respectivamente. En primer lugar, loca lícese O2, radio 04B = 4 pulg en torno a 04P; ésta es la trayectoria del punto B. Este círcu lo aparece como una recta vertical MP()4FNF en la vista frontal. A continua ción, en la vista frontal, constrúyase el contorno de una esfera con centro en AF y cuyo radio sea la longitud del acoplador AB = 3! pulg. Si se considera que MP()4FNF es la traza de un plano normal al plano frontal, la intersección de este plano con la esfera aparece como el círculo sombreado, de diámetro MpNp sobre la vista de perfil. El arco de radio 04B se interseca con el círculo en dos puntos, dando dos soluciones. Uno de estos puntos se elige para Bp y se proyecta nue- I Radio �� 4' / 4 l�__ . __ � Figura 11·6 Análisis gráfico de posición del mecanismo RGGR.
- 407. MECANISMOS ESPACIALES 391 vamentesobre la vista frontal para localizar Bp• Ahora se trazan los eslabones 3 y 4, en este caso mediante líneas a trazos, en las vistas frontal y de perfil. Mediante la simple medición de las proyecciones x, y y z de la solución gráfica, se pueden escribir las expresiones vectoriales de cada eslabón: fl 3i -2k r2 0.707i 0.707j f3 2.301 + 1.95j + 1.77k r4 = 1.22j+ 3.81k (11-4) en donde rh r2. r3 y r4 están dirigidos de O2 a 04, de O2 a A, de A a B y de 04 a B, respectivamente. Las componentes antes mencionadas se obtuvieron de una solución de tamaño natural, por supuesto, se obtendria una mayor exactitud, haciendo los dibujos a 2 ó 4 veces su tamaño real. El mecanismo esférico de cuatro eslabones y cuatro revolutas ilustrado en la figura 11-2 es el caso 2d de la ecuación vectorial del tetraedro, y se puede resolver en la misma forma, cuando se da la posición del eslabón de entrada. 11-5 ANÁLISIS DE LA VELOCIDAD Y LA ACELERACIÓN DEL ESLABONAMIENTO RGGR Una vez que se han encontrado las posiciones de todos los elementos de un me canismo espacial, se pueden determinar las velocidades y aceleraciones aplicando los métodos de los capítulos 3 y 4. Al analizar los mecanismo planos, las veloci dades y aceleraciones angulares fueron siempre perpendiculares al plano del movimiento y, por ende, contaban sólo con una componente vectorial diferente de cero. En el análisis de los eslabonamientos espaciales, estos términos pueden tener tres componentes, pues sus ejes pueden ser oblicuos en el espacio. Por lo demás, los métodos de análisis son los mismos; y el siguiente ejemplo servirá para ilustrar estas diferencias. Ejemplo 11-1 La velocidad angular del eslabón 2 del eslabonamiento RGGR de cuatro barras que aparece en la figura 11-7 es � 40k rad/s. Encuéntrese la velocidad y aceleración angulares de los eslabones 3 y 4, así como la velocidad y aceleración del punto B. SOLUCIÓN Si se aplica la geometría descriptiva para resolver el problema de posición, como se explicó en la sección 11-4, se obtiene el dibujo de tres vistas del eslabonamiento, ilustrado en la figura ll-8. Ahora se sustituyen 02A, AB Y O,B con los vectores f2, r, y f•• respectivamente. Los componentes se pueden leer directamente en la figura 11-8: f; =101+2.711+ IO.S9k r. 6.171+7.89k Por las restricciones impuestas, se ve que las velocidades y aceleraciones angulares se pueden es cribir como «)1 = 40k rol = wti + wd + wk 004 =wJ <x!=O <x;=aji+a:j+ajk íl4=aJ
- 408. 392 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 11-7 RAo, = 4 pulg., RBA = 15 pulg., RBo" = lOpulg. En primer lugar, se encuentra VA como la diferencia de velocidad respecto al punto O2• Por con siguiente, , I J Plano xz (vista superior) Plano xy (vista frontal) Figura 11-8 Ejemplo 1-1: análisis de posición. 11.531 + 6.67j z I °4P t"'····-- 7.89·--....¡..� 1 Plano yz (vista de perfil) (l)
- 409. MECANISMOS ESPACIALES 393 Delmismo modo, hl�� ¿; 10 2.71 =(O.908w; 0.226wÜI +(0.833w� O.908wDj +(0.226w3 -O.833wDk Y, por último, j O 6.17 �¡= -O.658w4J +0.514w; 7.89 (2) (3) El siguiente paso consiste en sustituir las ecuaciones (1) a (3) en la ecuación de diferencia de velocidad (4) Cuando se hace esto, se pueden reparar las componentes i, j y k para obtener tres ecuaciones al gebraicas O.908w; -O.226wí =11.53 -O.908w� +O.833wj +0.658w4 =-6.67 0.226w{ -O.833w�-0.514w4 O (5) (6) (7) Sin embargo, se observa que hay cuatro incógnitas, w�, w�. wl y W4' Esto no ocurriría nor malmente en la mayor parte de los problemas, pero aquí sucede debido a la libertad no esencial del acoplador para girar en tomo a su propio eje. Puesto que este giro no afectará la relación de entrada-salida, se obtendría el mismo resultado para W4, fuera cual fuere esta rotación. Por con siguiente, se puede hacer igual a cero una de las componentes de WJ y proseguir. Otro método consiste en hacer que la velocidad del acoplador alrededor de su eje sea cero, requiriendo que 0)3' rJ O 0.833w� +O.226w� +O.908wj =0 (8) Ahora se pueden resolver simultáneamente las ecuaciones (5) a (8), para las cuatro incógnitas. El resultado es 0)3 = l.72i +13.6} +3.7okrad/s Resp. 0)4 -25.51 rad/s Resp. Sustituyendo en la (3), se obtiene VB 16.8j 13.1k pie/s Resp. Pasando a continuación al análisis de aceleración, se calculan las siguientes componentes: A�o,=a2)(r=0 A�A 6)3)( (6)3 )( rJ) = 0)3 X VBA (9) (lO)
- 410. 394 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS k I 3.70 13.07 A�A =a3 xr3 Ii j k I 1- .I Y Z 12 aJ al al 10 2.71 10.89 -2151 58)-234k = (0.908a;-0.226anl+(0.8330:]-0.9080:)) +(0.2260:3-0.8330:;)k 1-; 0 � 16.8 B.I � -0.658a.1+0.514a"" 7.89 Estas cantidades se sustituyen en la ecuación de diferencia de aceleración (11) (12) (l3) (14) (15) y, junto con la condición al • f3 O para el giro de la libertad no esencial, los resultado se pueden obtener exactamente igual que antes: a, -5691+623j+368k rad/s2 Resp. a. =-9371rad/52 Ans. AB =AlIo.+A�o, 304j 88lk pie/s Resp. La determinación de las velocidades y las aceleraciones de un mecanismo es pacial por medios gráficos, se conduce en la misma forma que para un mecanismo de movimiento plano. Sin embargo, los vectores velocidad y aceleración que aparecen en las vistas estándar de frente, superior y de perfil, por lo general no se contemplan en su longitud verdadera, es decir, se escorzan. Esto significa que el úl timo paso de la construcción del polígono vectorial se debe completar en una vista auxiliar en la que el vector incógnita aparezca en su longitud verdadera. Las direcciones de los vectores dependen de las direcciones de los elementos del mecanismo; por esta razón, es necesario proyectar también uno de los esla bones del mecanismo en la vista o vistas auxiliares. Asimismo, por esta razón, se decide conectar los polos de los polígonos vectoriales a un punto sobre uno de los eslabones, de tal modo que la relación entre los vectores y uno de los eslabones sea evidente en todas las vistas. Una vez que se obtienen el vector o vectores desconocidos en las vistas auxiliares, se pueden proyectar de regreso al sistema ortogonal estándar de tres vis tas y se miden directamente las longitudes de las proyecciones x, y y z. El proce dimiento quedará mejor ilustrado con un ejemplo.
- 411. MECANISMOS ESPACIALES 395 I!demplo11-2 Constrúyanse los pollgonos de velocidades y aceleraciones para la solución gráfica del ejemplo 11-1. SOLUCIÓN La solución de las velocidades aparece en la figura 11-9, y la notación corresponde a la que se utiliza en muchos libros de geometría descriptiva. Las letras F, Ty P designan los planos frontal, superior y de perfil, y los números 1 y 2 el primero y segundo planos auxiliares de proyección. Los puntos proyectados sobre estos planos llevan los subíndices F, T, P, etc. Los pasos para obtener la solución de velocidades son como siguen: 1. Constrúyanse las vistas frontal, de perfil y superior del eslabonamiento y desígnese cada punto. 2. Calcúlese VA Y colóquese este vector en posición, con el origen en A sobre las tres vistas. La velocidad de A se muestra en su longitud verdadera en la vista frontal. Desígnese el extremo de VA como aF, Y proyéctese hacia las vistas superior y de perfil. 3. La velocidad de B es desconocida, pero no su dirección. La dirección es perpendicular al eslabón 4 y con el sentido en el que gira éste. Cuando el problema se resuelve, VlJ se verá en su longitud verdadera en la vista de perfil. Trácese una recta en la vista de perfil que corresponda con la dirección conocida de VB' Localícese cualquier punto dp de esta recta y proyéctese hacia las vistas frontal y superior. 4. La ecuación que se debe resolver es (16) en donde se conocen tanto VA como las direcciones de V8 Y VBA. Nótese que VEA es perpen dicular al eslabón 3; pero se desconoce su magnitud. En el espacio, las rectas perpendiculares al eslabón 3, se asemejan a los rayos de una rueda, y el eslabón 3 es el eje de rotación de esa rueda. Por consiguiente, existe un número infinito de rectas perpendiculares al eslabón 3; pero sólo se tiene interés en una de ellas. La recta que se necesita debe originarse en el extremo de VA Y terminar intersecándose con la recta Ad o su extensión. Para elegir esta recta entre el número infinito de aquéllas de que se dispone, es necesario examinar a AB en la dirección en la que aparece como un punto. Por consiguiente, en este paso, se debe proyectar AB sobre un plano que la muestre en su longitud verdadera; por tanto, constrúyase la vista lateral del plano I paralela a ATBT, y proyéctese AB sobre este plano. Al hacer esta proyección, nótese que las distancias k y 1 en la vista frontal son las mismas en esta primera vista auxiliar. La vista au xiliar de AB es A,B, que es su longitud verdadera. Proyéctense también los puntos a y d hacia esta vista, pero no es necesario proyectar el resto de los eslabones. 5. En este paso, elíjase un segundo plano auxiliar 2, tal que la proyección de AB sobre él sea un punto. Luego, todas las rectas trazadas paralelamente al plano serán perpendiculares al eslabón 3. La vista lateral de un plano de esta índole es perpendicular a A,B"extendida. En este ejemplo es conveniente elegir este plano de modo que contenga al punto a; por tanto, cons trúyase la vista lateral del plano 2 pasando por el punto a" perpendicular a A,B, extendida. Ahora proyéctense los puntos A, B, a y d sobre este plano. Nótese que las distancias, por ejemplo m, de los puntos respecto al plano 1, deben ser las mismas respecto al plano 2. 6. Prolónguese la recta A,d, hasta que se interseque con la vista lateral del plano 2 en b" y en cuéntrese la proyección b, de este punto en el plano 2. Ahora, tanto a como b quedan en el plano 2; cualquier recta trazada en el plano 2 es perpendicular al eslabón 3. Por ende, la recta ab es VHA Y la vista de la misma en el segundo plano auxiliar es su longitud verdadera. La rec ta AlBes la proyección de VH sobre el segundo plano auxiliar, pero no con su longitud ver dadera porque A no está en el plano 2. 7. (Para simplificar la lectura del dibujo, se omitió ilustrar el paso 7; si se siguen con sumo cuidado los seis primeros pasos no se tendrá ninguna dificultad con el séptimo.) Proyéctense los tres vectores de regreso hacia las vistas frontal, superior y de perfil. Entonces se puede medir VB a partir de su vista de perfil porque ahí aparece en su longitud verdadera. Cuando se hayan proyectado todos los vectores de regreso a estas tres vistas, las proyecciones de x, y y Z se pueden medir directamente.
- 412. 396 TEoRÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS La solución para el problema de las aceleraciones se obtiene en forma idéntica, utilizando los mismos dos planos auxiliares. La ecuación que se debe resolver es (17) en donde se conocen los vectores Al1, A:4. A� Y Al1A o se pueden hallar una vez que se completa el poligono de velocidades. Asimismo, al comparar la ecuación (17) con la (16), es evidente que A� Y A�A tienen las mismas direcciones que VB Y VHA. respectivamente. En consecuencia, la solución puede desarrollarse exactamente igual que para el polígono de velocidades. La única diferencia en el procedimiento es que hay más vectores conocidos. , , , I I , I I 1 1 , 4 / / / / / / >�/.B¡ //x ':// ······r : ------------'--i -+-------- ..........---�... - ----- , I , FP Figura 11-9 Ejemplo 1 1-2: análisis de velocidad.
- 413. MECANISMOS ESPACIALES 397 11-6ÁNGULOS EULERlANOS En la sección 3-2 se explicó que la velocidad angular es una cantidad vectorial: de donde, al igual que todos los vectores, se puede resolver en sus componentes rec tangulares (a) Por desgracia, también se vio en la figura 3-2 que los desplazamientos angulares tridimensionales no se comportan como vectores. Por consiguiente, no es factible encontrar un conjunto de tres ángulos que especifiquen la orientación de un cuerpo rígido y que tengan también como sus derivadas respecto al tiempo a ú/, w Y , y w Z • Para aclarar más aún el problema, se concibe un cuerpo rígido que gira en el espacio en torno a un punto fijo O en el origen de un sistema de referencia ab soluto xyz. Entonces se define un sistema de referencia móvil x'y'z', de tal modo que esté fijo al cuerpo que gira. Los ejes del sistema x'y'z' se denominan ejes fijos al cuerpo. Se podría definir la orientación de x'y'z' empleando los cosenos direc tores; pero se requerirían nueve de ellos y estarían relacionados por medio de seis relaciones de ortogonalidad. Se pueden usar tres ángulos, llamados ángulos eulerianos, para especificar la orientación de los ejes fijos al cuerpo. Para ilustrar los ángulos eulerianos, se prin cipia haciendo coincidir los ejes fijos al cuerpo con los ejes de referencia absolutos. Entonces se especifican tres rotaciones sucesivas, que deben ocurrir en el orden especificado, para llegar a la orientación x'y'z' . t Una descripción pictórica tri dimensional de esas rotaciones es muy poco satisfactoria; como consecuencia, se utilizarán las tres vistas ortográficas de la figura 11-10. Esas vistas están dispuestas de tal modo que los ejes se encuentran en el plano del papel o están dirigidas positivamente hacia afuera del mismo. La primera rotación es describiendo el ángulo 4>, alrededor del eje z Y en la dirección positiva, como se ilustra en la vista a. Esta rotación proporciona el sis tema Xly¡ZI • Por tanto, x gira describiendo 4> hasta X¡, y hasta YI y Z y ZI coin ciden. Se concibe un vector velocidad angular cf, coincidente con z y Z¡. El siguiente paso consiste en construir la vista b, realizando una proyecciórt ortográfica a lo largo del eje YI positivo. La segunda rotación se realiza describien do el ángulo () en torno al eje YI y en la dirección positiva, como se muestra. Esta rotación da lugar al sistema X2Y2Z2, en donde ZI gira describiendo el ángulo (J has ta Z2, Y XI hasta X2. Nótese que .VI y yz son coincidentes y que se puede concebir otro vector velocidad angular ti dirigido a lo largo del eje positivo Y2. Nótese tam bién que el vector cP se ha resuelto en sus componentes a lo largo de los ejes X2 Y Z2. t Los autores no se han puesto completamente de acuerdo en cómo se deben definir estos ángulos. Aquí se empleará la definición dada por H. Yeh y J. 1. Abrams, Principies 01Mechanics 01 Solids and Fluids, vol. 1, McGraw-Hill, New York, 1960, pp. 131-133, y por J. L. Synge y B. A. Griffith, Prin cipies 01 Mechanics, 3a oo., McGraw-HilI, New York, 1959, pp. 259-261. En otros libros de referencia se encontrará una gran variedad de otras definiciones, que difieren en los ejes en torno a los cuales se miden las rotaciones sucesivas.
- 414. 398 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS .; o e .� ... "3 ... '" o "3 Oil e -ti! '" ..sa tU e ... e ¡;:: ... "O ... => o- '" 0$ .� ... <ti ro � 1i) :> i'J e o .� o ... '" Q) !:: .! ... "O B ¡;:: -ti! ... 2 ... o '" 0$ 1;; ;.;;: <::> ... . ,... ... os .. = l:>Il ¡¡:; El último paso se comienza proyectando ortográficamente a lo largo del eje positivo Z2 de la vista b para obtener la vista c. Esto hace que el vector é aparezca sobre el eje positivo Y2 y que el eje Z2 quede dirigido positivamente hacia afuera de la figura. La tercera rotación se hace describiendo el ángulo 1/1 en torno al eje Z2. Esto da lugar a la orientación deseada y a los ejes x'y'z'. Entonces se resuelven las
- 415. MECANISMOS ESPACIALES 399 velocidadesangulares una vez más en sus componentes a lo largo de los ejes X/y'Z'. Si se utilizan las vistas b y e, los componentes se pueden sumar para dar wx' == Ó sen r/J <Í> sen () cos r/J w w y' z' (j cos 1/1 + <Í> sen() sen r/J J¡ + <Í> cos () 11-7 UN TEOREMA SOBRE VELOCIDADES Y ACELERACIONES ANGULARES (11-5) (11-6) (11-7) En la figura 11-11 se tiene un dibujo esquemático del mecanismo espacial de siete eslabones y siete revolutas. Las orientaciones de los siete ejes de los pares de re voluta están representados esquemáticamente por medio de los vectores unitarios de velocidad aparente b>¡¡, que están dirigidos a lo largo de los ejes de los pares. Se supone que no hay relaciones geométricas especiales y que, por ende, el eslabo namiento tiene una movilidad de 1. Para desarrollar el teorema acerca de las velocidades angulares, se observa que (a) que es la ecuación de velocidad angular aparente (3-11). t Conviene volver a es cribir la ecuación (a) como (b) t Para encontrar una demostración rigurosa, véase la obra de L. A. Pars, A Treatise on Analytical Dy· namics, Heinemann, London, 1965, p, 102. Figura 11-11
- 416. 400 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 11-12 y luego, procediendo de manera similar alrededor del circuito, se tiene Ú)31 Ú)41 +Ú)43 = O (c) Ú)41 Ú)51 +Ú)54 == O (d) Ú)SI - W61 +W65 O (e) W61 - ""1 +""6 = O (f) ""1- WlI +WI7 = O (g) Si se observa que WII = O, por definición, y se suman las ecuaciones (b) a (g), se obtiene (h) la cual afirma que la suma de las velocidades angulares relativas alrededor de un circuito cerrado en un sistema de un solo grado de libertad, es cero. Expresado matemáticamente, este teorema se escribe �W- 1-=0 "'- ¡+.1 n + l = 1 (11-8) i"",} Este teorema de la velocidad angular relativa es particularmente útil para eslabonamientos espaciales que tienen pares con dos y tres libertades; véase por ejemplo el problema 11-15. Sin embargo, debe tenerse especial cuidado de eliminar toda libertad no esencial antes de aplicar la (11-8). En la figura 11-12 se ilustra el método para el eslabonamiento RGGR. Obsér vese que el diagrama muestra los ejes múltiples de rotación de las articulaciones globulares como libertades separadas y que se eliminó la libertad no esencial. Las direcciones de W32, W43> y W54, correspondientes a los ejes de rotación del primer par globular, no necesariamente deben ser ortogonales; de hecho, se pueden asig nar cualesquiera direcciones convenientes, siempre y cuando sean independientes.
- 417. MECANISMOS ESPACIALES 401 y Figura11-13 Articulación o junta universal de Rooke, o Cardan. El teorema de la aceleración angular relativa se puede desarrollar de la misma manera. Este teorema se escribe Puesto que n � a;+I.; = O ;=1 n + l = 1 d( A ) A : dt ww =aw+ww (11-9) la dirección de a no es necesariamente la misma que la de w. Por consiguiente, debe tenerse cuidado al aplicar la ecuación (11-9). 11-8 ARTICULACIÓN UNIVERSAL DE HOOKE En la figura 11-13 se ilustra la conocida articulación o unión de Hooke, o Cardan. Esta se compone de dos yugos, que son los elementos impulsor e impulsado, y una cruz, que es el eslabón de conexión. Una de las desventajas de esta articulación es que la razón de velocidades no es constante durante la rotación. En la figura 11-14 se presenta un diagrama polar de velocidades angulares que muestra la velocidad angular tanto del impulsor como del elemento impulsado para una revolución completa de la articulación. Puesto que se supone que el elemento impulsor tiene una velocidad angular constante, su diagrama polar es un círculo. No obstante, el diagrama para el elemento impulsado es una elipse que cruza al círculo en cuatro sitios. Esto significa que hay cuatro instantes durante una sola rotación en los que las velocidades angulares de los dos ejes son iguales. Durante el tiempo restante, el
- 418. 402 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 40· /' 50· lO· w2(impulsor) Figura 11-14 eje impulsado gira más rápido durante parte del tiempo y con mayor lentitud en otro lapso. Se puede considerar al eje impulsor de un automóvil como si tuviera una carga de inercia en cada extremo -el volante y el motor que giran a velocidad constante en uno de los extremos y, en el otro, el peso del automóvil que se desplaza a gran velocidad-o Si en un automóvil se empleara una sola articulación universal que trabajara formando un ángulo finito, la velocidad del motor, O bien, la del au tomóvil tendrian que variar durante cada revolución del eje impulsor. Ambas iner cias se oponen a esto, de modo que el efecto sería que las llantas resbalarían y las piezas que componen la línea de transmisión de potencia estarían sometidas a grandes esfuerzos. En la figura 11-15 se presentan dos configuraciones de arti culaciones universales que ofrecen una razón uniforme de velocidades entre los ex tremos de entrada y de salida. �*"-t______ --1�{imp"""'OI w(impulsado) Figura 11-15
- 419. MECANISMOS ESPACIALES 403 2 Figura11·16 Análisis En la figura 11-16, el eje impulsor 2 se conecta con el eje impulsado 4 por medio de la cruz de conexión 3. Las líneas de los centros de los ejes se intersecan en O, produciendo el ángulo entre los ejes (3. Los extremos de la cruceta se conec tan al yugo impulsor en los puntos A y B, Y al yugo impulsado en e y D. Durante el movimiento, la recta AB describe un círculo en un plano vertical perpendi cular al dibujo, y la recta eD, otro círculo en un plano que forma un ángulo {3 con el plano vertical. Estos dos círculos son círculos máximos de la misma esfera, cuyo centro es O. Los puntos A y e permanecen siempre con la misma separación, es decir, a 90° de arco del círculo máximo. La desviación máxima en la razón de velocidades angulares ocurre cuando cualquiera de los puntos A o e se encuentran en la intersección de los círculos máximos. En la figura 11-17 se ilustran nuevamente los dos círculos máximos en los que A y e se desplazan. Estos círculos se intersecan en D y se muestran separados por el ángulo entre los ejes {l Supóngase que el punto A recorre una distancia fJ a partir del punto de intersección. Entonces el punto e quedará localizado sobre el arco de círculo máximo Ae, 90° detrás de A. A continuación localícese C' 90° , adelante de e, sobre el círculo máximo que recorre C. Los triángulos AC'D yAC' C son triángulos esféricos. Los dos arcos AC y CC son de 90° y, por ende, los dos ángulos C ' AC t Los lados y ángulos de un triángulo esférico pueden tener cualquier valor desde O hasta 3600• Si una o más de las partes es mayor que 1800• entonces recibe el nombre de triángulo esférico general. Un triángulo en el que cada parte es menor que 1800 se conoce como triángulo esférico. El triángulo rec tángulo esférico se define como aquél que tiene un ángulo recto. Las otras partes pueden poseer cual quier valor de O a 1800•
- 420. 404 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 11-17 triángulo esférico rectángulo AC'D en el que el ángulo Ae'D es un ángulo recto, e'DA es el ángulo entre los ejes {J, el arco AD es el ángulo que describe el eje al girar y el arco e'D, designado como q" es el arco que describe el eje impulsado al girar. Según la fórmula del triángulo rectángulo tomada de la trigonometría es férica. cos {J tan q, cot e (11-10) Para obtener la relación entre las velocidades angulares, la ecuación se reordená como Al derivar se obtiene tgn q, cos {J tan e (a) (b) Puesto que q, = W4, la velocidad angular del impulsado, y Ó = W2, la velocidad an gular del impulsor, la razón entre ambas es sec2 8 _ cos {J sec2 () --'--.--- - 1 + tan2 q, (e)
- 421. o!< 24 ,,- .¡g 20 "g a;16 > {l 12 .§ 'C:; 8 '" % ::J 4 ¡¡: , ! I I - 4 I I : I I I I I I I V i I ./ I , I /' : 1 I /" i I : V : J--r t-j I I 8 12 16 20 Ángulo entre los ejes, grados i MECANISMOS ESPACIALES 405 '/ /f /�+- i i I I 24 -+- Figura 11-18 Relación entre el án gulo de los ejes y la fluctuación 28 de la velocidad, en una articu- lación universal de Hooke. Es conveniente eliminar <p; al sustituir la (a) en la (e) da W4 cos f3 W2 = 1 - sen2 () serr f3 (11-11) Si se supone que el ángulo entre los ejes f3 es una constante, el valor máximo de la (11-11) ocurre cuando sen () = 1, es decir, cuando () = 90°,270°, etc. El de nominador alcanza su valor máximo cuando sen () = O, Y esta condición da la razón mínima de las velocidades. Si la diferencia entre las razones máxima y mínima de la ecuación (11-11) se expresa en porcentajes y se representa gráficamente en función del ángulo entre los ejes, se obtiene una curva muy útil para evaluar las articulaciones universales. En la figura 11-18 se obtuvo de esta manera para ángulos entre los ejes con valores hasta de 28°. PROBLEMAS 11-1 Deterrninese la movilidad de la cadena GGC ilustrada en la figura siguiente. Identifíquese toda libertad no esencial y dígase cómo se pueden eliminar. ¿Cuál es la naturaleza de la trayectoria descrita por el punto B? 11-2 Con el eslabonamiento del problema 11-1, siendo RBA = Ro,o = 75 mm, RBo, = 150 mm, y 82 = 30°, exprésese la posición de cada eslabón en forma vectorial. 11-3 Utilizando VA = - 50j mm/s, encuéntrense las velocidades angulares de los eslabones 2 y 3, y la velocidad del punto B del mecanismo correspondiente al problema 11-2. Aplíquese el análisis vectorial. 11-4 Resuélvanse los problemas 11-2 y 11-3 por medio de técnicas gráficas. 11-5 El eslabonamiento esférico 4R ilustrado en la figura tiene las siguientes dimensiones: RAo;¡ = 3 pulg, Ro,o = 7 pulg, Ro..o = 2 pulg Y RBo.= 9 pulg. El eslabón 2 se muestra en el plano xz y el eslabón 4 en el plano xy. Para una mejor representación, la figura no está trazada a escala. Exprésese la posición del eslabón 3 en notación vectorial. Siendo (1)2 = - 60k rad/s úsese álgebra vectorial para realizar un análisis completo de velocidad y aceleración del eslabonamiento en la posición indicada. 11-6 Resuélvase el problema 11-5 por medios gráficos.
- 422. 406 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS / y / Problemas 11-1 Y 11-5 11-7 Determínese la razón del tiempo de avance al de retorno para el problema 11·5. ¿Cuál es el ángulo total de oscilación del eslabón 4? 11-8 Repítase el problema 11-5 excepto con 82 = 90°. 11-9 El eslabonamiento esférico de cuatro barras ilustrado tiene R.<.D, =75 mm, Rozo = 150 mm, Ro.o =225 mm, RB.<. '" 412 mm, y RBo. = 262 mm. La posición que se presenta corresponde a 82 = 120°. Determínese si la manivela 2 tiene libertad de girar y describir una vuelta completa. De ser así, hállese el ángulo de oscilación del eslabón 4 y la razón del tiempo avance al de retorno. 11-10 Con (d2 = 36k rad/s, aplíquese el análisis vectorial para hacer un análisis completo de velocidad y aceleración del mecanismo del problema 11-9. y Problema 11-9
- 423. MECANISMOS ESPACIALES 407 11-11Resuélvase el problema 1 1-10 aplicando métodos gráficos. 11-12 En la figura se muestran las vistas superior, frontal y auxiliar de un eslabonamiento espacial de corredera y manivela, con dos articulaciones esféricas. Las dimensiones son R,w = 2 pulg y R8A = 6 pulg. En la construcción de muchos mecanismos se toman medidas para hacer variar el ángulo {J. Por consiguiente, la carrera de la corredera 4 se puede ajustar desde cero, cuando {J = O, al doble de la lon gitud de la manivela, cuando {J = 90". En este ejemplo, {J 30·, 92 240° Y tu2 = 24 rad/s. Exprésense los eslabones en forma vectorial y apUquese álgebra vectorial para efectuar un análisis completo de velocidad del eslabonamiento. ----���---- - ---- x 11-13 Resuélvase el problema 11-12 por medios gráficos. 11-14 Resuélvase el problema 1 1-12con {J = 60". Problema 11-12 11-15 En esta figura se presentan las vistas frontal, superior y de perfil de un eslabonamiento RGRe de manivela y corredera oscilante. El eslabón 4, la corredera oscilante, va rígidamente unida a una varilla redonda que gira y se desliza en los dos cojinetes. Las dimensiones son RAQ, 4 pulg y Re" 12 pulg.
- 424. 408 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS y 4 - · --+----x !OF I Problema 11-15 a) Apliquese el criterio de Kutzbach para encontrar la mobilidad del eslabonamiento. b) Con la manivela 2 como impulsor, hállese el recorrido angular y lineal totales del eslabón 4. c) Con (J2 40° , escribase la ecuación de cierre del circuito para el mecanismo y úsese álgebra vectorial para resolverlo para todos los datos de posición desconocidos. 11-16 Con W2 -481rad/s para el problema 11-15, hállense VB, W3. Y W4'
- 425. CAPÍTULO IXlCE FUERZAS ESTÁTICAS Ahora yase puede iniciar un estudio de la dinámica de las máquinas y los sistemas. Este estudio se simplifica principiando con la estática de dichos sistemas. En los estudios que se hicieron sobre el análisis cinemático. la atención sólo se enfocó a la geometria de los movimientos y a las relaciones entre el desplazamiento y el tiem po Se pasó completamente por alto las fuerzas que producían el movimiento, o los movimientos que resultarían de la aplicación de un sistema de fuerzas dado. La consideración de un problema en el diseño de una máquina, en el que sólo intervengan la longitud y el tiempo, es una simplificación tremenda. Libera a la mente de la influencia complicadora de muchos otros factores que, al final, inter vienen en el problema. y permite que se enfoque la atención en el problema fun damental, es decir, el de diseñar un mecanismo para obtener un movimiento de seado. Las unidades fundamentales en el análisis cinemático son longitud y tiempo y, en el análisis dinámico, son longitud, tiempo yfuerza. Las fuerzas se transmiten hacia los elementos de las máquinas a través de superficies pareadas; por ejemplo, de un engrane hacia un eje, o de un engrane, a través de los dientes endentados, hacia otro engrane; de una biela, a través de un cojinete, hacia una palanca; de una banda en V hacia una polea; de una leva hacia un seguidor, o de un tambor de freno hacia la zapata del freno. Existe una diver sidad de razones por las que es necesario conocer las magnitudes de estas fuerzas. La distribución de las mismas en las fronteras, o superficies de contacto, debe ser razonable, y su intensidad debe estar dentro de los límites de trabajo de los materiales que componen las superficies. Por ejemplo, si la fuerza que opera sobre un cojinett: de manguito es demasiado grande, expulsará la película de aceite y hará que se establezca un contacto metal contra metal, sobrevenga un calentamien to y se produzca una falla rápida del cojinete. Si las fuerzas entre los dientes de los engranes son demasiado grandes, la película de aceite puede ser expulsada de entre ellos. Esto provocaría que el metal se descascare y astille, ruido, movimiento brus co y la falla final. En el estudio de la dinámica que se va a desarrollar, el interés se
- 426. 410 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS centrará principalmente en la detenninación de la magnitud, la dirección y la localización de las fuerzas; pero se dejará a un lado la determinación de las dimen siones de los elementos sobre los que actúan.xí r 12-1INTRODUCC ION A continuación se definen algunos de los términos nuevos que se aplican en esta fase del estudio. Fuerza Las primeras ideas referentes a las fuerzas surgieron en el hombre debido a su deseo de empujar o levantar varios objetos o tirar de ellos. Así, pues, la fuerza es la acción de un cuerpo que actúa sobre otro. El concepto intuitivo de fuerza in cluye ideas como lugar de aplicación, dirección y magnitud, que se conocen como las caracterfsticas de unafuerza. Materia Materia es cualquier material o sustancia; si está totalmente encerrada, se denomina cuerpo. Masa Newton definió la masa como la cantidad de materia de un cuerpo según la miden su volumen y densidad. Esto no es una defmición muy satisfactoria porque densidad es la masa de una unidad de volumen. Se puede excusar a Newton con jeturando que tal vez no quiso dar a entender que se trataba de una definición. No obstante, reconoció el hecho de que todos los cuerpos poseen cierta propiedad inherente que no es lo mismo que el peso. Por consiguiente, una roca lunar posee cierta cantidad constante de sustancia, incluso a pesar de que su peso en la luna sea diferente de su peso en la Tierra. Esta cantidad constante de sustancia, o can tidad de materia, recibe el nombre de masa de la roca. Inercia Inercia es la propiedad de la masa que hace que se resista a cualquier es fuerzo por cambiar su movimiento. Peso Peso es la fuerza de gravedad que actúa sobre una masa. Conviene tener en cuenta la siguiente cita: La gran ventaja de las unidades SI es que se tiene una, y solo una, unidad para cada cantidad flsica: el metro para la longitud, el kilogramo para la masa, el newton para la fuerza, el segundo para el tiempo, etc. Para ser coherente con esta caracteristica única, se deduce que una unidad o palabra dada no se debe emplear como nombre técnico aceptado para dos cantidades flsicas. Sin embargo, durante generaciones se ha usado el término "peso", tanto en campos técnicos como no técnicos, para designar tanto a la fuerza de gravedad que actúa sobre un cuerpo, como la masa del cuerpo mismo. La razón de ¡este uso doble del término "peso" para dos cantidades flsicas t La determinación de las dimensiones de los elementos de máquinas es el tema de obras que ge neralmente lleva el título de diseño de máquinas o diseño mecánico. Véase la obra de Joseph E. Shigley, MechanicaJ Engineering Design, 3d. ed., McGraw-Hill, New York, 1977.
- 427. FUERZAS ESTÁTICAS 411 diferentes-fuerza y masa- se atribuy e al uso dual de las libras en el sistema gravitacional ac tual ordinario, en el que con frecuencia se usa peso para significar tanto fuerza como masa. * En esta obra siempre se usará el vocablo peso con el significado de fuerza gravi tacional. Partícula Una partícula es un cuerpo cuyas dimensiones son tan pequeñas que se pueden despreciar. Cuerpo rígido Todos los cuerpos son elásticos o plásticos y se deformarán si re ciben la acción de fuerzas. Cuando la deformación de tales cuerpos es pequeña, con frecuencia se supondrá que son rígidos, es decir, incapaces de deformarse, para simplificar el análisis. Cuerpo deformable No se puede aplicar la suposición de cuerpo rígido cuando se deben analizar los esfuerzos y deformaciones internos debidos a las fuerzas aplicadas. Por ende, se considera que el cuerpo es capaz de deformarse. Este tipo de análisis se denomina a menudo análisis de los cuerpos elásticos, aplicando la suposición adicional de que el cuerpo se mantiene elástico dentro de la gama de fuerzas aplicadas. Ley de Newton Las tres leyes de Newton, como las expresa en su obra Princi pia, son: (Ley 1) Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme en una rec ta, excepto hasta que es obligado a cambiar ese estado por las fuerzas aplicadas. (Ley2 ) El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza en movimiento aplicada, y se lleva a cabo en la dirección de la recta en la que se aplica dicha fuerza. (Ley3) La reacción siempre es igual y opuesta a la acción; esto equivale a decir que las ac ciones de dos cuerpos entre sí son siempre iguales ydirectamente opuestas. Para los fines de nuestro estudio, conviene volver a expresar estas leyes de la si guiente manera: Ley 1 Si todas las fuerzas que actúan sobre una partícula están balanceadas, dicha partícula se mantendrá en reposo, o bien, continuará moviéndose en una recta con una velocidad uniforme. Ley2 Si las fuerzas que actúan sobre una partícula no están balanceadas, experi mentará una aceleración proporcional a la fuerza resultante y en la dirección de es ta última. Ley:l Cuando dos partículas reaccionan, se produce un par de fuerzas interactuan- * Tomado de "S. 1., The WeightlMass Controversy", Mech. Eng., vol. 99, no. 9, p. 40, September 1977, yvol. 10l, no. 3, p. 42, March 1979.
- 428. 412 TEORÍ A DEMÁQUINAS Y MEC ANISMOS tes; estas fuerzas tienen magnitudes iguales y sentidos opuestos, y actúan a lo lar go de la recta común a las dos partículas. 12-2 SISTEMAS DE UNIDADES Las dos primeras leyes de Newton se pueden resumir mediante la ecuación F mA (12-l) que se conoce con el nombre de ecuación del movimiento de las partículas. En esta ecuación, A es la aceleración que experimenta una partícula de masa m cuan do recibe la acción de la fuerza F. Tanto F como A son cantidades vectoriales. Un uso importante de la ecuación (12-1) ocurre en la estandarización de los sistemas de unidades. Los siguientes símbolos se utilizarán para designar unidades: Fuerza, F Masa, M Longitud, L Tiempo, T Estos símbolos deben representar cualquier unidad que pueda elegirse. Por con siguiente, las elecciones posibles para L son pulgadas, kilómetros, millas, etc. Los símbolos F, M, L Y T no son números; pero se pueden sustituir en la (12-1) como si lo fueran. Así, pues, el signo de igualdad implica que los símbolos que se encuen tran en uno de los miembros son equivalentes a los que están en el otro miembro. Entonces, al hacer la sustitución indicada da F MLT-2 (12-2) porque la aceleración A tiene unidades de longitud divididas entre el tiempo al cuadrado. La ecuación ( 12-2) expresa una equivalencia entre las cuatro unidades de fuerza, masa, longitud y tiempo. La persona tiene la libertad de elegir las unidades para tres de ellas y entonces, las que se utilicen para la cuarta dependen de las tres primeras. Por esta razón, las tres primeras unidades elegidas se conocen como unidades básicas, en tanto que la cuarta se califica como unidad derivada. Cuando se eligen como unidades básicas la fuerza, la longitud y el tiempo, la masa es la unidad derivada y el sistema que resulta se conoce como sistema gra vitacional de unidades. Cuando se eligen la masa, la longitud, y el tiempo como unidades básicas, la fuerza es la unidad derivada y el sistema resultante es un sistema absoluto de unidades. En los países de habla inglesa, el sistema común pie-libra-segundo (fps-foot pound-second) y el sistema pulgada-libra-segundo (ips-inch-pound-second) son los
- 429. FUERZAS ESTÁTICAS 413 dossistemas gravitacionales estándares más usados por los ingenieros.t En el siste ma fps la unidad de masa es (libra fuerza) (segundo)2 pie slug (12-3) Por consiguiente, la longitud, el tiempo y la fuerza son las tres unidades básicas del sistema gravitacional fps. La unidad de tiempo del sistema fps es el segundo, que se abrevia s. La unidad de fuerza en el sistema fps es la libra, con mayor propiedad libra fuerza. Rara vez se abreviará esta unidad como lbf; la abreviatura lb es permisible, ya que se estarán manejando únicamente sistemas gravitacionales de uso común en Estados Unidos.* En algunas ramas de la ingeniería conviene representar 1 000 libras como una kilolibra y abreviarla kip (del inglés, kilopound). Muchos escri tores agregan la letra s a kip para formar el plural; pero para ser coherentes con la práctica de utilizar sólo unidades en singular, esto no se hará aquí. Por consiguien te, se usan 1 kip Y 3 kip para designar, respectivamente, 1000 Y 3 000 lb. Por último, en la ecuación (12-3) se observa que la unidad derivada de masa en el sistema gravitacional fps es la lb· s2jpie, llamada slug; no existe abreviatura para el término slug. La unidad de masa en el sistema gravitacional ips es M = FT2 = (libra fuerza) (segundo)2 lb . s2/pulg pulg Nótese que a esta unidad de masa no se le ha dado un nombre especial. (12-4) El Sistema Internacional de Unidades (SI) es un sistema absoluto. Las uni dades básicas son el metro, el kilogramo masa y el segundo. La unidad de fuerza es derivada y se denomina newton, para distinguirla del kilogramo que, como se in dicó, es la unidad de masa. Las unidades del newton (N) son (kilogramo) (metro) = k . m/s2 = N (segundo)2 g (12-5) El peso de un objeto es la fuerza que la gravedad ejerce sobre él. Si se designa el peso como W y la aceleración debida a la gravedad como g, la (12-1) se convierte en W mg (12-6) En el sistema fps, la gravedad estándar es g 32. 1740 pie/s2• En la mayor parte t La mayoría de los ingenieros prefieren utilizar sistemas gravitacionales; esto ayuda a explicar parte de la resistencia a utilizar unidades SI, ya el Sistema Internacional (SI) es un sistema absoluto. * La abreviatura lb usada para la palabra libra, proviene de Libra, el séptimo signo del zodiaco, que se representa con una balanza.
- 430. 414 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS de los casos, se redondean a 32.2. Por ende, el peso de una masa de 1 slug en el sistema fps es W = mg = (1 slug)(32.2 pie /S2) 32.21b gn el sistema ips, la gravedad estándar es 386.088, o sea, aproximadamente 386 pulg/s2• Por tanto, en este sistema, una unidad de m asa pesa W = (lIb· s2/pulg )(386 pulg/s2) = 386 lb Con unidades SI, la gravedad estándar es 9.806 m/s2, o sea, aproximadamente 9.80 m/s2• Así pues, e l peso de 1 kg masa es W = (l kg)(9.80 m/s2) = 9.80 N Conviene recordar que una manzana grande pesa aproximadamente 1 N. 12-3 FUERZAS APLICADAS Y DE RESTRICCIÓN Cuando varios cuerpos se conectan entre sí para formar un grupo o sistema, las fuerzas de acción y reacción entre dos cualesquiera de los cuerpos que conectan se denominan fuerzas de restricción. Estas obligan o restringen a los cuerpos a com portarse de un m odo específico. Las fuerzas externas a este sistema de cuerpos se llamanfuerzas aplicadas. Las fuerzas eléctricas, magnéticas y gravitacionales son ejemplos de fuerza que pueden aplicarse sin contacto físico real. Una gran m ayoría, si no la m ayor parte, de las fuerzas de las que nos ocuparemos ocurren a través de un contacto físico o mecánico directo. Como se indicó antes, las características de una fuerza son su magnitud, su dirección y su punto de aplicación. La dirección de una fuerza incluye el concepto de recta a lo largo de la cual se dirige la fuerza, así como un sentido. Por ende, una fuerza está dirigida positiva o negativamente a lo largo de una línea de acción. En ocasiones, el punto de aplicación no es importante, por ejemplo, cuando se está estudiando el equilibrio de un cuerpo r ígido. De donde, en la figura 12-1a no importa si se representa el par de fuerzas F1F2, como si comprimieran al eslabón, o si se dibujan como si sometieran al eslabón a una tensión, a condición de que el único interés que se tenga sea el del equilibrio del mismo. Por supuesto, si se está interesado en los esfuerzos internos del eslabón, las fuerzas no se pueden intercam biar. La notación para los vectores fuerza es la mostrada en la figura 12-1b. Se usan negritas par a los vectores fuerza y cursivas blancas para sus magnitudes. Por tan to, las componentes de un vector fuerza son (a) Nótese que las direcciones de las componentes en este libro de texto se indican por medio de superíndices y no de subíndices.
- 431. (a) z FUERZAS ESTÁTICAS 415 11 J--------------��-r /11 I ! I I I I t-- A : FY : j : I I I I I I I ;' f x : : / FZ I _______j� (b) Figura 12-1. a) Los puntos de aplicación de F¡ y F2 a un cuerpo rígido pueden tener o no importancia. b) Componentes rectangulares de un vector fuerza, Dos fuerzas iguales y opuestas que actúan a lo largo de dos rectas paralelas no coincidentes en un cuerpo, no se pueden combinar para obtener una sola fuerza resultante. Dos fuerzas cualesquiera de esta índole que actúan en un cuerpo, cons tituyen un par. El brazo del par es la distancia perpendicular entre sus líneas de ac ción, y el plano del par es aquél que contiene a ambas lineas de acción. El momento de un par es otro vector M dirigido normal al plano del par; el sentido de M se determina de acuerdo con la regla de la mano derecha para la rotación. La magnitud del m omento es el producto del brazo del par y la magnitud de una de las fuerzas. Por consiguiente, M hF ( 12-7) en donde h es el brazo del momento. y M RXF F (al z (bl Figura 12-2. a) R es un vector de posición, pero F y F' son vectores fuerza; el vector libre M es el momento del par formado por F y F', b) Par de fuerza constituido por F¡ y F2,
- 432. 416 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Como se ilustra en la figura 12-20, el vector momento es el producto vectorial del vector de posición relativa R y el vector fuerza F y, por tanto, se define me- diante la ecuación - M=RxF (12-8) Al examinar la figura 12-2b se pueden determinar algunas de las propiedades interesantes de los pares. Aqui FI y Fz son dos fuerzas iguales, opuestas y para lelas. Elíjase cualquier punto sobre cada línea de acción y definanse estos puntos por medio de los vectores de posición Rl y Rz. Luego, el vector de posición relativa, o vector de diferencia de posición, es R21 R2-RI El momento del par es la suma de los momentos de cada fuerza y es M R1xF1+R2xFz Pero FI -Fz, y, en consecuencia, la ecuaciÓn (b) se puede escribir M=(R2 R1) X F2=R21 X Fz La ecuación (e) demuestra que: (a) (b) (e) 1. El valor del momento del par es independiente de la elección del centro en torno al cual se tomen los momentos, debido a que el vector R21 es el mismo para todas las posiciones del origen. 2. Puesto que R1 y R2 definen cualquier conjunto de puntos sobre las lineas de ac ción, el vector RZI no se restringe a la perpendicularidad con F1 y F2• Este es un resultado muy importante del producto vectorial porque significa que el valor del momento es independiente de cómo se elija R21• Se puede obtener la mag nitud del momento como sigue: Resuélvase RZ1 en las dos componentes R�I y R�l paralela y perpendicular, respectivamente, a Fl. Entonces (d) Pero R�l es la distancia perpendicular entre las líneas de acción y R�l es paralela a F2• Por ende, R�l x Fz O y M=R�1xFz es el momento del par. Puesto que R�l = R21 sen O, en donde O es el ángulo en tre R21 y F2, la magnitud del momento es M=(R21 sen 0)F2 (e) 3. El vector momento M es independiente de cualquier origen o línea de aplicación y, por consiguiente, es un vector libre. 4. Se pueden hacer girar las fuerzas de un par juntas dentro de su plano, man teniendo constantes sus magnitudes y la distancia entre sus lineas de acción, o bien, se pueden trasladar hacia cualquier plano paralelo sin cambiar la mag-
- 433. FUERZAS ESTÁTICAS 417 nitudo el sentido del vector m om ento. Asimismo, dos pares son iguales si tienen los m ismos v ectores m om ento, sean cuales fueren las fuerzas o los brazos del m om ento. Esto significa que lo que importa es el producto vectorial de los dos y no sus v alores por separado. 12-4 C ON D I C IONE S PA R AE LEQUILIBRIO Un cuerpo rígido se encuentra en equilibrio estático si: 1. La suma vectorial de todas lasfuerzas que actúan sobre él es cero. 2. La suma de los momentos de todas las fuerzas que actúan en torno a cualquier eje único es cero. Matemáticamente, estas dos proposiciones se expresan como LM =O (12-9) Obsérvese cómo estas proposiciones son un resultado de la primera y tercera leyes de Newton, sobreentendiéndose que un cuerpo constituye una colección de par tículas. Muchos problemas tienen fuerzas que actúan en un solo plano. Cuando esto sucede, conviene trabajar en el plano xy. En tal caso, las ecuaciones (12-9) se pueden simplificar como Lpx O LP=O L M=O en donde la dirección z para el m omento M queda implícita en el hecho de que las fuerzas sólo existen en xy. 12-5 D I A GRAMAS D E C UER P O L IBRE El término " cuerpo", como se usa aquí, puede ser un máquina completa, v arias piezas conectadas de una m áquina, una sola o una porción de una pieza. Un diagrama de cuerpo libre es un esquema o dibujo del cuerpo, aislado de la má quina, en el que las fuerzas y los m omentos se muestran en acción. Por lo común, conviene incluir en el diagrama las magnitudes y direcciones conocidas, así como cualquier otra información pertinente. El diagrama obtenido de esta manera se clasifica como "libre" porque se ha liberado la parte o porción del cuerpo del resto de los elementos de la máquina y se han reemplazado sus efectos por fuerzas y m om entos. Si el diagrama de cuerpo libre es de una pieza completa de la máquina, las fuerzas señaladas en él son las fuerzas externas (fuerzas aplicadas) y los m om entos ejercidos por piezas adyacen tes o conectadas. Si el diagrama es una porción de una pieza, las fuerzas y los momentos que actúan sobre la porción cortada son las fuerzas internas y los m om entos ejercidos por la parte que se ha cortado.
- 434. 418 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS La construcción y presentación de diagramas de cuerpo libre trazados con claridad representan el meollo de la comunicación en la ingeniería. Esto es cierto porque representan una parte del proceso de reflexión, ya sea que se plasmen real mente en el papel o na, y porque la construcción de tales diagramas es la única manera en la que los resultados de la reflexión se pueden comunicar a otros. El es tudiante debe adquirir el hábito de hacer diagramas de cuerpo libre sin importar qué tan simple pueda parecerle el problema. Constituyen m edios para almacenar un pensamiento mientras se concentra en el siguiente paso del problema. La cons trucción de los diagramas acelera el proceso de resolución de problemas y reduce enormemente la posibilidad de cometer errores. Las ventajas de utilizar diagramas de cuerpo libre se puede resumir como sigue: l. Facilitan la tarea de trasladar las palabras, pensamientos e ideas a modelos físicos. 2. Contribuyen para que se vean con claridad y comprendan todas las facetas de un problema. 3. Ayudan a planear el planteamiento del problema. 4. Permiten que las relaciones m atemáticas sean más fáciles de ver o encontrar. 5. Su aplicación facilita el control del avance y ayuda a establecer suposiciones simplificadoras. 6. Los métodos utilizados en la resolución se pueden conservar para consultas futuras. 7. Son ayudas para la m emoria y facilitan la explicación y presentación del trabajo a otros. Al analizar las fuerzas en las máquinas, casi siempre será necesario separar la máquina en sus componentes individuales y construir diagramas de cuerpo libre en los que se m uestren las fuerzas que actúan sobre cada componente. Muchas de estas piezas estarán conectadas entre sí por medio de pares cinemáticos. En consecuen cia, se ha preparado la figura 12-3 para mostr ar las fuerzas de restricción entre los elementos de los pares inferiores, cuando se supone que las fuerzas de fricción son cero. En el caso de pares superiores, las fuerzas de restricción son siempre normales a las superficies de contacto cuando se desprecia la fricción. La notación m ostrada en la figura 12-3 se aplicará en el curso del resto de este libro. Por ejemplo, F21 es la fuerza que el eslabón 2 ejerce sobre el 1; por tanto, FI2 es la reacción a esta fuerza, y es la fuerza del eslabón 1 que actúa sobre el esla bón 2. 12-6 P ROGR AMAS D E CÁLC U L O Si el lector tiene acceso a cualquier tipo de instalación de computación progra mable, debe crear los siguientes programas par a utilizarlos, sobre todo en varios
- 435. z X (a) z X (b) ZX (e) z (d) ~ :al z 4 2 X (e) 1 Fx yFZ 12 12 " Fr2 FUERZAS ESTÁTICAS IF�l M�l(!..J �AF ,21 FZ F;l 21 ¡F �1 l�M' �21 � FX ./ MZ 21 21 IFY MY (1)21 21 ��,21 Á�l FZ�F�l 21 419 Figura 12-3. Todos los pares inferiores y sus fuerzas de restricción: a) par de revoluta o rotatorio; variable del par, e; b) par prismático, variable del par, z; e) par cilindrico, variables del par, z, e; d) par de tonúllo, variables del par z o e; e) par plano, variables del par x, z, e; f) par globular, va riables del par, e, <p, .p.
- 436. 420 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS de los siguientes capítulos. Puesto que estos problemas son breves, todos ellos se pueden formar como subrutinas y almacenarse en una sola tarjeta magnética o cualquier otro medio de almacenamiento. Los indicadores de programa 'O las trans ferencias condicionales facilitan la introducción de las diversas subrutinas. Se sugiere que se incluyan los siguientes problemas: l. Dado R/..Jl; encuéntrese xi+ yj. 2. Dado xi+ yj; encuéntrese R/-.!1.. 3. Dado f); encuéntrese R=xi+ jj,. en dondex yy son los cosenos directores. 4. Dados F¡, F2,F3, • • • en sus componentes x, y y z; encuéntrese :¿ F. 5. Dados e y e' en sus componentes x, y y z; encuéntrese e x e'. Estos programas se deben plantear de tal manera que las componentes cero se introduzcan automáticamente sin necesidad de que se tome una acción positiva. 12-7E L E M E N T OS D E DOS YTRES F UERZAS El equilibrio o falta de equilibrio de un elemento de dos fuerzas aparece ilustrado en las figuras 12-40 y b. Si se aplica la primera de las ecuaciones (12-9), da ¿F FA+FB=O (a) Esto exige que FA Y FB tengan las magnitudes iguales y direcciones opuestas. La segunda de las ecuaciones (12-9), :E M=O, requiere que FA y FB tengan la mis ma línea de acción; de otra manera, los dos momentos no darían una suma cero. En la figura 12-4c y d se ilustra el equilibrio o falta de equilibrio de un elemento de tres fuerzas. Supóngase que dos de las fuerzas, por ejemploFA Y FB, se interse can en algún punto O. Estas fuerzas se suman para formar el vector únicoFA+FB. Como que la línea de acción de esta suma pasa por el punto O, causa que su momento respecto a O es cero. La aplicación de :E M=O a las tres fuerzas, muestra que el (a) (b) (e) Figura 12-4. a) Elemento de dos fuerzas que no está en equilibrio; b) elemento de dos fuerzas que está en equilibrio si F4 Y FB son iguales, opuestas y tienen la misma línea de acción; e) elemento de tres fuer zas que no está en equilibrio; ti) elemento de tres fuerzas que está en equilibrio si FA, FB Y Fe son co planares, si sus líneas de acción se intersecan en un punto común O y si su suma vectorial es cero.
- 437. FUERZAS ESTÁTICAS 421 momentode Fe alrededor de O también debe ser cero. Por ende, las líneas de ac ción de las tres fuerzas se intersecan en un punto común; es decir, las fuerzas son concurrentes. Esto explica por qué un elemento de tres fuerzas se puede resolver sólo para dos magnitudes de las fuerzas, aunque se tengan tres ecuaciones: ya se ha usado la ecuación de momentos para hallar las direcciones de las líneas de acción. El caso se presenta con mucha frecuencia, por ejemplo, en las vigas, en don de las tres fuerzas son paralelas; éste es el caso limite, y el punto común de inter sección de las tres líneas de acción queda en el infinito. La ecuación ¿ F = O para un elemento de tres fuerzas requiere que las mis mas sean coplanares y que su suma vectorial sea cero. Ejemplo 12-1 El eslabonamiento de cuatro barras de la figura l2-5a tiene la manivela 2 impulsada por un momento de torsión de entrada M12; una carga externa P= 120/220· lb actúa en Q sobre el eslabón 4. Para la posición particular del eslabonamiento que se indica, encuéntrense todas las fuerzas en los eslabones y sus reacciones. SoLUCIÓN GRÁFICA 1. Selecciónese una escala espacial S. La escala espacial correspondiente para la figura 12-5 es aproximadamente S = 9 pulg/pulg. Eso significa que 1 pulg del dibujo representa 9 pulg del eslabonamiento. 2. Selecci6nese una escala para las fuerzas Sp. La escala para las fuerzas para la figura 12-5 es aproximadamente 80 lb/pulg. Por consiguiente, un vector de 1 pulg de largo representa una fuerza de 80 lb. 3. Trácese el mecanismo y la fuerza o fuerzas dadas a las escalas apropiadas, como se indica en la figura l2-5a. 4. Selecciónese un eslabón o varios eslabones en los que se pueda jniciar el análisis y constrúyase el diagrama de cuerpo libre. En este ejemplo se principia con el eslabón 4, como se señala en la figura 12-5b, porque se da P. Puesto que el eslabón 3 es un elemento de dos fuerzas, sólo puede soportar tensión o compresión. Por ende, la línea de acción de FM actúa a lo largo del eslabón 3. El eslabón 4 es un elemento de tres fuerzas. No se conoce la dirección ni la mag nitud de la reacción del marco F14• Un método para determinar las fuerzas vectoriales des conocidas que actúan sobre el eslabón 4 consiste en aplicar las ecuaciones (12-9). Por consi guiente, en la figura 12-5b trácense y midanse los brazos de momento Py FM en torno a 04- Se encuentra que éstos son, respectivamente, 2.38 y 8.63 pulg. Sumando los momentos de estas dos fuerzas en torno a O. da la magnitud de F34_ L Mo, = 2.38(120) + 8.63F.14 = O Una solución de FM = -33.1 lb, en donde el signo menos indica que el momento de F34 en torno a 04 es en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj, como se indica. 5. El eslabón 4 es un elemento de tres fuerzas y, por tanto, se puede hallar la dirección de F14 utilizando el punto de concurrencia. Cuando se prolongan las líneas de acción de P y F34 se intersecan en e, el punto de concurrencia, como se ilustra en la fIgUra 12-5c. 6. El polígono de fuerzas, ilustrado en la figura 12-5d, es la solución gráfica de la ecuación LF=P+F34+F14 O Nótese que los pasos 4 y 5 no son necesarios. Se puede utilizar el polígono de fuerzas con el fin de resolver para las incógnitas, empleando primero el paso 4, o bien, el 5.
- 438. � / 8.63' 01' .. -lZUID Q A� /J � 2.38'" " OV////,: °4 °2 °4 F14 (a' (b) (d) Figura 12 ..5. �A 6 pulg, AB = 18 pulg, 04B = 12 pulg, 0204 = 8 pulg, 04Q 5 pulg. � N ...;¡ � � - >- tJ tl1 s:: � - z >- en >< s:: ?5 � - en s:: O (e) en A °2 (n
- 439. FUERZAS ESTÁTIC AS 423 7.En la figura 12-5e se construyó el diagrama de cuerpo libre del eslabón 3, observando que F2) -F4) = F34• 8. El diagrama de cuerpo libre del eslabón 2 se muestra en la figura 12-5f. En este caso, se tie neF)2 ·-FDyF'2 -Fn. Cuando se mide el brazo de momentode F'2 alrededor de 01 seob tienen 5.54 pulg; de donde, Mil -33.1(5.54) -183lb . pulg Resp. en donde el signo negativo indica que el momento es en el mIsmo sentido del movimiento de las manecillas del reloj. 9. En la ilustración no se incluye un diagrama de cuerpo libre del marco, eslabón 1. Si se trazara, se mostrarían una fuerza F2! = -F!2 en O2, una fuerza F4I -F!4 en O•. y un momento M2! = -M12• SOLUCION ANALincA Se hace primero un análisis de posición del eslabonamiento con el fin de determinar la ubicación angular de cada eslabón. En la figura 12-6a se muestran los resulta dos. Con referencia a la figura 12-6b, se principia por sumar momentos en torno a un eje que pase por O•. Por consiguiente, Los vectores en la (1) son Ro = 5/68.4° = 1.841 + 4.65j P= 120/220° = -91.91 -77.1j R¡¡ 12/68.4° 4.421 + 11.16j F34 F34/22.4° (0.9241 + 0.381j)F", (1) Al realizar la operación de producto vectorial. se encuentra que el primer término de (1) es Ro x P 285.5k. El segundo término es Re x F'4 = -8.63F34k. Al sustituir estos términos en (1) y despejar, se obtiene 1<34 = 33.1 lb; de manera que F34 = 33.1/22.4° = 30.61+ 12.61 lb Resp. La reacción del marco se encuentra entonces partiendo de la ecuación 2: F = F34+ P+ F'4 = (3(}.61+ 12.6]) + (-91.91-77 .1j) + F!4 = O La solución da F!4 6I.3i + 64.51 89.0/46.5" lb Resp. A continuación, partiendo de la figura 12-6c, para el eslabón 2 se escribe (2) Puesto que RA 6� = -4.24i + 4.24j Y Fn = -FJ4 -30.6i- 12.61. se encuentra RA xF32 183.2k lb·pulg. Por tanto M!2 = -183.2k lb . pulg Resp. En el ejemplo anterior se supuso que todas las fuerzas actúan en el mismo plano. Para el eslabón de conexión 3 se supuso también que la linea de acción de las fuerzas y la línea de los centros del eslabón coincidían. Un diseñador de máquinas
- 440. 424 TEORIA DEMAQUINAS y MECANISMOS A (a) Figura 12-6 3 3 A���------- ---�-A A��--------- ---�-A (b) 2 Figura 12-7. a) Conexión balanceada. b) esta conexión produce un momento de giro sobre el pasador y sobre cada eslabón.
- 441. FUERZAS ESTÁTICAS 425 cuidadosotomará a veces medidas extremas para acercarse a estas condiciones tan to como sea posible. Nótese que si las conexiones de pasador se disponen como se indican en la figura 12-7a. estas condiciones se obtienen teóricamente. Por otro lado, si la conexión es como la de la figura 12-7b, el pasador mismo, al igual que cada eslabón, tendrán pares giratorios que actúan sobre ellos. Si las fuerzas no se encuentran en el mismo plano. existen pares cuyos momentos son proporcionales a la distancia entre los planos de las fuerzas. (al E A x (e) lb) Figura 12-8 Las dimensiones están en milímetros.
- 442. 426 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 12-8E L E M ENTO S D E C U A TRO F UER ZAS El caso más general de un sistema de fuerzas es aquél en el que éstas no son con currentes ni paralelas. Un sistema de esta índole se puede sustituir siempre por una sola fuerza resultante que actúa en un punto arbitrario y un par resultante. Un cuerpo sobre el que actúa un sistema general de fuerzas de este tipo se encuentra en equilibrio sólo si tanto el par resultante como la fuerza resultante son cero. La ecuación (12-9) expresa estas condiciones en forma matemática. Ejemplo 12-2 En la figura 12-8« se ilustra una leva yun seguidor de movimiento alternativo. El seguidor se mantiene en contacto con la leva por medio de un resorte Que empuja hacia abajo en e, con una fuerza de resorte Fe 12 N para esta posición en particular. Asimismo, una carga ex terna FE = 35 N actúa en E sobre el seguidor, en la dirección señalada. Determínese la fuerza en el pasador del seguidor en A y las reacciones en el cojinete en B yD. Supóngase que no hayfric ción yque el seguidor carece de peso SOLUCIÚN En la figura l2-8b se tiene un diagrama de cuerpo libre del seguidor. Las fuerzas Fe y FE se conocen y en esta figura, se obtiene su suma FE + Fe gráficamente. El diagrama muestra las líneas de acción de las tres incógnitas F.4• FB Y FD- Por consiguiente, el problema se reduce a una fuerza conocida, la resultante FE + Fe ylas tres fuerzas de magnitudes conocidas. En la figura l2-Be se muestra la resultante FE + Fe con su punto de aplicación en E. Esto es permisible deslizando Fe a lo largo de su linea de acción. Si se conociera FD• se podría sumar a FE + Fe para producir la resultante FE + Fe + Fv, que luego actuaría pasando por el punto p. Considén:se ahora la ecuación de momentos. Si se escribe :¿ Mq = O, es evidente Que sólo se puede satisfacer la ecuación si la resultante FE + Fe + FD tiene como su linea de acción a pq. Así Que,'ésta es la base para la soluciÓñ gráfica. Como se ilustra en el polígono de fuerzas de la figura 12-8e, la resultante FE + Fe + FD Que actúa a lo largo de la línea pq se utiliza primero para encontrar la fuerza Ff). El poligono se completa encontrando Fél Y FB , puesto que se conocen sus líneas de acción. Nótese que este procedimiento define un concepto general, útil en el enfoque analítico tam bién: cuando haytres incógnitas, elíjase un punto como q en donde se crucen las líneas de acción de dos de las fuerzas desconocidas, yescríbase la ecuación de momentos L Mq O. Esta ecuación tendrá una sola incógnita que, para este ejemplo, es FD Y se puede resolver directamente. Sólo entonces se debe escribir la:¿ F = O, puesto Que el problema se ha reducido ahora a dos incóg nitas. Una solución analítica para este problema da F4 51.8 N, FB = 32.8 N, y FD = 5.05 N, re dondeados a tres cifras. 12-9 A N ÁL I SIS D E F UER ZASE NENGR A NE S RE C TO S Y HE LIC O IDAL E S t En la figura 12-9a se muestra un piñón con centro en O2 que gira en el mismo sen tido del movimiento de las manecillas del reloj, a nz rpm, y que impulsa un engrane con centro en 03, a n3 rpm. Las reacciones entre los dientes ocurren a lo largo de la línea de presión AB. En la figura 12-9b se presentan los diagramas de t'Puesto que las normas para los engranes se basan por completo en las unidades de uso común en Estados Unidos, rara vez se encontrarán unidades SI para los engranes en esta obra.
- 443. FUERZAS ESTÁTICAS 427 A Figura12·9 (b) cuerpo libre del piñón y el engrane. La acción del piñón sobre el engrane se ha reemplazado por la fuerza W que actúa en el punto de paso, en la dirección de la línea de presión. Puesto que el engrane está sostenido por su eje, debe actuar una fuerza F igual y opuesta, en la línea de los centros del eje. Un análisis similar del piñón muestra que las mismas observaciones son válidas. En cada caso, las fuerzas tienen la misma magnitud y dirección opuesta, son paralelas y se encuentran en el mismo plano. Por consiguiente, constituyen un par. Nótese que el diagrama de cuerpo libre del piñón tiene las fuerzas resueltas en sus componentes. En este caso se emplean los superíndices r y t para indicar las direcciones radial y tangencial con respecto al círculo de paso. Es más rápido usar los mismos superíndices para las componentes de la fuerza F que ejerce el eje sobre el engrane. El momento del par Wt y Ft es el momento de torsión que se debe aplicar para impulsar al juego de engranes. Cuando el radio de paso del piñón se designa como '2, el momento de torsión es (12-1 1) en donde T es el momento de torsión aplicado, positivo para la dirección opuesta a la del movimiento de las manecillas del reloj y Wt es la magnitud del vector fuerza Wt• Se observará que la fuerza radial W' no tiene finalidad por lo que respecta a la transmisión de potencia. Por esta razón, Wt se denomina con frecuencia fuer za transmitida.
- 444. 428 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Si se dan los caballos de potencia y la velocidad del piñón, se puede obtener la fuerza tangencial Wt a partir de la ecuación W 1 = (33 000)(12) hp 21Tr2n2 (12-:12) en donde '2 es el radio de paso en pulgadas y n2 la velocidad en revoluciones por minuto. Así, pues, las siguientes relaciones son evidentes en la figura 12-9: W (12-13) en donde 4> es el ángulo de presión. En el manejo de las fuerzas sobre engranes helicoidales, conviene determinar la fuerza axial, trabajar con ella independientemente y tratar el resto de las com ponentes de las fuerzas de la misma manera que como se hace con los engranes rectos. En la figura 12-10 se tiene el dibujo de un engrane helicoidal en el que se eliminó la mitad de la cara para mostrar las fuerzas que actúan en el punto de paso. Se supone que el engrane gira en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj. Se ha suprimido el engrane impulsor y se ha reemplazado su efecto por las fuerzas señaladas que actúan sobre los dientes. La fuerza resultante W se divide en las tres componentes Wa, W', W1, que son respectivamente las fuer zas axial, radial y tangencial. La fuerza tangencial es la transmitida y la que es efectiva en la transmisión del momento de torsión. Cuando el ángulo de presión transversal se designa como 4>1 y el ángulo de hélice como ¡fr, las siguientes rela ciones resultan evidentes en la figura 12-10: W Wa+W'+W/ wa W1tanl/t W' W1 tan 4>, (12-14) (12-15) (12-16) También es oportuno utilizar la resultante de W' y W1• Esta fuerza se designará como W'" ; y se define mediante la ecuación W'" wr+W1 (12-17) Ejemplo 12-3 Un tren de engranes se compone de tres engranes helicoidales con los centros de los ejes en línea. El impulsor es un engrane helicoidal de mano derecha que tiene un radio de paso de 2 pulg, un ángulo de presión transversal de 200 y un ángulo de hélice de 30°. Un engrane loco en el tren tiene los dientes cortados de mano izquierda y un radio de paso de 3.25 pulg. El engrane loco no transmite potencia a su eje. El engrane impulsado en el tren tiene los dientes cortados de mano derecha y un radio de paso de 2.50 pulg. Si la fuerza transmitida es de 600 lb, determínense las fuerzas en el eje que actúan sobre cada engrane. SOLUCIÓN En primer lugar, se considerarán sólo las componentes axiales, como se sugirió previamente. Para cada endentamiento la componente axial de reacción es, según la (12-15), W· W' tan ¡f¡ = 600 tan 30° = 347 lb
- 445. FUERZAS ESTÁTICAS 429 Figul'll12-10 La figura 12-11a es una vista superior de los tres engranes, viéndolos hacia abajo sobre el plano formado por los tres ejes de rotación. Para cada engrane, se considera que la rotación se lleva a cabo en torno al eje z, para este problema. En la figura 12-11b se trazaron en perspectiva los diagramas de cuerpo libre de cada uno de los tres engranes, y se muestran los tres ejes de coor denadas. Como se indica, el engrane loco ejerce una fuerza W�2 sobre el impulsor. Ésta es resis tida por la fuerza axial en el eje, Ff2. Las fuerzas Ff2 y W�2forman un par que es resistido por el momento Tf2. Nótese que este momento es negativo en torno al eje y y, en consecuencia, es un momento que tiende a voltear el eje impulsor. La magnitud de este momento es Tf2 WhT2 = (347)(2) = 694 lb . pulg Pasando después al engrane loco, se ve en las figuras 12-11a y b que la fuerza axial del eje sobre dicho engrane es cero. La componente axial del impulsor sobre el engrane loco esW�3. y la del engrane impulsado sobre el engrane loco es W:3• Estas dos fuerzas son iguales y forman un par, que tiende a hacer girar al eje extremo sobre extremo y es resistido por el momento T13 de magnitud Tf3 WQ1(2rl) (347)(2)(3.25) 2 260 lb . pulg El engrane impulsado tiene la componente axial de fuerza W;¡,¡, debida al engrane loco que ac túa en su línea de paso, la cual es resistida por la reacción axial del eje Ff4. Como.se ilustra, estas fuerzas son iguales y forman un par que tiende a voltear el eje, a lo que se opone el momento Tf4' Puesto que Wf,. 3471b, la magnitud de este momento, que es negativo en torno al eje y, es Tf4 W�r4 = (347)(2.5) = 867 lb . pulg Una vez más se hace hincapié en que los tres momentos de resistencia Tf2, Tf3, Tf4 se deben ex clusivamente a las componentes axiales de las reacciones entre los dientes de los engranes. Se producen reacciones estáticas en los cojinetes y no tienen efecto alguno sobre la cantidad de potencia transmitida.
- 446. 430 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS --x �������������� Impulsado, D Fl�-347Ib (a) 1 1 W� -6381bl 23 I 1 1 I I I F:4-347lb (d) Figura 12-11. a) y b) Fuerzas axiales, e) impulsor, d) engrane loco, e) impulsado.
- 447. z FUERZAS ESTÁTICAS 431 Ahoraque se han hallado todas las reacciones debidas a las componentes axiales, la atención se centra en el resto de las componentes de las fuerzas y se examina su efecto como si operaran independientemente de las fuerzas axiales. En las figuras 12-11e, d y e se dan los diagramas de cuerpo libre que muestran las fuerzas en el plano de rotación para los engranes impulsor, loco e impulsado, respectivamente. Se pueden ob tener las fuerzas gráficamente como se indica, o aplicando las ecuaciones (12-11)y(12-12). No es necesario combinar las componentes para encontrar las fuerzas resultantes porque, .:n el disefio de máquinas, las fuerzas componentes son exactamente las que se desean. Ejemplo 12-4 El tren de engranes planetario de la figura 12-12a tiene el eje a impulsado por un momento de torsión de entrada de -IOOk lb·pulg. Nótese que el eje a está conectado direc tamente al engrane 2 y que el brazo planetario 3 está conectado directamente al eje b y que está separado del eje a. pero con una holgura mínima. El engrane 6 está fijo en el marco estacio nario 1 (que no se ilustra). Todos los engranes tienen un paso diametral de 10 dientes por pul gada y un ángulo de presión de 20°. Suponiendo que las fuerzas actúan en un solo plano y que se pueden despreciar las fuerzas centrifugas sobre los engranes planetarios, hágase un análisis com- 340 (a) (e) Id) Figura 12-12
- 448. 432 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS pleto de fuerzas para las piezas del tren y calcúlese la magnitud y dirección del momento de tor sión de salida entregado por el ejeb. SOLUCIÓN Los diámetros de paso de los engranes son d2 = 20/10 = 2 pulg, d4 = 3 pulg, ds = 1.6 pulg y dF = 3.4 pulg. Las distancias entre los centros de los engranes endentados es (Ns + N6)/2P = (16 + 34)/(2)(10) = 2.5 pulg. Puesto que el momento de torsión que ejerce el eje a con tra el engrane 2 es Ta2 = 100lb· pulg, la carga transmitida es W' = lOO/l = 100lb. Por consi guiente, F42 = W'/(cos 4» = lOO/(cos 20°) = 106 lb. El diagrama de cuerpo libre del engrane 2 se muestra en la figura 12-12b. En forma vectorial, los resultados son Fa2 = -F42 = l06� lb En la figura 12-12b se ilustra también el diagrama de cuerpo libre del engrane 4. Las fuerzas son en donde F14 es la fuerza del eje sobre el brazo planetario 3 que actúa contra el engrane 4. Los en granes 4 y 5 están conectados entre sí; pero giran libremente sobre el eje del brazo planetario. Por consiguiente, TS4 es el momento de torsión ejercido por el engrane 5 sobre el engrane 4. Este momento de torsión es TS4 = W'r4 = l00(�) = 150lb· pulg. Considerando a continuación el diagrama de cuerpo libre del engrane 5 de la figura 12-12c, primero se encuentra F �s = T45/rs = 150/0.8 = 187.5 lb. De donde, F65 = 187.5/ cos 20° = 200 lb. En forma vectorial, los resultados correspondientes al engrane 5 se resumen como Para el engrane 6 de la figura 12-12c, se tiene FI6 = -F56 = 200Ll.6!llb T d6 F .Jo k 3.4(200Xcos ZOO)k 3 19klb· pulg 16 = T S6 Cos o/ = 2 Nótese que FI6 y TI6 son, respectivamente, la fuerza y el momento de torsión que ejerce el marco sobre el engrane 6. El diagrama de cuerpo libre del brazo 3 es el que aparece en la figura 12-12d. Como se indicó antes, se supone que las fuerzas actúan en un.solo plano; de donde, se pueden sumar las dos fuer zas F43 y F53 Y son F53 = -F35 = 200� lb Luego, la suma resulta ser Ahora se encuentra que la reacción del eje es Fb3 = -F43 - FS3 = 137/-49 SOlb Utilizando rAO = 2.5j Y la ecuación L Mo = Tb3 + r,w x (F43 + FS3) = O se encuentra Tb3 = -221klb· pulg. Por consiguiente, el momento de torsión del eje de salida es Tb = +221k lb· pulg.
- 449. FUERZAS ESTÁTICAS 433 12-10ENGRANES CÓNICOS RECTOS Al determinar las fuerzas sobre los dientes en los engranes cónicos, se acostumbra utilizar las fuerzas que ocurrirían en el punto medio del diente sobre el cono de paso. La fuerza tangencial resultante ocurre probablemente en algún punto entre el punto medio y el extremo grande del diente, pero sólo se tendrá un error pequefio al hacer esta suposición. La fuerza tangencial o transmitida está dada por T r (12-18) en donde r es el radio promedio del cono de paso, como se ilustra en la figura 12-13, y T es el momento de torsión. En la figura 12-13 se muestran también todas las componentes de la fuerza resultante que actúa en el punto medio del diente. Por observación de la figura se pueden obtener las siguientes relaciones: y FIgura 12-13 w = wa + w' + wt W' = Wt tan 4> cos 'Y Wa = W1 tan 4> sen 'Y (12-19) (12-20) (12-21)
- 450. 434 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Como en el caso de los engranes helicoidales, obsérvese que la fuerza axial Wa conduce a un par sobre el eje que tiende a voltearlo. Ejemplo 12-5 El piñón cónico que se ilustra en la figura 12-l4 gira a 600 rpm en la dirección señalada y transmite 5 hp al engrane. Se muestran las distancias de montaje, junto con la ubi cación de los cojinetes en cada eje. Los cojinetes A y e son capaces de admitir tanto cargas ra diales como axiales, en tanto que los cojinetes B y D están construidos para recibir sólo cargas radiales puras. Los dientes de los engranes tienen un ángulo de presión de 200• Encuéntrense las componentes de las fuerzas que ejercen los cojinetes sobre los ejes en las direccionesx, y y z. S OLUCION Los ángulos de paso para el piñónyel engrane son Los radios hasta el punto medio de los dientes se indican en el dibujo y son r2 = 1 .293 pulg y r3 = 3.88 pulg para el piñón y el engrane, respectivamente. En primer lugar determinemos las fuerzas que actúan sobre el piñón. La fuerza tangencial es W ' = (33 000)(12) hp = (33 000)(12)(5) = 406 lb 21Tr2n2 21T(1.293)(600) : /Cojinete i I 'DO Figura 12-14
- 451. FUERZAS ESTÁT[CAS 435 Estafuerza actúa en la dirección z negativa. (En la figura 12-14 el eje z es positivo hacia afuera del papel, para un sistema derecho.) Las componentes radial y axial se obtienen a p artir de las ecuaciones ( 12-20) y ( 1 2-21), W' = W' tan q, cos 'Y W· = W' tan q, sen l' 406 tan 20° cos 18.40 = 140 lb 406 tan 200sen 18.40 = 46.6 lb En este caso, W' actúa en la dirección y positiva y W· lo hace en la de x positiva. Estas tres fuerzas son las componentes de la fuerza W. Por consiguiente, W 46.61 + 140J 406k El momento de torsión aplicado al eje del piñón debe ser T2 '" -406(1 .293)1 -5251 lb · pulg En la figura 1 2-15a se presenta esquemáticamente un diagrama de cuerpo libre del piñón y el eje. Se deben d eterminar las reacciones en los cojinetes FA y FII, las dimensiones, el momento de torsión T2, y la fuerza W son los elementos d ados del problema. Para encontrar FR, se sumarán los momentos en tomo a A. Esto requiere dos vectores de posición relativa, que se definen como RpA = -2.621 1 .293j Después de sumar los momentos en tomo a A da L MA = T2 + RIlA x FII + Rp4 x W O Los términos segundo y tercero par a la (1) son, respectivamente, RBA x FII = 3i x (F¡¡l + Fj¡k) -3F�j + 3Flík RpA x W = (-2.621 1.293) x (46.61 + 140j - 406k) = 5251- l064j 308k Sustituyendo el valor de Tz Y las ecuaciones (2) y (3) en (1), y resolviendo , la FB = 1021 355k lb Resp. La m agnitud de FB es 370 lb . A continuación, para determinar F" se escribe Cuando W y F11 se sustituyen en esta ecuación, se puede despejar FA. y el resultado es FA = -46.6i 2421 + 761 k lb Resp. ( 1) (2) (3) (4) La magnitud es FA = 798 lb. Los resultados aparecen ilustrados en la figura 1 2-15b. Para el eje del en grane se sigue un procedimiento similar. Los resultados se presentan en la figura 1 2-1 5c. 12-11 M O D E L O S D E LA F UER ZA D E F RI CC I Ó N * En años recientes se ha despertado un enorme interés por el tema de la fricción y el desgaste, y se han dedicado m uchos artículos de investigación y libros de texto a este tema. El propósito que nos ocupa aquí no es analizar con profundidad la 'N. del R.T. También llamada de rozamiento.
- 452. 4J6 TEORlA. DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (a) ( b ) 140 lb I F� = 1 l8 Ib _ / ! e �" 3 F�=275 Ib ( e ) I x Figura 12-15 mecánica del tema en lo absoluto, sino presentar simplificaciones matemáticas muy conocidas que se pueden utilizar para analizar el comportamiento de las máquinas. Los resultados de este tipo de análisis no serán teóricamente exactos, pero corres ponden muy aproximadamente al comportamiento experimental, de modo que es factible tomar decisiones seguras respecto a un diseño y sus características de operación. Considérense dos cuerpos que se ven forzados a estar en contacto el uno con el otro, con o sin movimiento relativo entre ellos, como por ejemplo, el bloque 3 y
- 453. FUERZAS ESTÁTICAS 437 lasuperficie del eslabón 2 que aparecen en la figura 12-160. El eslabón 4 ejerce una fuerza F43 sobre el bloque 3, que tiende a obligarlo a deslizarse en relación con la ranura 2. Sin la presencia de la fricción dentro en la superficie entre los eslabones 2 y 3, el bloque se deslizaría en la dirección de la componente horizontal de F43 y el equilibrio no sería posible a menos que F43 fuera perpendicular a la ranura. Sin embargo, con fricción, se desarrolla una fuerza resistente Fh en la superficie de contacto, como se ilustra en los diagramas de cuerpo libre de la figura 12-16b. Es ta fuerza de fricción Fh actúa además de la fuerza de restricción usual F�3 a través de la superficie de la junta deslizante, y junto con las fuerzas F�3 y Fh forman una fuerza total F23 que se balancea con F43para mantener al bloque en equilibrio. Por supuesto, las fuerzas de reacción F32 y F�2, están actuando también simultánea mente sobre el eslabón 2, como se muestra en el otro diagrama de cuerpo libre de la figura 12-16b. La fuerza F�3 y su reacción F�2 se conocen comofuerzas defric ción. Dependiendo de los materiales de los eslabones 2 y 3, existe un límite para la magnitud de la fuerza Fh , que puede ser desarrollada por la fricción mientras se mantiene todavía el equilibrio. Este límite está dado por la relación (a) (el (b) (d) Figura 12-16. Representación matemática de las fuerzas de fricción: a) sistema flsico; b) diagramas de cuerpo libre; e) fricción estática y de Coulomb; d) fricción viscosa.
- 454. 438 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (12-22) en donde ¡.t, que se define como el coef iciente de fricción estática, es una pro piedad característica de los materiales en contacto. Se han determinado experimen talmente valores del coeficiente ¡.t para muchos materiales, y estos se pueden en contrar en la mayor parte de los manuales de ingeniería.t Si la fuerza F43 se inclina demasiado, de tal manera que su componente ho rizontal y , por ende, Fh son demasiado grandes para satisfacer la ecuación (12-22), el equilibrio no es posible y el bloque se deslizará en relación con el esla bón 2, con una velocidad aparente VB312' Cuando se produce el deslizamiento, la fuer za de fricción toma el valor (12-23) en donde ¡.te es el coe ficiente de f ricción de deslizamiento. La fricción de desli zamiento se denomina muy a menudo fricción de Coulomb, y ese término se uti lizará aquí con frecuencia. También se puede hallar experimentalmente el coefi ciente ¡.te y es un poco menor que JL para la mayor parte de los materiales. En la figura 1 2-16c se presenta una gráfica de la fuerza de fricción Fh contra la velocidad aparente VBlI2• Aquí se puede ver que cuando la velocidad de desli zamiento es cero, la fuerza de fricción Fh puede tener cualquier magnitud entre JLF�3 y -JLF�3. Cuando la velocidad no es cero, la fuerza de fricción Fh desciende ligeramente en magnitud hasta el valor JLeF�3 , Y tiene una dirección que se opone al movimiento de deslizamiento, VB3/2' Se se examina la fuerza total F23 en la figura 1 2-16b, se observa que está in clinada formando un ángulo � para ser igual y opuesta a F43, siempre que el sis tema esté en equilibrio. Cuando F43 está inclinada de tal modo que el bloque está justo a PijIlto de deslizarse, el ángulo � está dado por o bien, 02-24) En ángulo 4>, conocido como ángulo de f ricción, define el ángulo máximo hasta el cual se puede inclinar F23 en relación con la normal a la superficie, antes de que se pierda el equilibrio y ocurra el deslizamiento. Nótese que 4> no depende de la mag nitud de la fuerza F23 , sino sólo del coeficiente de fricción para los materiales. Aunque las fuerzas de resistencia en una máquina pueden ser predominan temente fricción de Coulomb, a veces es más conveniente analizar el comporta miento de la máquina empleando otra clase de fuerza resistente, llamada fricción viscosa o amortiguamiento viscoso. La situación es prácticamente la misma por lo tVéase, por ejemplo, D.B. Dalias (ed.), Tool and Manuf acturing Engineers Handbook, 3d OO., McGraw-HilI, New York, 1 976, pp. 41-12.
- 455. FUERZAS ESTÁnCAS 439 querespecta a los diagramas de cuerpo libre de la figura 12-16b. No obstante, en el caso de fricción viscosa, se supone que la fuerza de fricción Fh está dada por Fh = -CVay2 (12-25) en donde c es el coeficiente de amortiguamiento viscoso, llamado en ocasionesfac tor de amortiguamiento o constante de amortiguamiento viscoso. Como se ve en la gráfica de la figura 12-16d, esta fuerza de fricción tiene una relación lineal con la velocidad. Esto es particularmente útil cuando el análisis de la respuesta dinámica de una máquina o un sistema conduce a una o más ecuaciones diferenciales. La relación no lineal de la fricción de Coulomb, que se muestra en la figura 12-16c, lleva a una ecuación diferencial no lineal que es más difícil de manejar. Ya sea que el efecto de fricción provenga de una fricción viscosa, de Coulomb o estática, es importante reconocer el sentido de la fuerza de fricción. Como recur so nemoténico, la regla se expresa a menudo como sigue: " la fuerza de fricción se opone al m ovimiento" , com o lo muestra el diagrama de cuerpo libre del eslabón 3, figura 12-16b, en donde el sentido de Fh es opuesto al de VB3/2• Esta regla prác tica no es errónea si se aplica con cuidado; pero puede ser peligrosa. Se observará en la figura 12-16a que hay dos movimientos que se podrían considerar, VB3/2 Y VB2/3; se tienen también dos fuerzas de fricción F23 yF·h.Si se examina con cuidado la figura 12-16b, se verá que Fh se opone al sentido de VB3/2 , mientras que F�2 se opone al sentido de VB2/3. En sistemas de máquinas, en donde, con frecuencia, los dos lados de una junta deslizante están en m ovimiento, es importante comprender cuál fuerza de fricción se opone a cuál movimiento. 12-12 ANÁLISIS DE FUERZAS ESTÁTICAS CON FRICCIÓN A continuación se mostrará el efecto de incluir la fricción en los métodos antes vis tos de análisis de fuerzas estáticas, presentando un ejemplo. Ejemplo 12-6 Repítase el análisis de fuerzas estáticas del sistema de leva y seguidor que se analizó en el ejemplo 12-2 , figura 12-8, suponiendo que se tiene un coeficiente de fricción estática de 0. 15 entre los eslabones 1 y 4, en los dos cojinetes de deslizamientos B y D. La fricción en todas las demás articulaciones se considera despreciable. Determínese la fuerza mínima necesaria en A para mantener el sistema en equilibrio. SOLUCIÓN Como siempre que se inicia un análisis de fuerzas con fricción, es necesario resolver primero todo el problema sin fricción. El propósito es hallar la dirección de cada fuerza normal, en este caso FlI y Fl>. Esto se hizo en el ejemplo 12-2, en donde se encontró que tanto F8 como Fv actúan hacia la derecha en la figura 12-&. El siguiente paso en la solución es examinar con cuidado el enunciado del problema y deter minar la dirección del movimiento inminente. Como se expresa, el problema pide la fuerza mí nima en A para mantener el equilibrio; es decir, si FA fuera de cualquier magnitud menor, el sis tema se movería hacia abajo. Por consiguiente, el movimiento inminente es hacia abajo con las velocidades VV<l1 y V8<11 , por ende, las dos fuerzas de fricción en B y D deben actuar hacia arriba sobre el eslabón 4. Nótese que si el enunciado del problema hubiera pedido la fuerza máxima en
- 456. 440 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS F B (b) (a) Figura 12-17. Ejemplo 12-6. A, el movimiento inminente del eslabón 4 sería hacia arriba y las fuerzas de fricción, hacia abajo sobre el eslabón 4. A continuación se vuelve a dibujar el diagrama <le cuerpo libre del eslabón 4, figura 1 2-Sc, y se incluyen las fuerzas de fricción, como se indica en la figura 1 2-170. En este caso, debido a la fricción estática, las líneas de acción de FB Y FD se muestran inclinadas formando el ángulo <1>. que se puede calcular aplicando la (12-24) <1> = tan-I 0.15 = SS (1) Al decidir la dirección de inclinación de los ángulos <1>, fue necesario conocer tanto la dirección de las fuerzas de fricción (hacia arriba) como la de las fuerzas normales (hacia la derecha) en B y D. Esto explica por qué se debe realizar primero la resolución sin fricción. Ahora que se conocen las nuevas líneas de acción de las fuerzas FB Y FD , se puede desarrollar la solución exactamente como se hizo en el ejemplo 12-2. En la figura 12-17b se tiene la solución gráfica con fricción, en donde se encuentra que Resp. FB = 2S.7 N y FD = 6.57 N Nótese que las componentes normales de las dos fuerzas en B y D son ahora F'B = 28.4 y p� = 6.50, y son diferentes de los valores que se tienen sin fricción. Por ende, ya sea que se esté resolviendo un problema de fuerzas de fricción gráfica o analíticamente, es incorrecto limitarse a multiplicar las fuerzas normales sin fricción por el coeficiente de fricción, para determinar las fuerzas de fricción. Todas las fuerzas pueden cambiar en magnitud cuando se incluye la fricción, y el problema se debe resolver por completo desde el principio, incluyendo este nuevo factor. El efecto de la fricción no sepuede agregar por superposición en una etapa posterior. PROBLEMAs t 12-1 En la figura se muestran cuatro mecanismos y las fuerzas o momentos de torsión externos ejer cidos sobre los mecanismos o por éstos. Hágase un esquema del diagrama de cuerpo libre de cada pieza de cada mecanismo, incluyendo el marco. No se intente mostrar las magnitudes de las fuerzas, excepto en forma aproximada, pero trácense en las direcciones apropiadas. t A menos que se indique lo contrario, resuélvanse todos los problemas sin fricción.
- 457. FUERZAS ESTÁncAS 441 (a) (6) A pF 2 1 F p (d) Problema 12-1 12-2 ¿Qué momento MIZ se debe aplicar a la manivela del mecanismo de la figura, si PB 900 N? 12-3 Si MI2 100 N · m para el mecanismo ilustrado, ¿qué fuerza PB es necesaria para mantener el equilibrio estático? 12-4 (a) Encuéntrense las reacciones del marco y el momento de torsión MI2 necesarios para mantener el equilibrio del eslabonamiento de cuatro barras que se ve en la figura. (b) ¿Qué momento de torsión se debe aplicar al eslabón 2 del mecanismo ilustrado con el fin de mantener el equilibrio estático? Trácense diagramas completos de cuerpo libre de los eslabones 1 y 4. Problemas 12-2 Y 12-3 02A = 75 mm; AB = 350 mm.
- 458. 442 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (al Problema 12-4 a) y b) Ü¡A 2 pulg. 3.5 pulg; AB = O.B Problema 12-5 02A 020. = 60 mm. 100 mm; AB (b) 6 pulg; O.C = 4 pulg; O.D 7 pulg; 020. 125 mm; O.C = 200 mm; CD = 400 mm; 12-5 ¿Qué fuerza P es necesaria para el equilíbrio del eslabonamiento que se muestra? Hágase el es quema de un diagrama completo de cuerpo libre de cada eslabón. 12-6 (a) Determínese el momento de torsión M12 que se requiere para impulsar la corredera 6 de la fi- gura, contra una carga P 100 lb, para un ángulo de la manivela de (} = 30°, o según el que indique el profesor. lb) ¿Qué momento de torsión M12 se debe aplicar al eslabón 2 del eslabonami!;nto de cuatro barras ilustrado para conservar el equilibrio estático? Háganse esquemas de los diagramas de cuerpo libre de los eslabones 1 y 3, Y hállense las fuerzas que actúan. 12-7 Encuéntrense la magnitud y la dirección del momento que se depe aplicar al eslabón2 para impul sar el eslabonamiento contra las fuerzas indicadas. Hágase el esquema de un diagrama de cuerpo libre de cada eslabón y muéstrense todas las fuerzas que actúan. 12-8 En la figura se muestra un eslabonamiento de cuatro barras con las fuerzas externas aplicadas en los puntos B y C. Hállese el par qUe es preciso aplicar al eslabón 2 con el fin de mantener el equilibrio. Trácese un diagrama de cuerpo libre de cada eslabón, incluyendo el marco, y muéstrense todas las fuer zas que actúan sobre cada uno de ellos. 12-9 Trácese un diagrama de cuerpo libre de cada uno de los elementos del mecanismo que se ve en la figura y encuéntrense la magnitud y dirección de todas las fuerzas y todos los momemos. Calcúlense la magnitud y dirección del par que es preciso aplicar al eslabón 2 para conservar el equilibrio estático. 12-10 Determínense la magnitud y dirección de las fuerzas que se deben aplicar al eslabón 2 para man tener el equilibrio estático.
- 459. FUERZAS ESTÁTICAS 443 12-11En cada caso ilustrado, el piñón 2 es el impulsor, el engrane 3 es loco, los engranes tienen pasos diametrales de 6 y ángulos de presión de 20° . Para cada caso hágase el esquema de un diagrama de cuerpo libre del engrane 3 y muéstrense todas las fuerzas que actúan. 10' I ! a) El piñón 2 gira a 600 rpm y transmite 18 hp al juego de engranes. b) y e) El piñón 2 gira a 900 rpm y transmite 25 hp al juego de engranes. I (a) A Problema 12-6 a) OlA = 2.5 pulg; 048 1 6 pulg; BC = 8 pulg. b) OlA 250 mm; AB 400 mm; AC = 0,04 700 mm; O.C 350 mm. Problema 12-7 02A 4 pulg; AB = 14 pulg; AC = 18 pulg; BC 8 pulg; O,D 7 pulg; O,C 10 pulg; 0204 = 14 pulg. 12-12 Un piftón recto de 15 dientes tiene un paso diametral de 5 y un ángulo de presión de 20°, gira a 600 rpm e impulsa a un engrane de 60 dientes. Se transmiten 25 hp. Trácese un diagrama de cuerpo libre de cada engrane, mostrando en él las componentes tangencial y radial de las fuerzas, así como sus direcciones apropiadas.
- 460. 444 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS PB= 120 1b A ��--��--- -----�- (a) Problema 12..11 Problema }2..8 02A = 75 mm; AB = O.C = 200 mm; AC = 300 mm; BC = 150 mm; Oz04 = 400 mm. Problema 12-9 02A = 4 pulg; AB = 14 pulg; AC 10 pulg; BC = 5 pulg; O.C = 020. 8 pulg; CD = 4 pulg; O.D = 6 pulg. Problema }2 ..10 OlA 3 pulg; AB = 7 pulg; AC = 14 pulg; BC = 8 pulg.
- 461. 6P, 36 D 4 z (al Problema12-16 FUERZAS ESTÁTICAS 445 Problem 12-13 j r1.28" 24 D�, I ) I I I I , ---, I _.--J I -+---'--Tx I I 31 I �"2.5" 18T, 6P -� 2" _----L z (b) 12-13 El piñón de 16 dientes montado en el eje 2 gira a 1 720 rpm y transmite 5 hp al tren de engranes de doble reducción. Todos los engranes tienen un ángulo de presión de 20°. En la figura se dan las distan cias entre los centros de los cojinetes y los engranes para el eje 3. Encuéntrense la magnitud y dirección de la fuerza radial que cada cojinete ejerce contra este eje. 12-14 Resuélvase el problema 12-1 1 suponiendo que cada pifión tiene dientes helicoidales de mano derecha con un ángulo de hélice de 30° y un ángulo de presión normal de 20° . Por supuesto, todos los engranes en el tren son helicoidales y el paso diametral normal es de 6 dientes por pulgada, en cada caso. 12-15 Analícese el eje de engrane del ejemplo 12-5 y calcúlense las reacciones en los cojinetes Fe Y FlJo 12-16 En cada una de las transmisiones de engranes cónicos ilustradas en la figura, el cojinete A soporta tanto una carga de empuje como una carga radial, mientras que B sólo admite una componente radial pura. Calcúlense estas cargas sobre los cojinetes. Los dientes están cortados con un ángulo de presión de 20° . (a) T! = - 1 801 Ib · pulg. (b) T, = -240k lb · pulg.
- 462. 446 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 1" I 7' "8 l' 8 -- x Problema 12-17 12-17 En la figura se muestra un tren de engranes compuesto de un par de engranes helícoidales y un par de engranes cónicos rectos. El eje 4 es la salida del tren y entrega 6 hp a la carga a una velocidad de 370 rpm. Los engranes cónicos tienen un ángulo de presión de 20°. Si el cojinete E debe soportar tanto una carga de empuje como radial, mientras que el cojinete F sólo admite una carga radial, determínese la fuerza que estos cojinetes ejercen contra el eje 4. 12-18 Con los datos del problema 1 2-17, calcúlense las fuerzas ejercidas por los cojinetes e y D sobre el eje 3. ¿Cuál de estos cojinetes debe absorber la carga de empuje si el eje se va a cargar en compresión? Los engranes helicoidales tienen un ángulo de presión transversal de 20°. 12-19 La fotografía muestra la nueva grúa flotante Figee que tiene una configuración de lemniscata en la pluma. También se muestra un diagrama esquemático de la grúa. La capacidad de levantamiento es de 1 6 t (l t = 1 tonelada métrica = I 000 kg) incluyendo el cucharón; el contenido de las tenazas es alrededor de 10 t. El alcance máximo es de 30 m que corresponde a 62 49". El alcance mínimo es de 10.5 m con O2 = 132°. En el pie de la figura se dan otras dimensiones. Para la posición de alcance máximo y una carga en el cucharón de 10 t , calcúlense las reacciones en los cojinetes en A, B, O2• Y O. así como el momento M'2 requerido. Nótese que la fotografía muestra un contrapeso en el eslabón 2. Hágase caso omiso de este peso así como del peso de los elementos. Problema 12-19 (cont.)
- 463. FUERZAS ESTÁTICAS 447 12-20Repítase el problema 12-19 para la posición de alcance mínimo. 12-21 Repítase el problema 1 2-6a suponiendo los coeficientes de fricción de Coulomb 11-< = 0.20 entre los eslabones 1 y 6, Y 11-, = 0. 10 entre los eslabones 3 y 4. Determínese el momento de torsiÓn M12 necesario para impulsar el sistema, incluyendo la fricción contra la carga P. 12-22 Repítase el problema 1 2-10 suponiendo un coeficiente de fricción estática 11- = 0.15 entre los eslabones 1 y 4. Determínese el momento de torsión Ml2 necesario para vencer la fricción. (al -- I I Problema 12-19 a) Grúa flotante Figee con configuración de lemniscata en la pluma; b) diagrama es mático (véase la página 446). Las dimensiones en metros son Ü:!A 14.7, 04B 19.3, AB 6.5. AC 22.3, BC "" 16. (La fotografía y los detalles acerca de las dimensiones se publican con auto rización de B. V. Machine f abriek Figee, Haarlem, Holanda.)
- 464. CAPÍTULO TRECE FUERZAS DINÁMICAS 13-1 ANÁLISISDE FUERZAS EN CUERPOS RÍGIDOS Y ELÁSTICOS Cuando un badajo golpea una campana, ésta suena. Las características del tañido, tales como la frecuencia, la sonoridad, la duración y el tono dependen de la geometría de la campana y el material con que se fabricó. Cuando se fabrican con un material inelástico, como el plomo o la masilla, no sonarán; por consiguiente, las campanas se hacen con materiales muy elásticos, como el vidrio o el acero duro. El análisis del tañido de una campana y otros sistemas vibrantes se conoce con el nombre de análisis de los cuerpos elásticos. Se aplica este análisis cuando se desean conocer aspectos tales como la deflexión, deformación, extensión, o bien los movimientos de diversas partículas del cuerpo. Por el contrario se emplea el análisis de los cuerpos rígidos cuando se tiene in terés en el movimiento global de un cuerpo. Se supone que todo el cuerpo es ab solutamente rígido e incapaz de deformarse de alguna manera. El estudio de este capítulo se refiere únicamente al análisis de los cuerpos rígidos. 13-2 CENTROIDES y CENTRO DE MASA Al resolver problemas de ingeniería, se encuentra con frecuencia que las fuerzas se distribuyen de alguna manera sobre una linea, un área o un volumen. Por lo común, no es muy difícil encontrar la resultante de estas fuerzas distribuidas. Para tener el mismo efecto, esta resultante debe actuar en el centroide del sistema; de donde, el centroide de un sistema es un punto en el que se puede considerar que un sistema de fuerzas distribuidas está concentrado, con el mismo e fecto exac tamente.
- 465. y (al Om, r (b) FUERZAS DINÁMICAS449 Figura 13-1 a) Masas concentradas sobre una recta, b) masas concen tradas en un plano. En lugar de un sistema de fuerzas distribuidas, se puede tener una masa dis tribuida. En este caso, el término centro de masa se refiere al punto en el que se puede considerar que está concentrada la masa, de tal modo que se obtenga el mis mo efecto. En la figura l3-la una serie de masas concentradas están localizadas sobre una recta. El centro de masa G o centroide está ubicado en ¡-N � m;x¡ i = -7í�_':'iINC;--- � mi i�¡ m¡x¡+m2X2+m3X) mt+m2+m3 (13-1) En la figura 13-1b, las masas se localizan sobre un plano. Se puede obtener la coordenada x del centro de masa G a partir de la ecuación 13-1. La coordenada y se escribe como (13-2) Este procedimiento puede extenderse hacia masas concentradas en un volumen, escribiendo sencillamente una ecuación como la (13-1) para el eje z. Cuando la masa está distribuida en un plano, a menudo se puede encontrar el centro de masa por simetría. En la figura 13-2 se muestra la ubicación para un (al (b) (e) Figura 13-2
- 466. 450 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 13·3 Forma compuesta. círculo, un rectángulo y un triángulo. Nótese que la intersección de las media nas ubican a G para el triángulo. El área plana de la figura 13-3 tiene una forma compuesta constituida por un área rectangular más un área triangular menos un área circular. Se puede hallar la ubicación de los centroides de las partes Gh O2 y G3 con la ayuda de la figura 13-2. Entonces se localiza el centro de masa G del área compuesta aplicando la ecuación A¡x¡ +Azxz -A3X3 A¡+Az-A3 en donde la expresión correspondiente para y es similar. (13-3) Se puede obtener un conjunto más general de relaciones para la localización de un centroide en un plano, utilizandó la integración en lugar de la suma. Así, pues, las relaciones se convierten en (13-4) en donde x' y y' son las distancias al centroide del área dA, medidas en dirección paralela a los ejes x y y. respectivamente. Para cuerpos tridimensionales, las ecuaciones (13-4) se pueden escribir en términos de masas en lugar de áreas; en tal caso, las ecuaciones quedan Z = �IZ' dm (13-5)
- 467. FUERZAS DINÁMICAS 451 13-3MOMENTO DEINERCIA Otro problema que se presenta a menudo cuando las fuerzas están distribuidas sobre un área, es el que consiste en calcular su momento en torno a un eje espe cificado. En ocasiones, la intensidad de la fuerza varía de acuerdo con su distancia al eje del momento. Un análisis matemático de este tipo de problema siempre con duce a una integral de la forma f (distancia)2 x área diferencial. Esta integral se conoce con el nombre de momento de inercia del área. Algunas autoridades en la materia prefieren denominar a esta integral segundo momento del área, afirmando que un área no puede poseer inercia y, por ende, el término "momento de inercia" para una integral de esta naturaleza es un error. Sin embargo, el término se utiliza con amplitud y es preciso aprender a vivir con él. Las fórmulas para los segundos momentos de área en torno a los ejes x y y son, respectivamente, Ix = ry2dA y (13-6) En este caso, Iy e Ix reciben el nombre de momentos rectangulares de inercia; y la integral (13-7) se conoce como momento polar de inercia del área. Una relación entre las ecua ciones (13-6) y (13-7) es Jz=Ix +Iy En ocasiones, el momento de inercia se expresa en la forma 1=k2A en donde, por supuesto, (13-8) (13-9) (13-10) Aquí, k se conoce como radio de giro; es una medida cuantitativa de la distri bución del área respecto a los ejes del momento. Se han resuelto las ecuaciones (13-6) a (13-10) para las formas más comunes, y en la tabla 4 del apéndice se dan los resultados. Para obtener un momento de iner cia a cualquier distancia especificada d al eje centroidal, úsense las fórmulas de trans ferencia: � - 2 Iy � Iy + Ady (13-11) El momento de inercia de un volumen es un momento de inercia verdadero porque un volumen tiene masa. Sin embargo, para distinguirlo del correspondiente a un área se denomina muy a menudo momento de inercia de masa. En el caso de un volumen, las integrales de inercia son Ix f(y2 + Z2) dm Iy=f(x2 + Z2) dm lz= f(x2 + y2) dm (13-12)
- 468. 452 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Otro conjunto de integrales que pueden aparecer también en los análisis mate máticos son los llamados productos de inercia: Ixy = fxydm Iyz = fyzdm Izx = fzxdm (13-13) Las ecuaciones (13-13) son útiles porque, cuando estas integrales se hacen cero, definen los tres ejes coordenados de un cuerpo llamados ejes principales. Entonces los valores correspondientes de las ecuaciones (13-12) reciben el nombre de mo mentos principales de inercia de masa. La tabla 5 del apéndice se ha obtenido resolviendo las ecuaciones (13-12) para una diversidad de sólidos geométricos. Todos estos momentos de inercia se dan en torno a los ejes principales y, por ende, los productos de inercia se anulan. La forma general de la fórmula de transferencia, o del eje paralelo para el momento de inercia de masa se escribe 1 = le + md2 (13-14) en donde le es el momento principal de inercia e 1 es el momento de inercia en tor no a un eje paralelo que está a una distancia d del eje original. La ecuación (13-14) sólo debe usarse cuando se trasladan los ejes de inercia. La rotación de estos ejes conduce a la introducción de términos de producto. También se usa el término radio de giro con el momento de inercia de masa; las relaciones son le = J(-m (13-15) Ejemplo 13-1 En la figura 13-4 se muestra un prisma de acero soldado a una varilla delgada para formar un péndulo. Suponiendo que la varilla carece de peso, calcúlese el momento de inercia del péndulo en torno a o. Úsese p = 7.80 Mgím' como la densidad de masa del acero. SOLUCIÓN La masa del prisma se calcula como sigue: 1 000 kg/Mg m = abcp = 75(100)(12)(7.8) (1 000 mm/m) ' 0.702 kg Entonces, segúIJ la tabla 5 del apéndice, se encuentra que el momento de inercia de masa del pris ma en torno a su propio centro de masa es m 2 2 0.702 , 2 , la = -(a + e) = --[(75)- + (100) 1 = 914 kg· mm- 12 12 Figura 13-4 Dimensiones en milímetros.
- 469. FUERZAS DINÁMICAS 453 Figura13-5 Ahora se usa la ecuación (13-14) para hacer la transferencia al eje que pasa por O. A�í, pues, lo = la+md2 914+(0.702)(25Of 44800 kg' mm ' o bien, en unidades básicas, 1 l o = (44800) (l 000 mm/m)2 0.0448 kg . m' Resp. Ejemplo 13-2 En la figura 13-5 se presenta una biela de fundición hierro. Encuéntrese el momento de inercia de masa de la biela en torno al eje z en unidades gravitacionales ips. Úsese w = 0.260 Ib/pulg3 como unidad de peso de la fundición de hierro. SoLUCIÓN El problema se resuelve hallando el momento de inercia de cada uno de los cilindros de los extremos y del prisma central en torno a sus propios centros de masa. Luego se aplican las fórmulas de transferencia para pasarlos al eje z. La masa de cada cilindro es 1Tlw( d 2 lTI,;,yl = 4g o d ? ) = 1'l{0.75)(0.260)[(3)2 - (l)2J , 4(386) 0.003 17lh . s2/pulg Según la tabla S del apéndice, se encuentra que el momento de inercia de cada cilindro es la.cyl.= i"<d;+dr> 0.00 ;17 [(3)2 + (1)2) 0.003 96 lb . 52 . pulg La masa del prisma central es nIp, = ab;w= 0.75(1)��(0.260) = 0.00657 lb . s2/pulg Luego, el momento de jnercia del prisma en torno a su centro de masa es m 0.00657 la.p, = 12 (b2+el) = - 1 - +(3?1 = 0.005 48 lb . 52 • pulg Al aplicar la fórmula de transferencia, se obtiene finalmente 1, = le.eyl+(la.eyl+lTI,;,yld�yl)+(la.p,+fflprd�,) = 0.003 96 + [0.003 96+(0.003 l7)(l6fJ + [0.005 48 + (0.00657)(8)2] 1.25 lb . 52 . pulg Resp. 134 FUERZAS DE INERCIA Y PRINCIPIO DE D'ALEMBERT Considérese un cuerpo rígido en movimiento de masa m que recibe la acción de cualquier sistema de fuerzas, por ejemplo, F" F2 Y F3, como se ilustra en la figura
- 470. 454 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS y o�------------------x (al Figura 13-6 y o�-------------------x (b) 13-6a. Desígnese el centro de masa del cuerpo como el punto G y encuéntrese la resultante del sistema de fuerzas a partir de la ecuación (a) En el caso general, la línea de acción de esta resultante no pasará por el centro de masa, sino que estará desplazada cierta distancia, por ejemplo la distancia h, como se indica en la figura. En ei estudio de la mecánica se demuestra que el efecto de este sistema de fuerzas no balanceado es producir aceleraciones lineales y angulares cuyos valores están dados por (13-16) (13-17) en donde Aa es la aceleración del centro de masa y a es la aceleración angular de m (Fig. 13-6b). La cantidad I F es la resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo, y I Ma es la suma de los momentos externos junto con los momentos de las fuerzas externas, tomados en torno a G en el plano del movi miento. El momento de inercia de masa se designa como 1 y también se toma con referencia al centro de masa G. Las ecuaciones (13-16) y (13-17) muestran que cuando un sistema no balan ceado de fuerzas actúa sobre un cuerpo rígido, éste experimenta una aceleración lineal Aa de su centro de masa en la misma dirección que la fuerza resultante I F; que el cuerpo experimenta también una aceleración angular a, debido a los momentos de las fuerzas y los momentos de torsión en torno al centro de masa, en la misma dirección que el momento resultante I Mo. Si se conocen las fuerzas y los momentos, se pueden usar las ecuaciones (13-16) y (13-17) para determinar las aceleraciones resultantes.
- 471. FUERZAS DINÁMICAS 455 Enel diseño de ingeniería, por lo común se especifica el movimiento de los elementos de la máquina por adelantado, mediante otras necesidades de la má quina. En tal caso, el problema es: dado el movimiento de los elementos de la máquina, ¿qué fuerzas se requieren para producir estos movimientos? Por con siguiente, el problema requiere: 1) un análisis cinemático para determinar las aceleraciones lineales y angulares de los diversos elementos, y 2) una definición de la forma real, las dimensiones y el material de los elementos; de otra manera, no se podrían determinar las masas y los momentos de inercia. En los ejemplos que se demostrarán aquí, sólo se presentarán los resultados del análisis cinemático. La selección de los materiales, la forma y muchas de las dimensiones de los elementos de la máquina es tema del disefio de máquinas y no se examinarán aquí en forma alguna. Puesto que, en el análisis dinámico de las máquinas, los vectores aceleración por lo general se conocen, con frecuencia resulta conveniente una forma alter nativa de las ecuaciones (13-16) y (13-17) al determinar las fuerzas requeridas para producir estas aceleraciones conocidas. En consecuencia, se puede escribir �F-mAo=O � Mo-la=O (13-18) (13-19) Estas dos ecuaciones son vectoriales que se aplican al movimiento plano de un cuerpo rígido. La (13-18) afirma que la suma vectorial de todas las fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo, más la fuerza ficticia -mAo, es cero. La fuerza ficticia - mAa recibe el nombre de fuerza de inercia, y tiene la misma línea de acción que Aa, pero el sentido opuesto. La ecuación (13-19) afirma que la suma de los mo mentos de todas las fuerzas externas en torno a un eje que pasa por G, perpen dicular al plano del movimiento, y los momentos de torsión externos que actúan sobre el cuerpo, más un momento de torsión ficticio - 1 a, es cero. El momento de torsión ficticio -1 a se conoce como momento de torsión de inercia. Este momento de torsión tiene el sentido opuesto al del vector aceleración angular a. Las ecuaciones (13-18) y (13-19) son extremadamente útiles cuando se estudia la di námica de la maquinaria, porque permiten agregar fuerzas de inercia y momentos de torsión al sistema extremo de fuerzas y resolver el problema resultante aplican do los métodos de la estática. Las ecuaciones antes citadas se conocen con el nombre de principio de D'Alembert, porque fue este científico quien primero llamó la atención al hecho de que la adición de fuerzas de inercia al sistema real de fuerzas permitia que se ob tuviera una solución a partir de las ecuaciones de equilibrio. Convendría hacer notar que las ecuaciones también se pueden escribir (13-20) en donde se sobreentiende que tanto las fuerzas como los momentos externos y de
- 472. 456 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 3 (a) (b) (e) Flgura 13-7 inercia, se deben incluir como términos en ¡ F Y 2: M. La ecuación (13-20) es útil porque permite tomar una suma de los momentos en torno a cualquier eje perpen dicular al plano del movimiento. El principio de D'AIembert se resume como sigue: la suma vectorial de todas las fuerzas externas y las fuerzas de inercia que actúan sobre un cuerpo rígido es cero. La suma vectorial de todos los momentos externos y todos los momentos de torsión de inercia que actúan sobre un cuerpo rEgido también es cero por sepa rado. Las ecuaciones (13-20) se pueden combinar cuando se desea una solución gráfica mediante un polígono de fuerzas. En la figura 13-7a un elemento recibe ac ción de dos fuerzas. externas F43 y F23• La resultante·F43 + F23 produce una ace leración Aa del centro de masa del elemento y una aceleración angular ah debido a que la línea de acción de la resultante no pasa por el centro de masa. Al represen tar el momento de torsión de inercia -la3 como un par, como se ilustra en la figura 13-7b, se eligen intencionalmente las dos fuerzas de este par de tal modo que sean ±mAa. Para que el momento del par tenga la magnitud - la" la distancia entre las fuerzas debe ser h la3 mAG (13-21) Debido a esta elección particular del par, una fuerza del mismo cancela exacta mente a la propia fuerza de inercia y deja sólo una fuerza, como se observa en la figura 13-7c, que incluye los efectos combinados de la fuerza de inercia y el mo mento de torsión de inercia. Ejemplo 13-3 Determínese la fuerza FA que se requiere para producir una velocidad VA 12.6 pie/s para el mecanismo que aparece en la figura B-Sa. Supóngase que el eslabonamiento está en el plano horizontal, de tal modo que la gravedad actúa en sentido normal al plano del movimien to; supóngase también que no hay fricción. El eslabón 3 pesa 2.20 lb e 1, = 0.0479 lb· 52 • pulg.
- 473. FUERZAS DINÁMICAS 457 (a) (e) A�A=713pie/s AB-888pie/s2 b�__-L____��______�Oa g AG-444 pie/sÍ (b) Figura 13 ..8 OB = 6 pulg; OA 8 pulg; AG = S pulg. SoLUCIÓN 'Un análisis cinemático de las aceleraciones proporciona la información que se mues tra en la figura 13-8b. La aceleración angular es A�A 713 856 dI a, RBA = 10/12 = fa S mmr La masa del eslabón 3 es m = Wlg = 2.201386 = 0.0057 lb . s2/pulg. Entonces la (13-21) da h IG¡a3 - (O.0479)(856r· 1.35 pulg mAG - (0.0057)(444)(12) En la figura 13-8c se dan el diagrama de cuerpo libre y el poUgono de fuerzas resultante. Nótese que la fuerza de inercia -mAG está desplazada respecto a G la distancia h, de manera que se produzca un momento de -la) en torno a G, y que -mAa tiene el sentido opuesto al de Aa. La reacción en B es F43 y está verticalmente hacia abajo debido a que se hace caso omiso de la fricción. Las fuerzas en A son la fuerza actuante FA y la reacción del bloque F2}. que es horizon tal, debido también a que se desprecia la fricción. El punto de concurrencia es la intersección de -mAG y F43• de las cuales se conocen las direcciones. La línea de acción de FA+F", de la fuerza total en A, debe pasar por el punto de concurrencia. Este hecho permite la I construcción de polígono de fuerzas. As! pues, se conoce la dirección de las fuerzas desconocidas FA Y F23 , Y se encuentran como componentes de FA + Fn, como se ilustra en la figura. Midiendo se encuentra que la fuerza actuante es FA = 27j lb Resp.
- 474. 458 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 13-5 PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN Sistemas lineales son aquellos en los que el efecto es proporcional a la causa. Esto significa que la respuesta o salida de un sistema depende directamente del impulso, o entrada, al mismo. Un resorte es un ejemplo de sistema lineal; la deflexión de un resorte (salida) es proporcional a la fuerza (entrada) que se ejerza sobre el mismo. Se aplica el principio de superposición para resolver los problemas, consi derando por separado cada uno de los impulsos o entradas a un sistema. Si éste es lineal, se pueden sumar, o superponer, las respuestas a cada una de estas entradas, unas a otras, para determinar la respuesta total del sistema. Por consiguiente, el principio de superposición afirma que para los sistemas lineales se pueden super poner las respuestas individuales a varias perturbaciones, ofunciones impulsoras, para obtener la respuesta total. Entre los ejemplos de sistemas no lineales a los que no se aplica el principio de superposición están los resortes que se hacen cada vez más rígidos mientras más se deforman, la fricción de Coulomb en sistemas, y los sistemas con holgura o juego. 13-6 EJEMPLO DE ANÁLISIS GRÁFICO Ya se han demostrado todos los principios que se requieren para llevar a cabo un análisis completo de fuerzas dinámicas de un mecanismo de movimiento plano. Los pasos para hacer este tipo de análisis se pueden resumir como sigue: l. Hágase un análisis cinemático del mecanismo para hallar la aceleración angular de cada eslabón o elemento. Localícese el centro de masa de cada eslabón y determínense las aceleraciones de estos puntos. 2. Con el valor o los valores dados de la fuerza o momento de torsión que debe en tregar el seguidor, hágase un análisis completo de las fuerzas estáticas del mecanismo. Los resultados de este análisis incluirán entonces las magnitudes y direcciones de las fuerzas y momentos de torsión que actúan sobre cada elemen to. Obsérvese en particular que se trata de un análisis de fuerzas estáticas y ' quee no se incluyen las fuerzas o momentos de torsión de inercia. ' 3. Utilizando los valores dados de las masas y momentos de inercia, así como las aceleraciones angulares y lineales halladas en el paso 1, calcúlense las fuerzas de inercia y los momentos de torsión de inercia para cada eslabón o elemento del mecanismo. Considerando a éstas como fuerzas aplicadas. Hágase un análisis de cuerpo libre de cada elemento del mecanismo completo a fin de hallar el efecto total de todas las fuerzas y todos los momentos de torsión de inercia. 4. Hágase la suma vectorial de los resultados de los pasos 2 y 3 para obtener las fuerzas y los momentos de torsión resultantes para cada elemento de la má quina. Ejemplo 13-4 Hágase un análisis completo de las fuerzas dinámicas del eslabonamiento de cuatro barras que aparece en la figura 13-9. Las cantidades dadas están incluidas en el pie de la figura,
- 475. Ac -492 pie/s2 e AA�900 pie/s2 AG . -758 pie/s 2 FUERZAS DINÁMICAS 459 Figura 13-9 OlA = 3 pulg, AB = 20 pulg, O,B 10 pulg, 0204 14 pulg, 04G, = 5.69 pulg, AG, = 10 pulg, Be = 6 pulg, O,C = 8 pulg, W2 60 rad/s, al = O rad/s2, W3 = 7.13 lb, le;, = 0.625 Ib·s2• pulg, W. = 3.42 lb, la. = 0.037 Ib·s2• pulg. Las posiciones angulares de los diversos eslabones se han calculado para la posición dada del eslabón 2, y se indican en la figura. SOLUCIÓN El primer paso consiste en llevar a cabo el análisis cinemática del mecanismo. Este paso no se incluye aquí, pero en la figura 13-9 se da el polígono de aceleraciones resultante del análisis. Los resultados numéricos se muestran en el polígono, en caso de que el lector desee verificarlos. Mediante los métodos del capítulo 4, se encuentra que la aceleración angular de los eslabones 3 y 4 0:; 148 rad/s" cmr 0:, 604 rad/s" mmr Una parte importante del análisis se refiere a los eslabones 3 y 4, porque el centro de masa del eslabón 2 está localizado en 0,. Los diagramas de cuerpo libre de los eslabones 4 y 3 se muestran por separado en las figuras 13-10 y 13-11, respectivamente. Obsérvese también que estos dia gramas están dispuestos en forma de ecuación para simplificar su lectura. Por consiguiente, en cada ilustración las fuerzas en (a) más las de {h} y (e) producen las resultantes que aparecen en (d). Los dos conjuntos de ilustraciones también están correlacionadas; por ejemplo, F;. de la figura l3-lOa es igual a -F., de la figura 13-11a, etc. El siguiente análisis no es difícil, pero sí complicado; léase con lentitud y examínense con cuidado las ilustraciones, detalle por detalle. Empíecese con el eslabón 4 de la figura l3-10a. Procediendo según las investigaciones an teriores, se hacen los siguientes cálculos: Ir;,(l4 O.037(604l 22.3 lb . pulg 3.42(349) 1tl4A(;, = 32.2 37.1 lb I(i,0:4 _ 22.3 m.A", - 37.1 0.602 pulg
- 476. f�4 -m4AG �F{4 (a) + lb) + �--- � (e) Fe F"� 14 F'" 34 fe (d) -m4AG4 Fe e Figura 13-10Diagramas de cuerpo libre del eslabón 4; -m4Aa, 37. 1 lb, F'�4 = 24,3 lb, Fj4 44.3 lb, F�4 = -Fr. -FX3 = 94.8 lb, Fe 40 lb, F�.í 25 lb, F'{;' = 19.3 lb, F14 94.3 lb, FI4 132 lb, � @ � )- g 3: )-, 1:) c: Z � -< � � � (Il
- 477. FUERZAS DINÁMICAS 461 Ahora,la fuerza - m.AG, = 37.1 lb se coloca en el diagrama de cuerpo libre con dirección opuesta a AG, y fuera de centro respecto a O. en la distancia h•. La dirección de la excentricidad es la que se necesita para producir un momento de torsión en torno a O. opuesto a lG,a•. La dirección de F.. se toma a lo largo del eslabón 3. La intersección de F3. y -m.AG, da el punto de concurren cia y establece la dirección de Fí•. Ahora se puede construir el polígono de fuerzas y hallarse las magnitudes de Fí4 y Fí•. Estos valores se dan en el pie de la figura. A continuación sígase con la figura 13-110. Ahora se conocen las fuerzas F;n y Fí, gracias al análisis anterior. Ahora, pásese a la figura 13-11b y al eslabón 3, y hágase los cálculos IG,a3 = 0.625(148) = 92.5 lb . pulg m3AGJ = �2�;(758) = 1681b h = � = 92.5 = O 550 I 3 m3Ac;, 168 . pu g Localícese la fuerza de inercia -m,Arrt = 168 lb en el diagrama de cuerpo libre, con dirección opuesta a AG" Y fuera de centro una distancia h, en relación con O" de modo que se produzca un momento de torsión en torno a 03, con dirección opuesta a a3' La dirección de F43 es a lo largo de la recta RO•. Las fuerzas -m3ACrt Y F4, se intersecan para determinar el punto de concurren cia. Por ende, se conoce la dirección de F:;3 y se puede construir el polígono de fuerzas. Los valores resultantes de F43 y F23 se incluyen en el pie de figura. En la figura 13-lOb, ahora se conocen las fuerzas F34 y Fr. que actúan sobre el eslabón 4, gracias al análisis que se acaba de realizar. En las figurs 13-lOe y 13-11e se presentan los resultados del análisis de fuerzas estáticas siendo Fe = 40 lb la cantidad dada. El polígono de fuerzas de la figura 13-10e determina los valores de las fuerzas que actúan sobre el eslabón 4 y, a partir de ésta, se encuentran la dirección y magnitud de las fuerzas que operan sobre el eslabón 3. El siguiente paso es una adición vectorial de estos resultados ya obtenidos, como se indica en (d) de cada figura. El análisis se completa tomando la fuerza resultante F" de la figura 13-11d y aplicar su ne gativa, Fn. :tI eslabón 2. Esto se hace en la figura 13-12. La distancia h, se encuentra por me dición. El momento de torsión externo que se debe aplicar al eslabón 2 es TIc = h,F" = 1.56(145) = 226 lb . pulg mmr Nótese que este momento de torsión tiene dirección opuesta a la de la rotación del eslabón 2. 13-7 ROTACIÓN ALREDEDOR DEUN CENTROFIJO Las secciones previas se ocuparon del caso general de las fuerzas dinámicas para un cuerpo rígido que tiene un movimiento combinado de traslación y rotación. Es importante hacer hincapié en que las ecuaciones y los métodos de análisis inves tigados en estas secciones son generales y se aplican a todos los problemas de movimiento plano. Será interesante ahora estudiar la aplicación de estos métodos a un cuerpo rígido que gira en torno a un centrofijo. Supóngase un cuerpo rígido restringido a girar en torno a algún centro fijo 0, que no coincide con el centro de masa G (Fig. 13-13a). Se va a aplicar al cuerpo un sistema de fuerzas (que no se indica), haciendo que adquiera una aceleración angular a. También se incluye el hecho de que el cuerpo está girando con una
- 478. 462 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS + F'" 23 (e) F'" A 23�,: ��- (d) FU' 43 F'" 43 B �r / ¡ ¡ i I I I I jF¡; J<lgura 13·11 Diagramas de cuerpo libre del eslabón 3; Fh -F2, "" -F4 = 24.3 lb. -m,Aa. = 168 lb, F�3 94.8 lb, F�.l 145 lb, F� = -F13 = -F�� 25 lb. F43 = -F'4 = 94.3 lb, F23 145 lb. Figura 13·12 Diagrama de cuerpo libre del eslabón 2; F'2 -Fn -F12 = 145 lb, TI2 226lb·pulg.
- 479. FUERZAS DINÁMICAS 463 velocidadangular w. Este movimiento del cuerpo significa que el centro de masa tendrá componentes transversales y radicales de aceleración Ab y Ad, cuyas magnitudes son, respectivamente, roa y row2• Por ende, si la fuerza exterior resul tante se resuelve en sus componentes transversal y radial, éstas deberán tener las magnitudes y (a) según la ecuación (13 -16). Además, la (13-17) afirma que debe existir un momento de torsión externo para crear la aceleración angular y que la magnitud de este momento de torsión es TG la. Si ahora se suman los momentos de estas fuerzas en torno a 0, se tiene l: Mo = la + ra{mrGa) = (l+ mr'b)a (b) (a) (b) {el (di Figura·13-13
- 480. 464 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Pero, la cantidad entre paréntesis en la ecuación (b) es idéntica a la ecuación (13- 14) Y transfiere el momento de inercia hacia otro eje que no coincide con el centro de masa. Por ende, la (b) se puede escribir en forma vectorial como ¿ Mo= loo. Entonces las ecuaciones (13-18) y (13-19) se convierten en ¿F- mAo=O (13-23) ¿ Mo - loo.=O (13-24) mediante la inclusión de la fuerza de inercia -m Ao Y el momento de torsión de inercia -loo. (Fig. 13-13e). Se observa sobre todo que el sistema de fuerzas no se reduce a un solo par, debido a la existencia de la componente de fuerza de inercia -mrow2, que carece de brazo de momento en torno a O. Así pues, tanto la (13-23) como la (13-24) son necesarias. Se presenta un caso particular cuando a=O. Entonces, el momento externo Mo es cero y la única fuerza de inercia es, según la figura 13-13e, la fuerza cen trífuga -mrow2. Existe un segundo caso bajo las condiciones de arranque en las que w =O, pero a no es cero. Bajo estas condiciones, la única fuerza de inercia es -mroa, y el sistema se reduce a un solo par. Cuando un cuerpo rígido tiene un movimiento de traslación pura, la fuerza de inercia resultante y la fuerza externa resultante tienen la misma línea de acción, que pasa por el centro de masa del cuerpo. Cuando un cuerpo rígido tiene rotación y aceleración angular, la fuerza de inercia resultante y la fuerza externa resultante tienen la misma línea de acción, pero ésta no pasa por el centro de masa. Loca lícese ahora un punto de la línea de acción de la resultante de las fuerzas de iner cia de la figura 13-13c. La resultante de las fuerzas de inercia pasará por el mismo punto Pde la recta 00 de la figura 13-13e, o en una prolongación de la misma. Esta fuerza se puede resolver en dos componentes, una de las cuales será -mrow2, que actúa a lo largo de la recta OG, Y la otra será - mroa, que actúa perpendicularmente a OG, pero no pasa por el punto G. Se puede hallar la distancia, designada como 1, hasta el punto desconocido P, igualando el momento de la componente -mroa, que pasa por P, a la suma del momento de torsión de inercia y el momento de las fuerzas de inercia que actúan pasando por G. Así pues, al tomar los momentos en torno a O, se tiene o bien, (-mroa)/= -la+(-mroa)ro 1 [=--+rG mro (e)
- 481. FUERZAS DINÁMICAS 465 Substituyendoel valor de 1 dado en la ecuación (13-15), se tiene ,¿ [=-+ra ra (13-25) El puntoP localizado por la (13-25) y que se muestra en la figura 13-13d se conoce con el nombre de centro de percusión. Como se indica, la fuerza de inercia resul tante pasa por P y, en consecuencia, la fuerza de inercia tiene un momento cero en torno al centro de percusión. Si se aplica una fuerza externa en P, perpendicular a OG, se producirá una aceleración angular a, pero la reacción del cojinete en O sera cero, excepto por la componente radial debida a la fuerza de inercia -mraw2. Una de las prácticas comunes en las máquinas para pruebas de choque es aplicar la fuerza en el centro de percusión, con el fin de eliminar la reacción transversal en el cojinete, debida a la fuerza externa. En la (13-25) se muestra que la ubicación del centro de percusión es indepen diente de los valores de w y a. Si el eje de rotación coincide con el centro de masa, ra= O y la (13-25) muestra que [=oo. En esas condiciones no se tiene fuerza de inercia resultante, sino, por el contrario, se tiene un par de inercia resultante - la . Para concluir esta secci6n, se obf>erva que las componentes transversal y radial de la aceleración de G se puede escribir A�=axRa Aá= 00x(00xRa) (13-26) (13-27) en donde Ra es el vector de posición del punto G. Ahora las ecuaciones (a) se pueden expresar en forma vectorial: (13-28) LF'= mwx(wxRa) (13-29) La fuerza externa resultante definida en términos de las componentes transversal y radial, como las dan estas ecuaciones, a menudo resulta útil en el análisis. 13-8 MEDICIÓN DEL MOMENTO DE INERCIA Con frecuencia, la forma de un cuerpo es tan compleja que es imposible calcular el momento de inercia. Considérese, por ejemplo, el problema de hallar el momento de inercia de un automóvil, en torno a un eje vertical que pase por su centro de masa. Para este tipo de problemas por lo general resulta factible determinar el momento de inercia, observando el comportamiento dinámico del cuerpo en res puesta a una entrada conocida.
- 482. 466 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS A muchos cuerpos, por ejemplo, bielas y manivelas, se les da una forma tal que se puede suponer que sus masas están en un solo plano. Si se pueden pesar es tos cuerpos y localizar sus centros de masa, es factible suspenderlos como un pén dulo y hacerlos oscilar. Entonces se puede calcular el momento de inercia de este tipo de cuerpos basándose en la observación de su periodo o frecuencia de osci lación. Como se ilustra en la figura 13-140, la pieza se debe suspender más o menos cerca del centro de masa; pero no en coincidencia con éste. Por lo común no resulta necesario hacer una perforación para suspender el cuerpo; por ejemplo, una rueda o engrane dentado se pueden suspender sobre una cuchilla en el borde. Cuando el cuerpo de la figura 13-14a se desplaza un ángulo O, una fuerza de gravedad mg actúa en G. Al sumar los momentos en torno a O da ¿: Mo - mg(ra sen O) loe = o (a) El objetivo es que el péndulo oscile describiendo sólo ángulos pequefios, de modo que sen O se pueda sustituir por O. Entonces la ecuación (a) se puede escribir (b) Esta ecuación diferencial tiene la bien conocida solución O = el sen �m::a t + e2 cos .Jm::a t (e) en donde el y e2 son las constantes de integración. El movimiento del péndulo se iniciará desplazándolo un ángulo pequefio 00 y soltándolo desde esta posición. Por ende, cuando t O, O = 00, y ó = O. Sustituyendo estas condiciones en la ecuación (e) y su primera derivada permite evaluar las constantes; asi se encuentra el = o y e2 = Oo. Por consiguiente, 0= 00 cos �m::Gt (13-30) (a) (b) Figura 13-14
- 483. FUERZAS DINÁMICAS 467 Puestoque una función coseno se repite cada 3600, el periodo del movimiento en segundos es " De donde, 2 ¡ lo 7T V mgra (d) Esta ecuación indica que se debe ajustar el peso del cuerpo para que sea mg, se debe medir la distancia ro y luego debe suspenderse el péndulo y hacerse oscilar de manera que se pueda observar el periodo í. A continuación se puede resolver la ecuación (13-31) para dar el momento de inercia lo en torno O. Si se desea el momento de inercia en torno al centro de masa, se puede obtener aplicando la fór mula de transferencia (13-14). En la figura 13-14b se muestra cómo puede determinarse el momento de iner cia sin pesar el cuerpo en realidad. La inercia 1 se conecta a un alambre o una varilla delgada en el centro de masa de la inercia. Se define una rigidez a la torsión kt de la varilla o alambre como el momento de torsión necesario para torcer la varilla en un ángulo unitario. Si la inercia de la figura 13-14b se hace girar des cribiendo cualquier ángulo (J y luego se suelta, la ecuación del'IDovimiento se con vierte en ¡j+�(J O la Esta es similar a la ecuación (b), y con las mismas condiciones de partida tiene la solución ¡kt e = (Jo cos V la t (13-32) Así pues, el periodo de oscilación es o bien, lo k' (2 :Y (13-33) Por lo general se conoce la rigidez a la torsión o se puede calcular a partir del conocimiento de las dimensiones de la varilla y su material. Entonces se observa la oscilación de la inercia desconocida la y se usa la ecuación (13-33), para calcular la. De otra manera, cuando se desconoce k¡, se puede montar una inercia conocida en la varilla y aplicar la (13-33) para determinar k,. El péndulo trifilar, llamado también péndulo de torsión de tres cuerdas que se ilustra en la figura 13-15, puede ser un método muy exacto para medir el momento de inercia de masa. Tres cuerdas de igual longitud sostienen una plataforma de
- 484. 468 lEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 13-15 peso ligero y están igualmente espaciadas alrededor del centro de ella. Una pla taforma redonda daría el mismo servicio que la triangular que aparece en la ilus tración. La pieza cuyo momento de inercia se va a determinar se coloca con su mo cuidado sobre la plataforma de modo que el centro de masa del objeto coin cida con el centro de la plataforma. Entonces se hace oscilar la plataforma y se cuenta el número de oscilaciones durante un periodo especificado. t La anotación para el análisis de péndulo trifilar es la siguiente: m = masa de la Rieza mp masa de tn: plataforma lo momento de inercia de la pieza Ip = momento de inercia de la plataforma r = radio de la plataforma (J = ángulo de la plataforma I = longitud de la cuerda q;, ángulo de la cuerda z eje vertical que pasa por el centro de la plataforma Se principia escribiendo la (13-19) para el eje z, lo cual da 2: M, = -r(m + mp)g sen q;, (lo + lp)jj O (e) t Se pueden hallar detalles adicionales en la obra de F. E. Fisher y H. H. Alvord,Instrumentatíon for Mechanical Analysis, The University of Michigan Summer Conferences, Ann Arbor, Michigan, 1977. p. 129. En análisis ql,le se presenta aquí es con autorización de los autores.
- 485. FUERZAS DINÁMICAS 469 Puestoque se está tratando con movimientos pequeños, los senos de los ángulos. De donde, y la ecuación (e) se convierte en !..fJ 1 jj + (m + me)r2g () O f(le + lp) Esta ecuación se puede resolver en la misma forma que la (b). El resultado es (f) (g) 1 1 = (m + mp)r2g (�)2 a + e 1 211' (13-34) Esta ecuación se debe utilizar primero con una plataforma vacia. Cuando se co nocen le Y me' la ecuación se puede resolver con suma facilidad para la inercia des conocida la. 13-9 ANÁLISIS DE UN MECANISMO DE CUATRO BARRAS Ejemplo 13-5 Como ejemplo de un análisis dinámico en el que se usan unidades SI, sea el esla bonamiento de cuatro barras de la figura 13-16. Los datos requeridos, basados en un análisis cinemático completo, aparecen en la figura y en su pie. SOLUCIÓN Se parte de la siguiente información cinemática: .. a3 = -1l9krad/s2 Aa, = 162/-73.2° m/s2 IX.¡ -625k rad/s2 Aa, 104/233° m/s2 F1gura 13-16 Dimensiones en milimetros ; 02A = 60, 0,0, = lOO, AB 220,0,B 150,AG, 90, O,C = BC = 120. 04G4 = 90, W¡ = 48 rad/s, m3 = 1.5 kg, m4 = 5 kg, 13 0.012 kg'rn1, l. 0.054 kg'rn2, a) = -119k rad/s2, a. = -625k rad/s Aa, = 162 m/s2, Aa, 104 m/52, Fe -0.8) kN:
- 486. 470 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Las dos fuerzas de inercia son y -m3AG:J l.i�2) /-73.2 + 180" -0.070{ + 0.233j kN 5(104) A ' -m4Aa,= 1000 /233 lsoo=0.313i+0.415jkN Por supuesto, Fe= -0.8j kN. Se necesitan los siguientes vectores de posición (véase la Fig. 13-16; nótese que las dimensiones están en milimetros): RA 60� -25.41 + 54.4j RG:JA = 90/48.7°=59.41 + 67.6j RBA=220/18.7° = 2081 + 70.5j RB 150/56.4° = 83.0{ + 125j Ro,=90/20.4° 84.41 + 31.4] Re =120/5 1°=1201 + 10.7j El análisis se principia con el eslabón 4 y se determinan las fuerzas F. Éstas se deben a Fe Y -m.AG, haciendo caso omiso de los efectos de -mlAG, Y -[¡al. Si se toman momentos en torno a 04, se obtiene la ecuación Se encuentra que los tres primeros términos son Ro,o, x (-m.Aa.) 25.2k -1.ex. = -0.054( -625k) = 33.8k Reo. x Fe = -95.6k La fuerza Fl4 tiene la misma dirección que el eslabón 3; de donde Entonces F;" F;..lJt8.7°=(0.9471+0.32Ij)F� RBo,xF}. -91.7F� (1) Ahora se deben sustituir estos cuatro términos en la (1). Después de resolverla, se encuentra que F�=-0.400 kN. Por tanto, F� -0.400/18.7° -0.378f -0.128j = 0.400[198.7° kN A continuación, al sumar las fuerzas sobre el eslabón 4 se obtiene la ecuación Ahora se conocen todos los términos, excepto Fí•. Después de resolver, se encuentra Fí. 0.06551 + 0.513j 0.517/82.7° kN (2) Pasando al eslabÓn 3, se supone que las fuerzas F' se deben únicamente a -mlAo,. Por tanto, se hace caso omiso de los efectos de Fe, -14a, y ·-m.Ao. Al tomar momentos en torno a A se ob tiene (3)
- 487. FUERZAS DINÁMICAS 471 Seencuentra que los dos primeros términos son y RG¡A x (-m3AG¡) 18.6k -13a3 -0.012(-1l9k) = 1.43k La fuerza F73 se torna a lo largo de la recta 04B. Portanto, Entonces F73 = F�JL56.4° = (0.5531+ 0.833j)F�3 RBA X F73 = 134F23k Después de sustituir estos tres términos en la (3) y resolver, da FlJ = -0.149 kN. De donde, F73 -0.149/56.4° = -0.082 41-0.1241 = 0.1491236.4° kN A continuación, sumando las fuerzas sobre el eslabón 3 y resolviendo para F�l , da El tercer paso del análisis es encontrar las sumas vectoriales de las fuerzas F' y Y' , en A, B Y 04• En A se tiene El resultado es Asimismo, A continuación F13.= -0.2251- 0.237j = 0.327/226S kN Fn -F23 = 0.2251 +0.237j 0.327/46S kN Resolviendo esta ecuación se obtieneF43 y F34 como En 04 se tiene La solución es F4l = 0.2961+O.OO4j 0.296/0.8° kN F34 -0.2961-O.OO4j 0.296/180.8° kN FI4 -0.0169i+0.389j = 0.389/92S kN Para el eslabón 2, se tiene FI2 -F12 -0.2251-0.2371 0.327/226.5° kN Del mismo modo, Al resolver. da
- 488. 472 TEOR1A DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 13-10 FUERZAS Y MOMENTOS DE SACUDIMIENTO Para el disefiador las fuerzas transmitidas al marco o a base de la máquina, de bidas a la inercia de los eslabones en movimiento y otros elementos de la misma, tienen un interés especial. Cuando estas fuerzas varían en magnitud o dirección, tienden a sacudir o a hacer vibrar la máquina y, en consecuencia, esos efectos reciben el nombre de fuerzas y momentos de sacudimiento. Si se considera un eslabonamiento de cuatro barras como ejemplo, suponien do que los eslabones 2, 3 y 4 son los elementos móviles y el eslabón 1 es el marco, las fuerzas de inercia asociadas con los elementos en movimiento son -m2A�, -m3Aa¡, Y -m�G4' Tomando a los elementos móviles como un cuerpo libre, se puede escribir inmediatamente Utilizando Fs como la fuerza resultante de sacudimiento, se tiene Fs= F21 + F41 Por tanto, Para determinar el momento de sacudimiento se escribe L MOz Ro! x (-m2A�) + Ra¡ x (-m3Ao3) (a) (b) (13-35) + R040z x (-m4AO.)-12a2 - 13a3 140.4 + M12 = O (e) Entonces Ms == M21= -(R� x m2A� + Ra¡ x m3AG:J + R040z x m4Ao4 + 120.2 + 130.3.+ 14CX4) 13-11 ANALISIS POR COMPUTADORA (13-36) En esta sección se presentan los pasos necesarios para obtener una solución general en computadura o calculadora programable para la cinemática y dinámica del mecanismo de cuatro barras. El procedimiento que se presenta aquí probablemente no sea la solución óptima porque casi cMa programador enfoca el problema de una manera diferente. Sin embargo, se puede usar el programa como una guia para problemas más complejos y con el fin de generar ideas. Este programa ha sido verificado usando la calculadora programable Texas Instrument TI-59. Las ecuaciones se presentan sin desarrollarlas; todas están basadas en los fun damentos que ya se cubrieron en esta obra. Puesto que hay demasiadas ecuaciones, se presentan en forma de texto, más que desarrolladas, para ahorrar espacio. Se recomienda que, en un análisis en computadora, se utilicen siempre uni dades básicas. Por tanto, si se emplean unidades gravitacionales ips, las fuerzas y
- 489. FUERZAS DINÁMICAS 473 B ¡"igura13-17 los pesos deben expresarse en libras-fuerza y las dimensiones en pulgadas, toman do g = 386 pulg/s2• Si se emplean unidades SI, las fuerzas deben darse en new tons, las masas en kilogramos y las distancias en metros. Los resultados se pueden expresar siempre utilizando prefijos tales como kilo O mili, al terminar el pro grama. La notación que se utilizará es la acostumbrada y la mayor parte de ella aparece en la figura 13-17. Hay tres subrutinas que son necesarias y que se deben programar primero; éstas son A x B = (XAYB YAXB)k, una rutina bidimensional de producto vectorial, FC ',(82) + '2(83), Y FD = '3{(2) + fi84). Las dos últimas se deben plantear basándose en el enunciado original del problema, y es probable que cambien de un problema a otro. Se necesitan tres tipos de almacenamiento, el permanente para los valores iníciales o dados, uno temporal para ciertos términos que aparecen con frecuencia y se utilizan durante los cálculos y luego se desechan y otro permanente para todas las respuestas de interés. Almacenamiento inicial permanente Almacénense 82, &82, rl, '2, '), '4. R�A, Ro•• RCA, Rl), a, (Je, (Jl), (3, W2, m), m4, 13, e h Nótese que &'Jz es el incremento en el que se avanza la manivela después de cada solución. Almacenamiento temporal Os, 's, t/I, /F;41, IF�I, � (A x B), XA, YA, XB, YB. Es pro bable que también se desee almacenar otras cantidades temporalmente, co mo por ejemplo los argumentos de los términos trigonométricos que se presentan con frecuencia. Almacenamiento permanente final 83, 64, w3. W4, a3, 0'4, Aó" A�" Aó., A�4' Pz:, F�, FÍ>, Fb, Fh, F�3, F34, F�4, F14, Fi4' T2• Paso 1. Ecuación (1), " + 's cos 65 = r2 cos 62; ecuación (2), r5 sen 65 '2 sen 62• Resuélvase para O� y 'j. Obsérvese que '2 sen (}z y '2 cos f}z - " forman los
- 490. 474 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS catetos de un triángulo rectángulo en donde se toma a rj como la hipotenusa y a 05 como uno de los ángulos. Si el problema se está resolviendo en calcula dora. úsese la tecla de conversión polar-rectangular para obtener 85 y rj. Paso 2. Resuélvase la ecuación (3), !/I cos-'[(d + rJ - d)/2r3rS]. Paso 3. Resuélvase la ecuación (4), Á = cos-1 [(rs - r3 cos !/I)/r4]; la ecuación (5) , 8" = 8s - Á. y 83 = !/I + 85 180. Paso 4. Resuélvase la ecuación (6), ú13 = [r2w2 sen(02 - (4)J/[r3sen (84 - (3)]. Paso 5. Resuélvase de la ecuación (7), W4 [r2w2sen(82 - (3)]/[r4sen (94 - (3)]. Paso 6. Resuélvase la ecuación (8) , a3 [r2w� cos (92 - (4) + r3w5 cos (93 - (4) - r4w¡]! [r3 sen(84- (3)], Paso 7. Resuélvase la ecuación (9) a4 = [r2w� cos (82 - (3) - r4w¡ cos (03 - (4) + r3Wm fr4sen (84 - (3)]. Paso 8. Resuélvase la ecuación (lO) , AbJ = r2w� cos (02 + 180) + Ra,Aa3 cos (83 + a + 90) + RGJAW� cos(63 + a + 180). Paso 9. Resuélvase la ecuación (11), A� = r2w� sen( 82 + 180) + �Aa3 sen(63 + a + 90) + R�AW� sen (63 + a + 180). Paso 10. Resuélvase la ecuación (12), Abó = Ro4a4 cos (64 + (3 + 90) + Ro .w¡ COS (84+ (3 + 180). Paso 11. Resuélvase la ecuación (13), A�4 = R04a" sen(84 + (3 + 90) + R04Wa sen(84 + (3 + 180). Este paso pone fin al análisis cinemático. Paso 12. Resuélvase la ecuación (14), IF�I = /I (A x B)IIIRB x F�I, en donde I (A x B) = RG4 x m.AG4- RD x FD + 14et4, y F� = cos 831 + senO)J. Paso 13. Resuélvase la ecuación (15), F�4 = -F� + m.Ao4 - F1)o Paso 14. Resuélvase la ecuación (16), IF�I = II (A x B)I!/RBA x F�I. en donde I lA X B) = �A x (-m3A� + RcA x Fc 13et) y F� cos 9.1 + sen84j. Paso 15. Resuélvase la ecuación (17), F� = F� cos lh + F� cos 8•. F� F� sen (h + F� sen 84; Eq. (l8), Fi4 = -F� COS 83 - F� cos 84, Fi. -F� sen (h F� sen8•. Paso 16. Resuélvase la ecuación (19), F23 -Fe + m3Aa, - F43• Paso 17. Resuélvase la ecuación (20), T2 = r2 x F23• Paso 18. Resuélvase la ecuación (21), 62 = (h + Ll62, Y regrésese al paso 1. PROBLEMAS 13-1 La palanca angular de acero que se ilustra en la figura se usa como un seguidor oscilante para leva. Hállase el momento de inercia de la masa de la palanca en tomo al eje que pasa por O. Úsese w O.282 1b/pulgl como peso unitario del acero. 13-2 Una barra .de acero de 5 por-50 por 300 mm tiene dos discos de acero redondos cada uno con 50 mm de diámetro y 20 mm de longitud, soldados en uno de los extremos, como se indica. Se hace una
- 491. FUERZAS DINÁMICAS 475 Problema13-1 Problema 13-2 Dimensiones en milímetros. perforación a 25 mm del extremo. Calcúlese el momento de inercia de la masa de este conjunto, en tor no a un eje que pase por la perforación. La densidad de masa del acero es 7.80 Mg/m3• 13-3 Hállese el momento de torsión externo que se debe aplicar al eslabón 2 del mecanismo ilustrado en la figura para impulsarlo a la velocidad dada. 3 Problema 13-3 OzA = 3 pulS, AG3 = 4 pulS, AB = 8 pulg, �.G. = 3 pulg, 0.8 = 6 pulg, 0 2 0. = 7 pulg, (¡}2 = lsok cad/s, W3 = 0.708 lb, W. 0.780 lb, 13 = 0.0154 lb . S2 . pulg, l. = 0.01 12 lb · S2 . pulg, IXl = O rad/s2, IX) =495ok rad/s2. 1X4 = -89OOk rad/s2 Aa, = 6320i + 750 ¡ pie/s2, AG. = 2280l + 750} pie/s2. 13-4 El eslabón 2 del eslabonamiento de cuatro barras que aparece en la figura está equilibrado. Para la velocidad angular dada del eslabón 2, calcúlense las fuerzas que actúan en cada articulación de pasador y el momento de torsión externo que se debe aplicar al eslabón 2. 13-5 Para la velocidad angular dada de la manivela 2 de la [¡gura, encuéntrense las reacciones en cada articulación de pasador y el momento de torsión externo que se debe aplicar a la manivela.
- 492. 476 TEORÍA DbMÁQUINAS Y MECANISMOS B A Problema 13-4 0 2A 2 pulg, AG) z: 8.50 pulg, AB = 17 pulg, 04G. 4 pulg, O,B 8 pulg, 020. = 1 3 pulg, (1)2 = 200k rad/s, W3 2.65 lb, W. = 6.72 lb, 11 = 0.0606 lb · S2 . pulg, l. = 0.531 lb · 52 . pulg, a2 O rads/s2, al = -6530k rad/s2, a4 = -24Ok rad/s1, Aa, = - 31601 + 262j pie/52, AG. = -800i 2110j pie/52. ���-------- ------------ --------=���---x Problema 13-5 0 2A 3 pulg, AG) = 4.5 pulg, AB = 12 pulg, (1)2 = 210krad/s, ro; =-37.7k rad/s, a2 = O rad/s2, a3 = 7670k radls2, Ac " -78201 -4876j pie/s2, AH -7850f pie/s2, W3 3.40 lb, W . 2.86 lb, 13 0. 1085 . S2 . pulg. 13-6 En la figura se presenta un mecanismo de motor con una fuerza externa F H aplicada al pistón. Para la velocidad dada de la manivela, calcúlense todas las reaccionesen los pasadores y el momento de torsión de la manivela. Problema 13-6 02G2 1.25 pulg, OlA 3 pulg, AG1 = 3.5 pulg, AB = 12 pulg, 002 = l60k rad/s, 1<)1 -35k rad/s, a2 = O rad/:s2, a) = -3090k rad/52, A(;, 2640LJ50° pie/s" AG, = 6130/158.3° pie/s2, AH 6.280/180° pie/s2, W2 0.95 lb, W, 3.50 lb, W, 2.50 lb, 1, 0.003 69 lb . 52 . pulg, 11 0.110 lb . 52 • pulg, FB = 800/180° lb. 13-7 Los siguientes datos, todos en unidades básicas SI, pertenecen al eslabonamiento de cuatro barras que aparece en la figura de este problema: r, = 0.9, r2 = 0.3, r, 1 .5. r. = 0.8. AG, = 0.65. O.G. = 0,45. AC 0.85. O.D 004, a = 16°, Oc 33°. {3 = 17°. liD = 53°, m, 65.8, m, 2 1 .8. 1, = 4.2. 1, 0.5 1 . El eslabón 2 está balanceado. Un análisis cinemático realizado para 11, = 60° Y W2 12 rad/s da 11, 0.7", (l. 20.4°, a, = -85.6 rad/s', a. = 172 rad/s", A(" 96,4/259° mIs', y AG4 97.8/270° mIs". Hágase un análisis dinámico completo y calcúlense todas,las reacciones en los pasadores, asi como el momento de torsión que se debe aplicar al eslabón 2,
- 493. FUERZAS DINÁMICAS 477 e x Problema13-7 13-8 Repítase el problema 1 3-7 si en el punto D actúa una fuerza externa FD = J2/00 kN 13-9 Hágase un análisis cinemático y dinámico completo del eslabonamiento del problema 1 3-7, ud" !izando los mismos datos, pero con (l¡ = 170°, W2 = 12 radls, y una fuerza externa FD = 8.94163.4° kN. 13-10 Repítase el problema 1 3-9 utilizando, 82 = 200", W¡ = 12 rad/s y una fuerza externa Fe 8.49�kN. 13-11 Para (l2 2700 Y W¡ = 1 8 rad/s, un análisis cinemático del eslabonamiento cuya geometría es la que se describe en el problema 1 3-7, da O, 46.6°, O. 80S, a, - 1 78 rad/s2, a. -256 rad/s2, AG, � 1 1 2/22.7° m/s2, AG4 J 19/352S m/52• Una fuerza externa Fo 8.60/2 1 5.5° kN actúa en el pun to D. Hágase un análisis dinámico completo del eslabonamiento. 13-12 Los siguientes datos se aplican al eslabonamiento de cuatro barras ilustrado para el pro blema 1 3-7 : '1 300 mm. ' 2 = 1 20 mm, r, = 320 mm, r4 = 250 mm, AG, 200 mm, 04G4 ", 1 25 mm, AC 360 mm, O.D = O, a 8°, (le 15°, (3 = 80 O. El análisis cinemático en (); = 90° Y W2 = 32 rad/s dio los siguientes resultados: ih = 23.9°, 04 = 9 1.7", al 22 1 rad/s2 , a. = 1 22 rad/s2, AG, = 88.6/255° m/s2. y AG4 = 32.6L244° m/52. Asimismo m) = 4 kg, /¡ = 0.01 1 kg ' 52 • m, m. = 1 .5 kg, e l. = 0.0023 kg . 5 2 • m. Suponiendo que se usa una fuerza externa Fe = 632/342° N, hágase un análisis dinámico completo del sistema. 13-13 Repítase el problema 13-12 8¡= 26O°. Anailcense tanto la cinemática como la dinámica del siste ma en esta posición. 13-14 Repítase el problema 13-13 si (J¡ 3000. 13-15 Analícese la dinámica del eslabonamiento excéntrico de corredera y manivela ilustrado en la figura, aplicando los siguientes datos: 82 1 20°, a 0.06 m, r2 0. 1 rn, ') 0.38 m, AC = 0.4 rn, AG) = 0.26 m, úiz - 18 rad/s, a = 22°, (le = 32°, m) 7.4 kg, m. = 3.2 kg, 13 = 0.0 1 36 kg · S2 . m, Fe= -10001 N , Ff. -20001 N. Supóngase que la manivela está balanceada y no hay fuerzas de fricción. Problema 13-15
- 494. 478 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 13-16 Analícese el sistema del problema 13-15 para una rotación completa de la manivela. Supóngase que Fe O y Ff4 -1000 N cuando x es positiva, y Ff. O cuando i es negativa. Supóngase que la manivela está equilibrada. Hágase una gráfica de T 2 y F�4contra (h. 13-17 Un eslabonamiento de corredera y manivela similar al del problema 13-15 tiene una excentricidad ceroy r2 = 0.10 m, ') 0.45 m, AC "" O, AG3 = 0.20 m, W2 = -24 rad/s, a = Be = 0, m¡ = 3.5 kg, m. 1.2 kg, 13 = 0.060kg . 52 • m y 1;=60 N . m. Correspondiendo a 82 '" 135�, un análisis cinemático dio ('h = -9.0°, a3 = 89.3 rad/s2, x = 0.374 m, i = 40.6 m/s2 y Aa, = 4O.6í -22.6j m/S2. Determinense FI4 y F23 suponiendo que el eslabón2 está equilibrado. 13-18 Repltase el problema 1 3-17 si 8. 240". Los resultados de un análisis cinemáticoson: 83 = 1 1. 1°, al = -112 rad/s2, x 0.392 m, x = 35.2 m/s', Aa, 31.61 + 27.7j m/sz. 13·19 Un eslabonamiento excéntrico de corredera y manivela, como el del problema 1 3-15, tiene a = 0.08 m, rz = 0.25 m, ') 1.25 m, AC = 1.0m, AG3 = 0.75 m, W2 6 rad/s, a = -IS", lle = -3S", m¡ = 140 kg, m4 50 kg Y 1) = 8.42 kg . 82 • m. Hágase un análisis c inemático y dinámico completo de este s istema cuando fh 25° con Fe = MOl-60° kN y Ff. = -50 kN. S upóngase que la manivela está balanceada. 13-20 Las manivelas 2 y 4 del eslabonamiento cruzado que aparece en la figura están balanceadas. Las dimensiones del eslabonamiento son: 02A 6 pulg, AB = 18 pulg, AG 12 pulg, AC = 24 pulg, 0204 18 pulg Y 0.8 = 6 pulg. Correspondiente a la posición que se muestra y con "'2 = 10 tad/s, un análisis cinemático dio los resultados WJ -1.43 rad/s, W4 = - 1 1.43 rad/s, a3 a. = 84.7 rad/s2 Y Aa, = 47.61 + 70.3j pie/5 2 • También W) 4 1 b, 13 0.497 lb . S2 . pulg e 14 = 0.(l63 Ib . 82 • pulg. S i Fe = -301 lb y el eslabón 2 es el impulsor, encuéntrese el momento de torsión impulsor y las reacciones en los pasadores. e Problema 13..20 13-21 Calcúlese el momento de torsión impulsory las reacciones en los pasadores para el mecanismo del problema 1 3-20, si la manivela 4 es el impulsor. 13-22 Un análisis cinemático del mecanismo del problema 13-20, cuando (h = 210° , dio fh 1 4.7°, 04 1 64.7°, W3 = 4.73 rad/s, W4 -5.27 rad/s, a3 = a4 - 10.39 rad/s2 y AG1 = 26/20.85° pie/s2• Cal cúlense T2 y las reacciones en los pasadores para esta fase del movimiento, usando la misma fuerza Fe del problema 1 3-20. 13-23 La parte (a) de la figura muestra un eslabonamiento con un acoplador prolongado que tiene una fuerza externa Fe que actúa durante una porción de la carrera. Las dimensiones del eslabonamiento son: 02A 16 pulg. AG3 = 32 pulg, AB 0204 40 pulg, 04G. = 20 pulg y 048 56 pulg. Hágase un análisis cinemático y dinámico para una rotación completa de la manivela, con W2 = 10 rad/s y Fe = -sooi + 866J lb para 90° s 1/2 S 3000 s uponiendo que Fe = O para los otros ángulos. Úsese W3 222 lb, W. = 208 lb, 13 = 226 lb . S 2 . pulg, 14 = 264 lb . S2 • pulgy s upóngase una manivela balanceada. 13-24 En la parte (b) de la figura se ilustra un motor engranado a un eje en el que está montado un volante. Los momentos de inercia de las piezas son corno siguen: volante, 1 = 2.73 1b . S2 • pulg; eje del
- 495. FUERZAS DINÁMICAS 479 volante,1 "" 0.0155 lb . S 2 . pulg; engrane, 1 "" 0.112 lb . S2 • pulg. S2 . pulg; pifión, 1 = 0.003 49 lb . S 2 • pulg; motor, 1 = 0.0864 lb . S2 • pulg. Si el motor tiene un momento de torsión de arranque de 75 lb . pulg, ¿cuál es la aceleración angular del eje del volante en el instante en que se cierra el interruptor del motor? Problemas 1.3-23 y 13-24
- 496. CAPITULO CATORCE DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES El propósito de este capítulo es aplicar los fundamentos análisis cinemático y dinámico en una investigación completa de un grupo particular de máquinas. Se ha seleccionado el motor de pistón con este fin, porque ha alcanzado un estado de desarrollo muy elevado y es de interés más general que otras máquinas. Sin embar go, para los fines de esta obra, cualquier máquina o grupo de máquinas que com prenda situaciones dinámicas interesantes serviría para el mismo fin. El objetivo primario consiste en demostrar los métodos para aplicar los fundamentos al análisis de cualquier máquina. 14-1 TIPOS DE MOTORES La descripción y las características de todos los motores que se han concebido y construido llenarían muchos libros. El propósito de este estudio es delinear en for ma muy somera unos cuantos de los tipos de motores de uso general y de gran popularidad actual. No se pretende que la exposición sea completa. Es más, pues to que se espera que el lector tenga cierta inclinación hacia la mecánica y esté familiarizado en forma general con los motores de combustión interna, el pro pósito principal de esta sección es simplemente registrar hechos que ya conoce y ofrecer una nomenclatura para el resto del capítulo. En esta sección se incluyen también, a fin de ubicarlo todo en un solo sitio, las descripciones y especificaciones de algunos de los motores más interesantes. De esta manera se contará fácilmente con el material para utilizarlo en los problemas y ejemplos. En este capítulo se clasifican los motores según el uso para el que fueron creados, el ciclo de combustión utilizado, y el número y disposiciones de los cilin-
- 497. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 481 dros. Así pues, se citarán, por ejemplo, motores de avión, automóviles, marinos y estacionarios, llamados así de acuerdo con el propósito para el que fueron di señados. Del mismo modo, se podría tener en mente un motor diseñado basándose en el ciclo Dtto, en el que se mezclan el combustible y el aire antes de la compre sión, y en los que la combustión se efectúa sin aire en exceso, o bien el motor diesel, en el que el combustible se inyecta cerca del fin de la compresión y la com bustión se lleva a cabo con un exceso sustancial de aire. El motor de ciclo Otto em plea combustibles un tanto volátiles y la ignición se realiza por medio de una chis pa; pero el motor de ciclo diesel opera con combustibles de baja volatilidad y la ignición se produce debido a la compresión. 3 (a) 2 3 (b,' 1 3 2 (e) O 120 ro a; > 240 "c ro E 360 .!!! ID "O 480 600 720 Figura 14-1 Motor en línea de tres cilindros: a) vista frontal, b) vista lateral, e) orden de encendido. (a) (b) (e) Figura 14-2 Disposiciones de las manivelas de motores V: a) una sola manivela por par de cilindros; las bielas se conectan entre sí y son de diseños de horquilla y hoja; b) una sola manivela por par de cilin dros; la biela maestra tiene un cojinete para la biela articulada; c) manivelas separadas se conectan a pistones escalonados.
- 498. 482 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Los motores de los ciclos diesel y Otto pueden clasificarse como de ciclo de dos tiempos o de ciclo de cuatro tiempos, dependiendo del número de carreras del pistón requeridas para el ciclo completo de combustión. Muchos motores marinos de fuera de borda utilizan el proceso con ciclo de dos tiempos (o sencillamente de dos ciclos), en los que el pistón descubre las lumbreras de expulsión en la pared del cilindro, cerca del final de la carrera de expansión, y permite que salgan los gases de escape. Instantes después de que se abren las lumbreras de expulsión, también Figura 14-3 Conjunto de pistón y biela para un motor de camión V6 de 351 pulg3• (GMC Truck and Coach Division, General Motors Cor poration, Pontiac, Michigan.)
- 499. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 483 se abren las de admisión y permiten la entrada a una mezcla precomprimida de combustible y aire, que contribuye también a expulsar los gases de escape rema nentes. A continuación se cierran las lumbreras cuando el pistón se mueve en sen tido ascendente y la mezcla de combustible se vuelve a comprimir. Luego se rei nicia el ciclo. Nótese que el motor de dos ciclos tiene una carrera de expansión y otra de compresión, y que ambas ocurren durante una revolución de la manivela. El motor de cuatro ciclos cuenta con cuatro carreras de pistón en un solo ciclo de combustión, correspondiendo a dos revoluciones de la manivela. Los eventos que corresponden a los cuatro tiempos son: 1) carrera de expansión, o de potencia, 2) expulsión, 3) carrera de succión o admisión, 4) compresión. Los motores de varios cilindros se clasifican de manera general según como estén dispuestos los cilindros unos con relación a los otros y respecto al cigüeñal. Así pues, un motor en linea es aquél en el que los ejes de los pistones forman un solo plano que coincide con él cigüeñal, y en el que los pistones están todos hacia el mismo lado de este último. En la figura 14-1 se tiene un dibujo esquemático de un motor en línea de tres cilindros, en el que las manivelas están espaciadas 120°; como dato interesante se incluye el diagrama del orden de encendido para la operación en cuatro ciclos. Un motor tipo V utiliza dos bancos de uno o más ciclindros en línea cada uno y un solo cigüeñal. En la figura 14-2 se ilustran varias disposiciones comunes de las Figura 14-4 Cigüeñal de fundición para un motor de camión V6 de 305 pulgJ (GMe Truck and Coach Division, General Motors Corporation, Pontíac, Míchigan.)
- 500. 484 TEORIA DEMAQUINAS y MECANISMOS Figura 14-5 Monobloque para un motor de camión V6 de 305 pulg l. SP. usa la misma pieza fundida para un motor de 351 pulg3, calibrando los cilindros para pistones más grandes . (GMC Truck and Coach Division, General Molúrs Corporation, Pontiac, Michigan.) Figura 14-6 Motor de un solo cilindro modelo HM80. (Tecumseh Products Company, Lauson Engine Division, New Holstein, Wisconsin.)
- 501. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 485 manivelas. Los pistones que se encuentran en los bancos derecho e izquierdo de (a) y (b) se encuentran en el mismo plano; pero los de (e) están en planos diferentes. Si el ángulo V se incrementa hasta 1800, el resultado se conoce con el nombre de motor de pistones opuestos. El motor opuesto puede tener dos ejes para dos pistones, coincidentes o excéntricos, y las bielas pueden conectarse a la misma manivela o a manivelas separadas con un espaciamiento de 1800• El motor radial es aquél que tiene los pistones dispuestos en un círculo en tor no al centro de la manivela. Los motores radiales utilizan una biela maestra para un cilindro y los pistones restantes se conectan a la biela maestra por medio de bielas articuladas de modo muy parecido al motor en V de la figura 14-2b. Figura 14-7 Vista de la sección transversal del motor de camión V6 de 401 pulg) (GMC Truck and Coach Division, General Motors Corporation, Pontiac, Mich igan.)
- 502. 486 TEOR1A DEMAQUINAS y MECANISMOS En las figuras 14-3 a 1,t-5 se ilustran, respectivamente, el conjunto pistón biela, el cigüeñal y el monobloque de un motor de camión V6. Estos se incluyen como típicos del disefio moderno, para mostrar la forma de las piezas importantes de un motor, y para referencia futura. Las especificaciones que siguen darán una idea general del rendimiento y diseño de los motores modernos, junto con los tamaños de las piezas que se usan en ellos. Tecumseh Products Company, Lauson Engine Divisíon, New Holsteín, Wisconsin. El motor de un solo cilindro, modelo HM 80 que se muestra en la figura 14-6, tiene las siguientes especificaciones: 5.0 hp a 2 200 rpm; 6.9 hp a 2 900 rpm; 8.0 hp a 3 600 rpm; arrancador recuperador; peso neto, 46 lb; diámetro interior, 3�-pulg (79.38 mm), 2H- pulg carrera, (64.3 1 mm); desplazamiento, 19.4 1 pulg3 (3 18.27 mL); ciclo de cuatro tiempos; enfriamiento por aire; rotación en sentido contrario al movimiento de las manecíllas del reloj visto desde el lado de la toma de potencia; peso del conjunto del pistón, 0.530 lb (0.2405 kg); peso del conjunto de la biela, 0.365 lb (0. 1655 kg); longitud de la biela, 3.956 pulg; 1.34 pulg desde el cojinete del muMn del cigüefial hasta el centro de masa de la biela; volante, Wr2 69.6 Ib·pulg2• 600 f 500 N O> 400 ::; o. � I ,Q 300 ",- ¡ ¡ . -o '¡¡; � 200 o.. .Lf!' ! i " i 100 [: ............. ...... r- r-f-:-1- o O 600 500 '1 400 :::l .e ,Q 300 ",- � 200 í!? o.. 100 I'-r- 20 40 Volumen, pulg3 Ir. 1/ I I '1 / ./ ..". TDC 60 +H- ! , � i ...... i 80 O 105 75 45 15 15 45 75 105 Ángulo del cigüeñal, grados Figura 14-8 Diagrama del indicador típico para un motor de camión V6 de 401 pulg3; condiciones desconocidas. (GMC Truck and Coach Division, General Motors Corporation, Pontiac, Michigan.) Figura 14-9 Curva presión-tiempo para el motor de camión V6 de 401 pulg3• Es tos datos se tomaron de un motor en funcionamiento. (GMC Truck and Coach Division, General Motors Cor poration, Pontiac, Michigan.)
- 503. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 487 Pesos con movimiento alternativo Gramos o o:: � -¡¡¡ '" .¡¡ o:: '" o a. '" "O '" .2 -¡¡¡ .n '" u Pistón Pasador del pistón Anillos del pistón Retenes Biela Total 1 560 317.5 127.0 0.34 360.0 2 364 . 8 4 Peso balanceado con movimiento 1 1 82.42 alternativo Pesos giratorios: Biela Cojinetes Total 220 200 " " / 377--..... ---- 351J - 926.00 1 01.28 2209.70 I __ f!:Uto / ,...-- , Neto T- Momento/-� I �205 / '" .c. ,B 380 .§ 340 .� 180 detorsi T V ' ./� 178 _ '" 300 "O o 260 � E o 160 140 120 100 80 // � I S;')� <$- , ,,-o , �q,1 I , Kcab�lIos de potencia i // ,V ,1 ! I 2 60 , IJ 1,000 2,000 3,000 4,000 Velocidad Figura 14-10 Características de caballos de potencia y momento de torsión, o por motor, del motor de camión V6 de 401 pulg3. La curva a trazo continuo es la salida neta con el motor instalado; la curva a trazos es la salida máxima sin accesorios. Obsérvese que el momento de torsión máximo se produce a una velocidad del motor muy baja. (GMC Truck and Coach Division, General Motors, Corporation, Pontiac, Michigan.)
- 504. 488 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 6�----��----� Figura 14·11 Vista frontal de un motor de camión V6 en donde se indica la diposición de las manivelas y también la dirección de rotación. GMC - Truck and Coach Division, General Motors Corporation, Pontíac. Michigan. En la figura 14-7 se ilustra uno de los motores de camión V6. Estos motores se fabrican encuatro desplazamientos e incluyen un modelo, un V12 (702 pulgx), que se describe como un seis gemelo, porque muchas de las piezas V6 son intercambiables con él. Los datos aquí incluidos se restringen al motor de 401 pulg3• En las figuras 14-8, 14-9 y 14-10 se presentan las curvas típicas de rendimiento. Las especificaciones son las siguientes: diámetro interior, 4.875 pulg; carrera, 3.56 pulg; diseño en V de 60°; razón de compresión, 7.50: 1; los cilindros se numeran del frente a la parte posterior, 1, 3, 5 en el banco izquierdo y 2, 4, 6 en el derecho; el orden de encendido es 1, 6, 5, 4, 3, 2; la disposición del cigüeñal es la que se indica en la figura 14-11; longitud de la biela, 7.19 pulg. 14-2 DIAGRAMAS DEL INDICADOR En los experimentos, se usa un instrumento llamado indicador del motor para medir la variación de la presión dentro de un cilindro. El instrumento construye una gráfica durante la operación del motor, denominada diagrama del indicador. Las constantes conocidas del indicador hacen posible el estudio deldiagrama y deter minan la relación entre la presión de gas y el ángulo de la manivela para el conjun to particular de condiciones de operación que prevalecían en el momento en que se tomó el diagrama. Cuando un motor se encuentra en la etapa de diseño, es necesario estimar un diagrama a partir de consideraciones teóricas. Con base en esa aproximación se puede diseñar y construir un modelo piloto del motor propuesto y tomar y com parar el diagrama del indicador real con el que se ideó teóricamente. Esto propor ciona mucha información útil para el diseño del modelo de producción. En la figura 14-12 se muestra un diagrama del indicador para el ciclo ideal es tándar del aire para un motor de un ciclo de cuatro tiempos. Durante la com presión, el volumen del cilindro cambia de VI a V2 Y la presión del cilindro varía de PI a P2· La relación en cualquier punto de la carrera se da mediante la ley poli trópica de los gases como PxV� = Pld = constante (14-l) En una gráfica réal del indicador, los vértices en los puntos 2 y 3 están redon deados y la línea que los une es curva. Esto se explica por el hecho de que la com bustión no es instantánea y la ignición ocurre antes de que concluya la carrera de
- 505. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 489 Vo lumen Figura 14-12 Diagrama del indi cador ideal para un motor de cuatro ciclos . compresión. Una gráfica real también está rodeada en los puntos 4 y 1 debido a que las válvulas no operan instantáneamente. La exponehte politrópico k de la ecuación (14-1) se toma a menudo como 1.30, tanto para la compresión como para la expansión, aunque probablemente existan diferencias. La relación entre los caballos de potencia desarrollados y las dimensiones del motor está dada por pb1an bhp = (33 000)(12) (14-2) en donde bhp = caballos de potencia al freno (brake horsepower) por cilindro Pb = presión efectiva media al freno, 1b/pulg2 (psi) 1 = longitud de la carrera, pulg a = área del pistón, pulg2 n = número de carreras de trabajo por minuto La cantidad de caballos de potencia que s.e de desplazamiento del pistón varía considerablemente, dependi�ndo del tipo de motor. En el caso de motores de automóviles, varía desde aproximadamente 0.55 hasta 1.00 hp/pulg3, con un promedio probable de 0.70 en la actualidad. Por otro lado, muchos motores marinos diesel tienen razones que varían de 0.10 a 0.20 hp/pulg3• Lo mejor que se puede hacer al diseñar un nuevo motor, es utilizar referencias estándar para descubrir )0 que otros han hecho con los mismos tipos de motores, y luego elegir un valor que parezca razonablemente asequible. Para muchos motores, la razón del diámetro interno a la carrera varia de aproximadamente 0.75 a 1.00. La tendencia en el diseño de motores automotrices parece inclinarse a los de carrera más corta, con el fin de reducir la altura del motor. ¡ t
- 506. 490 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Las decisiones que se tomen sobre la razón del diámetro interior a la carrera y los caballos de potencia por volumen unitario de desplazamiento, serán de gran utilidad al resolver la ecuación (14-2) para obtener dimensiones apropiadas cuando ya se ha decidido respecto a los caballos de potencia, la velocidad y el número de cilindros. La razón de la presión media efectiva al freno Pb a la presión media efectiva indicada Pi, que se obtiene experimentalmente a partir de una gráfica del indi cador, es la eficiencia mecánica em , e = m Pi ( 14-3) Se pueden tomar en cuenta las diferencias entre un diagrama del indicador determinado en forma teórica y uno hallado de manera experimental, aplicando una corrección llamada factor de gráfica. El factor de gráfica se define por ( 14-4) en donde píes la presión media efectiva indicada teórica y fe es el factor de gráfica, por lo común de 0.90 a 0.95, aproximadamente. Si la razón de compresión (Hg. 14-1 2) se define como r el trabajo realizado durante la compresión es k fVIdv _ p¡V¡ ( k-J 1 ) p¡v¡ --- r - v, k 1 El volumen de desplazamiento se puede escribir V¡ - V2 = V¡ .!:Jir --º r Cuando VJ según se da en la ecuación (b) se sustituye en la (a), da r (14-5) (a) (h) (e) El trabajo realizado durante la expansión es el área comprendida bajo la curva en tre los puntos 3 y 4 de la figura 1 4- 1 2. Éste se encuentra en la misma forma y el resultado es Ue P4(V¡ - V2) rk - r k-} rt (d)
- 507. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 491 El trabajo neto realizado en un ciclo es la diferencia en las cantidades dadas por las ecuaciones (e) y (d), y debe ser igual al producto de la presión media efectiva indicada y el volumen de desplazamiento. Por tanto, U = Ue - Uc = p;(V¡ - V2) _ P4(V¡ -V2) rk -r_ p¡(V¡ -V2) rk -r - k-l r-l k-l r-l (14-6) Si el exponente es el mismo para la expansión que para la compresión, la ecuación (14-6) se puede resolver para dar r-l P4= p;(k -1) - k- + p¡ r -r sustituyendo Pi para su expresión dada en (14-4), produce P4 = (k - 1) r k -1 P l i r -r e (e) (14-7) Se pueden usar las ecuaciones (14-1) y (14-7) para crear el diagrama teórico del in dicador. Luego se redondean los vértices para que la presión en el punto 3 se haga aproximadamente igual al 750/0 de la dada por la ecuación (14-1). Como verifica ción, se puede medir el área del diagrama y dividirse entre el volumen de desplaza miento. El resultado debe ser igual a la presión media efectiva indicada. 14-3 ANÁLISIS DINÁMICO: GENERALIDADE� tf Lo que resta de este capítulo está dedicado a un análisis de la dinámica del motor de un solo cilindro. Para simplificar este trabajo, las fuerzas de los gases y las de inercia se encuentran en secciones por separado. Luego, en otras secciones se com binan estas fuerzas, aplicando el principio de superposición para obtener las fuer zas en los cojinetes y el momento de torsión, o par motor, del cigüeñal. El tema del balanceo del motor se estudia en el capítulo 15 y la dinámica del volante se analiza en el capítulo 17. 14-4 FUERZAS DE LOS GASES En esta sección se supone que las partes móviles carecen de peso, de modo que las fuerzas de inercia y los momentos de torsión de inercia son cero y no existe fric ción. Estas suposiciones hacen posible analizar el efecto de la presión del gas, des de el pistón hasta el cigüeñal, sin necesidad de tomar en cuenta los efectos com plicadores de otras fuerzas. En el capítulo 12 se presentaron métodos gráficos y vectoriales para analizar las fuerzas que se presentaran en cualquier mecanismo. Se puede aplicar cualquiera
- 508. 492 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS IY p p Figura 14-13 de estos métodos para resolver el problema de la fuerza de los gases. La ventaja del método vectorial es que puede programarse para obtener una solución automática en una calculadora o computadora. Para la solución gráfica se debe repetir para cada posición de la manivela, hasta que se completa un ciclo de operación (7200 para un motor de cuatro ciclos). Puesto que es preferible no duplicar los estudios del capítulo 12, aquí se presenta un planteamiento algebraico. En la figura 14-13 se designa el ángulo de la manivela como rot, con dirección positiva cmr, y el ángulo de la biela es cf>. positivo en la dirección indicada. Una relación entre estos dos ángulos es , sen wt = 1 sencf> (a) Si la posición del pistón respecto a O2 se designa mediante la coordenada x, se en cuentra x = , cos wt + 1 cos cf> = , cos rot + 1 JI- (Ísen wt)2 (14-8) Para la mayor parte de los motores, la razón ,/1 es aproximadamente J, de modo que el valor máximo del segundo término bajo el radical es aproximadamente �, o quizá menos. Si se desarrolla el radical utilizando el teorema del binomio y se hace caso omiso de todos los términos, excepto los dos primeros, resulta Puesto que JI- (fsenwtr= 1 sen2 wt 1-cos 2wt 2 La ecuación (14- 8) se convierte en x = 1 - �+ ,(cos wt + :¡cos 2rot) (b) (e) (14-9)
- 509. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 493 Haciendo las derivadas sucesivas para obtener la velocidad y la aceleración se ob tiene x=::;-rCtJ(senCtJt + ;, sen 2CtJt ) (14-10) .i =-ra(senCtJt + �sen2CtJt)- rCtJ2(COS CtJt + Ícos 2CtJt) (14-11) Con referencia una vez más a la figura 14-13, se designa un vector fuerza de los gases como P, se define, o se obtiene, utilizando los métodos de la sección 14-2. Las reacciones debidas a esta fuerza se designan con un solo apóstrofo; de donde Fí4 es la fuerza de la pared del cilindro que actúa contra el pistón. F34es la fuerza de la biela que actúa contra el pistón en su pasador. El poligono de fuerzas de la figura 14-13 muestra la relación entre P, Fí4. Y F34. Por consiguiente, se tiene Fí4 = P tan <b J (14-12) La cantidad tan <b aparece con frecuencia en las expresiones de este capítulo; por tanto, resulta conveniente desarrollar una expresión en términos del ángulo de la manivela CtJt. En consecuencia, tan <b =::; senCtJt cos <b (r/l) senCtJt y1 - [(rll) senCtJt]2 Ahora, aplicando una vez más el teorema del binomio, se encuentra que 1 = 1 + � sen2 CtJt v'1- [(r/l) sen CtJt]2 2[2 (d) (e) en donde sólo se han conservado los dos primeros términos. La ecuación (d) se convierte ahora en r ( ,2 2 ) tan <b T senCtJt 1 + 2P sen CtJt ' (14-13) La trigonometría de la figura 14-13 muestra que la fuerza en el cojinete del pasador de articulación (pasador del pistón) tiene una magnitud de F34=�= p cos <b Yl- [(rll) senCtJt]2 o bien, en notación vectorial. F34=pi - F4J =::; pi- P tan <b J (f) (14-14) Si se toman momentos en torno al centro de la manivela, se encuentra que el momento de torsión Tíl entregado por la manivela al eje es el producto de la fuer-
- 510. 494 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS za Fí4 y la coordenada del pistón x. Si se aplican las ecuaciones (14-9), (14-12) Y (14-13), se obtiene Tí, = Fí4Xk = p(Ísenwt)(1 +;;2 sen2wt)[1 �;+r(coswt +:1cos 2wt)Jk (g) Cuando se multiplican los términos de la (g), se puede hacer caso omiso de los que contienen segundas potencias, o mayores, de rll, introduciendo con ello un error muy pequeño. La (g) entonces se convierte en Tíl = Pr senwt(1 +Ícoswt)k (14-15) Este es el momento de torsión entregada al cigüeñal por la fuerza de los gases; se considera que la dirección opuesta al movimiento de las manecillas del reloj es positiva. 14-5 MASAS EQUIVALENTES Los problemas 13-5 y 13-6 son ejemplos de mecanismos de motor cuya dinámica se debe analizar aplicando los métodos de ese capitulo, que consisten en un análisis gráfico o en uno vectorial. Los resultados son exactos, excepto por los errores de redondeo, sea cual fuere el método que se emplee. En este capítulo el estudio tiene interés en el mismo problema. Sin embar go, se acostumbra hacer ciertas simplificaciones para reducir el problema a una forma algebraica. Estas simplificaciones introducen ciertos errores en el análisis, y tales errores y simplificaciones constituyen el tema de estudio de esta· sección. Al analizar las fuerzas de inercia debidas a la biela de un motor, con frecuen cia conviene concentrar una porción de la masa en el pasador de la manivela A y la porción restante en el pasador de articulación B (Fig. 14-14). La razón de esto es que el pasador de la manivela se mueve sobre un círculo y el pasador de articu lación en línea recta. Estos dos movimientos son muy fáciles de analizar. Sin em bargo, el centro de gravedad G se encuentra en algún punto entre el pasador de la
- 511. DINAMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 495 manivela y el pasador de articulación, y su movimiento es más complicado y, por ende, más difícil de determinar en forma algebraica. Se supone que la masa de la biela m] está concentrada en el centro de gravedad G3• Esta masa se divide en dos partes; una de ellas, m3B. se concentra entonces en el pasador de articulación B; la otra, m3P, se concentra en el centro depercusión P para la oscilación de la biela en torno a B. Esta disposición de la masa de la biela es dinámicamente equivalente a la biela original, si la masa total es la misma, si la posición del centro de gravedad 03 se mantiene invariable y si el momento de iner cia no cambia. Al escribir estas tres condiciones, respectivamente, en forma de ecuación produce m3BlB == m3plp la = m3Bn + m3pl� (a) (b' (e) Al resolver simultáneamente las ecuaciones (a) y (b) da la porción de la masa que se debe concentrar en cada punto. Después de sustituir las ecuaciones (14-16) en la (e), da l lp 12 lB [2 [ I G= m] lB + lp B + m3lB + lp p = m] ¡>lB (d) o bien, (14-17) La (14-17) muestra que las dos distancias lp y lB son mutuamente dependientes. Por tanto, si se especifica lB por adelantado, la longitud de 'p queda fija mediante la (14-17). En la biela común, el centro de percusión está cerca del pasador de la manivela y se supone que son coincidentes. Por tanto, haciendo que lA = [p, las (14-16) se reducen a (14-18) Se observa una vez más que las masas equivalentes, obtenidas por las ecuaciones (14-18), no son exactas debido a la suposición hecha; pero son bastante aproxi madas para las bielas comunes. Por ejemplo, la aproximación no es válida para la biela maestra de un motor radial, porque el extremo del pasador de la manivela tiene cojinetes para todas las otras bielas, así como su propio cojinete. Para los fines de estimación y verificación, aproximadamente dos tercios de la masa deben concentrarse en A y la porción restante en B.
- 512. 496 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 14-15 En la figura 14-15 se ilustra un eslabonamiento de motor en el que la masa de la manivela m2 no está equilibrada, como lo demuestra el hecho de que el centro de gravedad O2 esté desplazado hacia afuera, a lo largo Je la manivela, una dis tancia ro en relación con el eje de rotación. En el análisis de las fuerzas de inercia, se obtiene la simplificación localizando una masa equivalente m2A en el pasador de la manivela. Por consiguiente, para la equivalencia o (14-19) 14-6 FUERZAS DE INERCIA Cuando se aplican los métodos de la sección precedente, se comienza localizando las masas equivalentes en el pasador de la manivela y en el pasador de articulación; de donde, (14- 20) (14- 21) La ecuación (14- 20) afirma que la masa mA, ubicada en el pasador de la manivela, está constituida por las masas equivalentes m2A de la manivela y m3A de parte de la biela. Por supuesto, si la manivela está equilibrada, se supone que toda su masa está localizada en el eje de rotación y, en ese caso, m2A es cero. La ecuación (14- 21) indica que la masa de movimiento alternativo tnB, localizada en el pasador de articulación, se compone de la masa equivalente m3B de la otra parte de la biela y la masa m4 del conjunto del pistón. En la figura 14-16 se muestra el mecanismo de corredera y manivela con las masas tnA y mB localizadas, respectivamente, en los puntos A y B. Si la velocidad angular de la manivela se designa como w y la aceleración angular como a, el vec tor de posición del pasador de la manivela en relación con el origen O2 es RA r cos wt i + r senwt j (a)
- 513. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 497 ··_-x Figura 14-16 Después de derivar dos veces para obtener la aceleración, se obtiene AA = (-ra sen wt rw2 cos wt)i + (ra cos wt - rw2 sen wt)j (14-22) La fuerza de inercia de las partes giratorias es, entonces, -mAAA = mAr(a sen wt + w2 cos wt)i + mAT(-a cos wt + w2 sen wt)j (14-23) Dado que el análisis se hace casi siempre a velocidad angular constante (a = O), la (14-23) se reduce a (14-24) Ya se ha determinado la aceleración del pistón en la (14-11) y se repite aquí para mayor facilidad, en una forma algo diferente. AH = [- ra (sen wt + {/ sen 2wt) rw2(cos wt + Í cos 2wt)Ji (14-25) Por consiguiente, la fuerza de inercia de las partes con movimiento alternativo es -mBAB = [mBra(sen wt -1: {/ sen 2wt)+ mHTw2(cos wt + Ícos 2wt)Ji (14-26) o bien, para velocidad angular constante, (14-27) Al sumar las ecuaciones (14-24) y (14-27) se obtiene la fuerza total de inercia para todas las partes móviles. Las componentes en las direccionesx y y son (14-28) (14-29)
- 514. 498 TEORlA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 14-17 Se acostumbra referirse a la porción de la fuerza que ocurre a la frecuencia angular w rad/s, como lafuerza de inercia primaria, y a la porción que ocurre a 2 w rad/s, como la fuerza de inercia secundaria. Se observa que la componente vertical sólo tiene una parte primaria y que, por tanto, varia directamente con la velocidad del cigüefial. Por otro lado, la componente horizontal, que se encuentra en la direc ción del eje del cilindro, posee una parte primaria que varía directamente con la velocidad del cigüefial, y una parte secundaria que se desplaza al doble de la ve locidad del cigüefial. Ahora se procederá a una determinación del momento de torsión de inercia. Como se muestra en la figura 14-17, la fuerza de inercia debida a la masa en A no tiene brazo de momento en torno a O2 y, por ende, no produce momento de tor sión. Como consecuencia, sólo es necesario considerar la fuerza de inercia dada por la (14-27), debida a la porción con movimiento alternativo de la masa. Par tiendo del polígono de fuerzas de lá figura 14-17, el momento de torsión de inercia ejercido por el motor sobre el cigüefial es (b) En la sección 14-4 aparecen expresiones para x, i, y tan</>. Después de hacer las sustituciones apropiadas por estas cantidades, se obtiene 10 siguiente para el momento de torsión: T�l - mBrw2(cos wt + Ícos 2wt) [1 �;+ r(coswt + :/ cos 2wt)] Ísenwt(1 + ;;2sen2 wt)k (c) Se pueden despreciar los términos que son proporcionales a la segunda potencia o potencias superiores de r/[ al efectuar ía multiplicación indicada. Entonces la (c) se puede escribir T" 21 1 - (r 3r )A -mBr w" senwt 21 + cos wt + 2 / cos 2wt k (d)
- 515. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 499 Así, al utilizar las identidades y 2 sen wt cos 2wt = sen 3wt -sen wt 2 sen wt cos wt = sen 2wt (e) (f) se llega a una ecuación que sólo tiene términos en seno, y la (d) se convierte final mente en mb 2 2 (r 3r ). T�l = T r w 2 / sen wt -sen 2wt - 2 / sen 3wt k (14-30) Este es el momento de torsión de inercia que ejerce el motor sobre el eje en la dirección positiva. Por supuesto, sobre el armazón del motor se ejerce un momen to de torsión de inercia negativo, o en el sentido del movimiento de las manecillas del reloj, de la misma magnitud. La distribución supuesta de la masa de la biela conduce a un momento de iner· cía que es mayor que el valor verdadero. Como consecuencia, el momento de tor sión dado por la (14-30) no es el valor exacto. Además, al simplificar la ecuación (e) se omitieron los términos proporcionales a las segundas potencias, o de orden superior, de r11. Estos dos errores tienen más o menos la misma magnitud y son bastante pequeños para las bielas ordinarias que tienen razones r/I cercanas a t 14-7 CARGAS SOBRE LOS COJINETES E N EL MOTOR DE UN SOLO CILINDRO El diseñador de un motor de pistones debe conocer los valores de las fuerzas que actúan sobre los cojinetes y la forma en que éstas varían en un ciclo de operación. Esto es necesario con el fin de lograr una proporción adecuada y elegir corree· tamente los cojinetes, así como para el diseño de otras piezas del motor. Esta sec ción es una investigación de la fuerza que ejerce el pistón contra la pared del cilin dro, y las fuerzas que actúan contra el pasador del pistón y contra el pasador de la manivela. Las principales fuerzas sobre los cojinetes se investigarán en una sec ción posterior, debido a que dependen de la acción de todos los cilindros del motor. Las cargas resultantes sobre el cojinete están constituidas por las siguientes componentes: l. Las componentes de la fuerza de los gases, designadas con un solo apóstrofo 2. La fuerza de inercia debida al peso del conjunto del pistón, designada con do ble apóstrofo 3. La fuerza de inercia de la porción de la biela asignada al extremo del pasador del pistón, triple apóstrofo 4. La fuerza de inercia de la biela en el extremo del pasador de la manivela, cuádruple apóstrofo
- 516. 500 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS y A -----------���4- --------x (a) (b) B ������� --------- -----��---x , � (e) F" 41 Figura 14-18 Análisis de las fuerzas en el mecanismo del motor cuando sólo se considera la fuerza de inercia debida al peso del conjunto del pistón. Las ecuaciones para las componentes de la fuerza de los gases se han deter minado en la sección 14-4, y se hará referencia a ellas al hallar las cargas totales sobre el cojinete. La figura14-18 es un análisis gráfico de las fuerzas en el mecanismo del motor con una fuerza de los gases cero y sujeto a una fuerza de inercia debida sólo al peso del conjunto del pistón. En la figura 14-18a, se muestra la posición del mecanismo seleccionado para el análisis, y se presenta la fuerza de inercia -m�B actuando sobre el pistón. En la figura 14-18b aparece el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas sobre el pistón, junto con el polígono de fuerzas mediante el cual se obtuvieron. Las figuras 14-18c a e ilustran, respectivamente, los diagramas de cuerpo libre de las fuerzas que actúan sobre la biela, la manivela y el armazón. En la figura 14-18e se observará que el momento de torsión TZ1 equilibra el par de fuerzas formado por F41 y Fíi. Pero la fuerza Fíf en el centro de la ma nivela sigue sin la oposición de alguna otra fuerza. Esta observación es muy im portante y se analizará más adelante en una sección por separado. Las siguientes fuerzas entrañan un interés especial para este estudio: 1. La fuerza F�I del pistón contra la pared del cilindro 2. La fuerza F34 de la biela contra el pasador del pistón
- 517. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 501 3. La fuerza F32 de la biela contra el pasador de la manivela 4. La fuerza F'í2 del cigüeñal contra la manivela Aplicando métodos similares a los que se utilizaron con anterioridad en este ca pitulo, se encuentra que las expresiones analíticas son F�l = -m,.x tan <p j F14 = m,¡ij -m,.x tan <p j F" 32 (14-31) (14-32) (14-33) (14-34) en donde x es la aceleración del pistón, como la expresa la ecuación (14-11), y m4 es la masa del conjunto del pistón. Se puede evaluar la cantidad tan <p en términos del ángulo de la manivela, utilizando la (14-13). En la figura 14-19 se hace caso omiso de todas las fuerzas, excepto aquéllas que se producen debido a esa parte de la masa de la biela que se supone está lo calizada en el centro del pasador del pistón. Por tanto, la figura 14-19b es un diagrama de cuerpo libre de la biela, en el que se muestra la fuerza de inercia por -m3BAB que actúa en el extremo del pasador del pistón. (d) FfIf 43 ---x -ifi�- F'" 34 (e) Figura 14-19 Análisis gráfico de las fuerzas que resultan exclusivamente de la masa de la biela, supo niendo que se concentra en el extremo del pasador de articulación.
- 518. 502 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Se observa ahora que es incorrecto sumar m3B Y m4 Y luego calcular una fuer za resultante de inercia cuando se detenninan las cargas sobre el cojinete, aunque este procedimiento se antojaría más sencillo. La razón de ello es que m4 es la masa del conjunto del pistón y la fuerza de inercia correspondiente actúa en el lado del pistón del pasador de articulación. Pero m3B es parte de la masa de la biela y, por ende, su fuerza de inercia actúa en el lado de la biela del pasador de articu lación. Por tanto, sumar las dos proporcionará resultados correctos para la carga del pasador de la manivela y la fuerza del pistón contra la pared del cilindro, pero dará resultados incorrectos para la carga del pasador del pistón. En las figuras 14-19c, d y e, respectivamente, se ilustran las fuerzas sobre el pasador del pistón, la manivela y el armazón. Se encuentra que las ecuaciones para estas fuerzas, para una manivela que tiene velocidad angular uniforme, son FM= F�í F7í = -F�í (14-35) (14-36) (14-37) (l4-38) En la figura 14-20 se ilustran las fuerzas producidas por esa parte de la masa de la biela que se encuentra en el extremo del pasador de la manivela. Mientras que un contrapeso sujeto a la manivela equilibra la reacción en O:, no se puede hacer IY -�·····- x I'Igura 14-20 Análisis de fuerzas que resultan exclusivamente de la masa de la biela, suponiendo que se concentra en el extremo del pasador de la manivela.
- 519. DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 503 que F�'q sea cero. Por ende, existe la fuerza en el pasador de la manivela, ya sea que la masa giratoria de la biela esté equilibrada o no. E�!� fuerza es (14-39) El último paso es sumar estas expresiones para obtener las cargas resultantes sobre el cojinete. Por ejemplo, la fuerza total del pistón contra la pared del cilin dro se encuentra sumando las ecuaciones (14-12), (14-31) Y (14-35), considerando debidamente los subíndices y los signos. Cuando se simplifica, la respuesta es (14-40) Las fuerzas sobre el pasador del pistón, el pasador de la manivela y el cigüefíal se encuentran en forma similar, y son F34 = (m� + p)i [(m3 B+ m4)x + P] tan <f> j F32= [m3Ara/ cos wt - (m3B+ m4)x -p]i + {m3Arw 2 sen wt + [(m3B + m4}x + P] tan <f>}j F21 = F32 14-8 MOMENTO DE TORSIÓN DEL CIGUEÑAL (14-41) (14-42) (14-43) El momento de torsión entregado por el cigüefíal a la carga recibe el nombre de momento de torsi6n opar motor, del cigüeñal y es el negativo del momento del par formado por las fuerzas F41 y F21. Por tanto, se obtiene a partir de la ecuación (14-44) 14-9 F UERZAS DE SACUDIMIENTO DEL MOTOR En la figura 14-21a se muestra la fuerza de inercia debida a las masas con mo vimiento alternativo actuando en la dirección positiva. En la figura 14-21b se sefialan las fuerzas que actúan sobre el bloque del motor debido a estas fuerzas de inercia. Las fuerzas resultantes son F2h la ejercida por el cigüefial sobre los coji netes principales, y un par positivo formado por F41 y F�l' La fuerza F;, = -mBAB se denomina con frecuencia fuerza de sacudimiento, y el par T = XF41 par de sa cudimiento. Como lo indican las ecuaciones (14-27) y (14-30), la magnitud y direc ción de esta fuerza y el par cambian con wt; en consecuencia, la fuerza de sacu dimiento induce una vibración lineal del bloque en la dIrección x, y el par de sa cudimiento, una vibración de torsión del bloque en torno al centro del cigüefial.
- 520. 504 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 14-21 Fuerzas de inercia debidas a las masas con movimiento alternativo; se han suprimido los apóstrofos como una simplificación. Be puede hacer una representación gráfica de la fuerza de inercia si la (14-27) se reordena como (14-45) en donde F = F11 para simplificar la notación. El primer término de la (14-45) se representa mediante la proyección en x de un vector con longitud mBrw2que gira a w rad/s. Esta es la porción primaria de la fuerza de inercia. El segundo término se represenfa en forma similar mediante la proyección x de un vector con longitud mBrw2(r/1) Y gira a 2w r..1d/s; ésta es la parte secundaria. En la figura 14-22 se muestra un diagrama de esta índole para r/1 = t La fuerza total de inercia o sacudimiento es la suma algebraica de las proyecciones horizontales de los dos vec tores. 14-10 SUGERENCIAS ACERCA DE LOS CÁLCULOS DE MÁQUINAS POR COMPUTADORA Esta sección contiene sugerencias para utilizar computadoras y calculadoras programables para resolver la dinámica de mecanismos de motores. Sin embargo, muchas de las ideas resultarán útiles para lectores que utilicen máquinas no programables, así como para fines de verificación. Diagramas del indicador Sería muy conveniente si se pudiera idear un subpro grama para calcular las fuerzas de los gases y utilizar los resultados directamente
- 521. y DINÁMICA DE LOSMOTORES DE PISTONES 505 Figura 14-22 Diagrama circular para hallar las fuerzas de inercia. La fuerza total de inercia es OA' + OB'. en un programa principal para calcular todas las fuerzas sobre los cojinetes y momentos de torsión en el cigüeñal resultantes. Por desgracia, el diagrama del in dicador teórico se debe manejar a mano con el fin de obtener una aproximación razonable para los datos experimentales. Este manejo se puede hacer gráficamente, o bien, con una computadora que tenga una presentación gráfica. El procedimien to se ilustra mediante el siguiente ejemplo. Ejemplo 14-1 Determinese la relación de presión contra desplazamiento del pistón para un motor de seis cilindros que tiene un desplazamiento de 140 pulg3• una razón de compresión de 8 y una potencia al freno de 57 hp a 2 400rpm. Úsese una eficiencia mecánica del 751lfo, un factor de gráfica de 0.85, una presión de succión de 14.7Ib/pulg� y un exponente politrópico de 1.30. SOLUCION Al reacomodar la (14-2), se encuentra la presión media efectiva al freno como sigue: (33000)(12)(bhp) (33000)(12)(57 /6) 135Ib/pulg2 Pb = tan = (140/6)(2 400/2) Entonces, basándose en la (14-3), la presión media efectiva indicada es Pb 135 Pi = em = 0. Ahora se debe determinar P. en el diagrama teórico de la figura 14-12. Si se aplica la ecuación (14-7), se encuentra que r-l P P. = (k -1),-1' - ri+ PI 8-} 180 ¡ = (1 .3-1)8f.38 0.85 +14.7 = 78 .2 lb/pulg La diferencia de volumen VI-V2 de la figura 14-12 es el volumen barrido por el pistón. Por con siguiente, 140 VI - V2 = la = (; = 23.3 pulg3
- 522. 506 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Entonces, según la (b) de la seción 14-2, se tiene Por tanto. _ r(vl - V2) _ 8(23.3) _ 2 6 6 ul 3 V, - r - l - 8 - 1 - . P g V2 = 2 6 .6 - 23.3 = 3.3 pulg1 Entonces, el porcentaje de espacio muerto Ces C = 3.3(100) = 14 2 23.3 . Expresar los volúmenes como porcentajes del volumen de desplazamiento nos permite escribir la (14-1) en la forma en donde X es el porcentaje de recorrido del pistón, medido a partir del extremo de culata de la carrera. Por ende, se usa la fórmula (lOO+ C)k (100+14.2)1.3 P,e = PI X + C = 14.7 X + 14.2 (1) para calcular la presión durante la carrera de compresión para cualquier posición del pistón, entre X = O Y X 1000/0. (100 + C)k (100 + 14.2)1.3 P I< = p, X + C = 78.2 X+14.2 (2) Las ecuaciones (1) y (2) son fáciles de programar para los cálculos en máquinas. Los resul tados se deben presentar y registrar, o imprimir, para el uso gráfico. De otro modo, los resultados se pueden presentar también en el CRT para manejo manual. En la figura 14-23 se ilustran los resultados del cálculo en forma de gráfica usando!:..X 5%. Obsérvese en particular la manera en la que se han redondeado los resultados a fin de obtener un diagrama suave del indicador. Por supuesto, este redondeo producirá resultados que no se du plicarán con exactitud en tanteos subsiguientes. Las mayores diferencias ocurrirán en la cercanla del puntoB. Análisis de fnerzas En un análisis por computadora, los valores de la presión se leerán a partir de un diagrama como el de la figura 14-23. Puesto que la mayoría de los analistas preferirán tabular estos datos, se debe construir una tabla en donde la primera columna contenga los valores del ángulo de la manivela wt. Para un motor de cuatro ciclos, los valores de este ángulo deben ser considerados desde O hasta 720°. Los valores de x correspondientes a cada wt se deben obtener partiendo de la ecuación (14-9). Luego se obtiene el desplazamiento correspondiente del pistón X, en porcentaje, a partir de la ecuación X =r+l-x(l()() (14-46) Debe tenerse cierto cuidado al tabular X y las presiones correspondientes. En seguida se pueden calcular las fuerzas de los gases correspondientes a cada valor de wt • empleando el área del pistón.
- 523. '" 1 200 '" :; (5 Ji1 000 '" M el :; 800 .e- ..c ci 600 o -a ª '13 400 200 DINÁMICA DE LOS MOTORES DE PISTONES 507 1sT •••• i • , I ! I 1 I r-.. ! " f'.o. � � I � r Figura 14-23 Los puntos marcados con círculos son los resultados de la computadora. El diagrama se re dondeó a mano desde A hasta B y desde e hasta D. El punto B es A --- � D aproximadamente el 75070 de la 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 presión máxima calculada al prin- De sp lazamiento cípio de la carrera de expansión. El resto del análisis es perfectamente directo, úsense las ecuaciones (14-1 1), ( 14- 13) Y (14-40) hasta (14-44), en ese orden. PROB LEMAS 14-1 Un motor de cuatro ciclos de un solo cilindro tiene una razón de compresión de 7.6, y desarrolla 3 bhp a 3 000 rpm. La longitud de la manivela es 0.875 pulg con un diámetro interior de 2.375 pulg. Desarróllese y hágase un diagrama del indicador redondeado aplicando un factor de gráfica de 0.90, una eficiencia mecánica del 72"70, una presión de succión de 14.7 Ib/pulgl y un exponente politrópico ' de 1 .30. 14-2 Constrúyase un diagrama del indicador redondeado para un motor de gasolina de cuatro ciclos y cuatro cilindros que tiene un diámetro interior de 3 .375 pulg, una carrera de 3.5 pulg y una razón de compresión de 6.25. Las condiciones de operación a utilizar son 30 hp a 1 900 rpm. Úsese una eficiencia mecánica del 72"7 0, un factor de gráfica de 0.90 y un exponente politrópico de 1 .30. 14-3 Constrúyase un diagrama del indicador para un motor V6 de cuatro ciclosque tiene un diámetro interior de 100 mm, una carrera de 90 mm y una razón de compresión de 8.40. Este motor desarrolla 150 kW a 4 400 rpm. Úsese una eficiencia mecánica del 750',10, un factor de gráfica de 0.88 y un expo nente politrópico de 1 .30. 14-4 Un motor de gasolina de dos ciclos y un solo cilindro desarrolla 30kW a 4 500 rpm. Dicho motor posee un diámetro interior de 80 mm, una carrera de 70 mm y una razón de compresión de 7.0. De sarróllese un diagrama del indicador redondeado para este motor, empleando un factor de gráfica de 0.90, una eficiencia mecánica del 65"70 y un exponente politr6pico de 1 .30. Úsese 100 kPa para la presión de succión. 14-5 El motor del problema 14-1 tiene una biela de 3k de longitud y pesa 0.21 4 lb, teniendo el centro de masa a 0.40 pulg del extremo del pasador de la manivela. El pistón pesa 0.393 lb. Hállense las reac ciones en los cojinetes y el par de torsión del cigüeñal durante la carrera de expansión correspondiente a un desplazamiento del pistón de X = 30010 (wt = 600). Véase la lista de las respuestas para Pe' 14-6 Repítase el problema 14-5; pero háganse los cálculos para el ciclo de compresión (wt = 660"). 14-7 Hágase un análisis completo de fuerzas del motor del problema 14-5. Trácese una gráfica del momento de torsión del cigüeñal contra el ángulo de la manivela para una rotación de la manivela de 720".
- 524. 508 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 14-8 El motor del problema 14-3 utiliza una biela de 350 mm de largo. Las masas son m3A 0.80 kg, m3B 0.38 kg Y m4 = 1.64 kg. Hállense todas las reacciones en los cojinetes y el momento de torsión del cigüedal para un cilindro del motor durante la carrera de expansión en un desplazamiento del pistón de X 30070 (wt = 63.2"). La presión se debe obtener en el diagrama de indicador que aparece en la lista de respuestas. 14-9 Repítase el problema 14-8, efectuando los cálculos para la misma posición en el ciclo de com presión (wt 656.8°). 14-10 Algunos datos más para el motor del problema 1 4-4 son 13 1 10 mm, AG) = 15 mm, m4 0.24 kg Y mj = 0. 13 kg. Hágase un análisis completo de fuerzas del motor y una gráfica del momento de torsión del cigüeñal contra el ángulo de la manivela para una rotación de la manivela de 360°. 14-1 1 El motor de cuatro ciclos del ejemplo 14-1 tiene una carrera de 2.60 pulg y una biela de 7.20 pulg de longitud. El peso de la biela es 0.850 lb y el centro de masa está a 1 .66 pulg del pasador de la ma nivela. El conjunto del pistón pesa 1 .27 lb. Hágase un análisis completo de fuerzas para un cilindro de este motor, suponiendo una rotación de la manivela de 720°. Úsese una presión de expulsión de 1 6 1b/pulg2 y 10 Ib/pulg2 para la presión de succión. Hágase una gráfica en la que se muestre la variación del momento de torsión del cigüeñal en función del ángulo de la manivela. Para las presiones, úsese la figura 14-23.
- 525. CAPITULO QUINCE BALANCEO El balanceo esla técnica de corregir o eliminar fuerzas o momentos de inercia in deseables. En los capítulos anteriores se ha visto que las fuerzas en el armazón pueden variar de manera significativa durante un ciclo completo de operación. Es tas fuerzas pueden provocar vibraciones que a veces pueden alcanzar amplitudes peligrosas. Incluso aunque no l o fueran, las vibraciones aumentan los esfuerzos componentes y someten a los cojinetes a cargas repetidas que provocan la falla prematura por fatiga de las piezas. Por tanto, en el diseño de maquinaria no basta simplemente con evitar la operación cercana a las velocidades críticas; también es preciso eliminar, o por lo menos reducir, en primera instancia, las fuerzas de iner cia que producen estas vibraciones. Las tolerancias de producción que se aplican en la fabricación de maquinaria se ajustan tan cerradas como sea posible sin elevar el costo de fabricación en forma prohibitiva. En general , resulta más económico producir piezas que no sean ex cesivamente verdaderas y luego sujetarlas a un procedimiento de balanceo, que producir piezas tan perfectas que no requieran corrección alguna. Debido a esto, cada pieza producida es un caso individual en el sentido de que normalmente no se puede esperar que dos piezas requieran las mismas medidas correctivas. Por con siguiente, el problema principal en el estudio del balanceo es la determinación del desbalanceo y la aplicación de correcciones . 15·1 DESBALANCEO ESTÁTICO La configuración ilustrada en la figura 15-1a se compone de una combinación de disco y árbol, o eje, que descansa sobre rieles rígidos y duros, de tal manera que el
- 526. 510 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (a) (b) Figura 15-1 eje, que se supone es perfectamente recto, pueda rodar sin fricción. Se fija un sis tema de referencia xyZ en el disco que se mueve con él. Se pueden conducir experi mentos sencillos para determinar si el disco está estáticamente desbalanceado, de la manera siguiente. Ruédese el disco suavemente impulsándolo con la mano y déjese rodar libremente hasta que vuelva al reposo. Luego márquese con una tiza el punto más bajo de la periferia del disco. Repítase la operación cuatro o cinco veces. Si las marcas quedan dispersas en lugares diferentes alrededor de la periferia, el disco se encuentra balanceado estáticamente. Si todas las marcas coinciden, el disco se en cuentra estáticamente desbalanceado, lo que significa que el eje del árbol y el cen tro de masa del disco no coinciden. La posición de las marcas con respecto al sis tema xy indica la ubicación angular del desbalanceo; pero no su magnitud. Es improbable que cualquiera de las marcas quede localizada a 1 800 de las restantes, aun cuando es teóricamente posible obtener equilibrio estático con el desbalanceo por encima del eje del árbol. Si se descubre que existe desbalanceo estático, éste se puede corregir eliminan do material mediante una perforación en las marcas sefialadas, o bien, agregando masa a la periferia a 1800 de la marca. Puesto que se desconoce la magnitud del desequilibrio, estas correcciones se deben hacer por tanteos. 15-2 ECUACiÓN DEL MOVIMIENTO Si se montan un disco y un eje desbalanceados sobre cojinetes, y se hacen girar, existe la fuerza centrífuga mraw2 como se ilustra en la figura 1 5-lb. Esta fuerza que actúa sobre el eje produce las reacciones giratorias en los cojinetes indicadas en la figura.
- 527. BALANCEO 511 Para determinarla ecuación del movimiento del sistema, se especifica m como la masa total y mu como la masa no balanceada. Asimismo, sea k la rigidez del eje, un número que describe la magnitud de una fuerza necesaria para doblar al eje una distancia unitaria cuando se aplica en O. Por tanto, k tiene las unidades de libras fuerza por pulgada o newtons por metro. Sea e el coeficiente de amorti guamiento viscoso como se definió en la sección 12-1 1. Si se selecciona cualquier coordenada x normal al eje del árbol, ahora se puede escribir 2: Fo = -kx - ex mx + murow2 cos wt = O (a) Se puede hallar la solución de esta ecuación diferencial en cualquier texto que se ocupe de ecuaciones diferenciales o vibraciones mecánicas. Esta solución es (b) en donde <f> es el ángulo comprendido entre la fuerza murow2 y la amplitud X de la vibración del árbol o eje; por tanto, <f> es el ángulo de fase; y su valor es A,. t -) cw o/ an k - mw2 (e) Se pueden hacer ciertas simplificaciones con la ecuación (b), para aclarar su sig nificado. En primer lugar, considérese el término k - mw2 del denominador de la ecua ción (b). Si este término fuera cero, la amplitud de x sería muy grande debido a que sólo estaría limitada por la constante de amortiguamiento e, que por lo general es muy pequeña. El valor de w que hace que el término k - mw2 sea cero, recibe el nombre de velocidad angular natural, velocidad critica y también frecuencia cir cular natural. Este valor se designa como Wn y se ve que es w == Ik " Ym (l5-l) En el estudio de las vibraciones libres o no forzadas, se encuentra que cierto valor del factor viscoso c no conducirá a vibración alguna en lo absoluto. Este valor especial se conoce como coeficiente critico del amortiguamiento viscoso y se expresa mediante la ecuación (1 5-2) La raz6n de amortiguamiento (, es la que existe entre el amortiguamiento real y el crítico, y es C e {=-= - Ce 2mwn (1 5-3)
- 528. 512 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Para la mayor parte de los sistemas de máquinas en los que no se introduce deliberadamente amortiguamiento, ? estará en el intervalo aproximado de 0.015 � ? � 0.120. A continuación, obsérvese que la (b) se puede expresar en la forma x = X cos (wt - <p) (d) Si ahora se divide el numerador y el denominador de la amplitud X de la (b) entre k, se designa la excentricidad como e = rG, Y se introducen las ecuaciones (15-1) y (15-3), se obtiene la razón mX (W/Wn)2 mue Y(1- W2/W�)2 + (2?W/Wn)2 (15-4) Esta es la ecuación para la razón_ de amplitudes de la vibración de una combi nación giratoria de disco y eje. Si se hace caso omiso del amortiguamiento, se hace m = mu, y se sustituye e con rG una vez más, se obtiene {w/Wn)2 X = rG 1 - {W/wn)2 (15-5) en donde rG es la excentricidad y X es la amplitud de la vibración correspondiente a cualquier razón de frecuencias w/wn• Ahora si, en la figura 15-lb, se designa O como el centro del árbol en el disco y G como el centro de masa del disco, se puede llegar a algunas conclusiones interesantes al hacer la gráfica de la (15-5). Esto aparece ilustrado en la figura 15-2, en donde la amplitud se representa gráficamen- + � O�------�---------+---------+----- 'C :;:¡ 2 3 % Razón de frecuencias w/wn � GI---T G$ G$ �� � Figura 15-2 Las pequeñas figuras que aparecen debajo de la gráfica indican la posición relativa de tres puntos, para diversas razones de frecuencia. El centro de masa del disco está en G, el centro del árbol se localiza en O y el eje de rotación está en la intersec ción de las líneas de los centros. Por consiguiente, esta figura muestra tan to las relaciones de amplitud como de fase.
- 529. BALANCEO 513 te sobreel eje vertical y la razón de frecuencias a lo largo de la abscisa. La fre cuencia natural es Wn, que corresponde a la velocidad crítica, en tanto que w es la velocidad real del árbol. Cuando apenas principia la rotación, W es mucho menor que wn y la gráfica indica que la amplitud de la vibración es muy pequeña. Con forme aumenta la velocidad del árbol, también se incrementa la amplitud y se hace infinita en la velocidad crítica. Conforme el eje pasa por la velocidad critica, la amplitud cambia hacia un valor negativo y disminuye conforme aumenta la ve locidad. La gráfica revela que la amplitud nunca regresa a cero, sin importar cuánto se aumente la velocidad del árbol, pero alcanza un valor límite de -ro. Nótese en este intervalo, que el disco está girando en torno a su propio centro de gravedad, que entonces coincide con la linea central del cojinete. El análisis precedente demuestra que los sistemas giratorios estáticamente des balanceados producen vibraciones indeseables y reacciones giratorias en los co jinetes. Se puede reducir la excentricidad ro utilizando equipos de balanceo es tático, pero es imposible reducirla a cero. En consecuencia, por más pequeño que se logre hacer a ro, siempre se pueden esperar problemas cuando w wn• Cuando la frecuencia de operación es mayor que la frecuencia natural, la máquina se debe diseñar de tal modo que pase por la frecuencia natural tan rápidamente como sea posible, con el fin de evitar que se desarrollen vibraciones peligrosas. 15-3 MÁQUINAS DE BALANCEO ESTÁTICO El propósito de una máquina para balancear es indicar, en primer lugar, si una pieza está balanceada. En caso de no estarlo, la máquina debe medir el desbalan ceo, indicando su magnitud y ubicación. Las máquinas para balanceo estático se utilizan sólo para piezas cuyas dimen siones axiales son pequeñas, como por ejemplo, engranes, ventiladores e impul sores, y con frecuencia reciben el nombre de máquinas para balancear en un solo plano, porque la masa debe estar prácticamente en un solo plano. En las secciones que siguen se estudiará el balanceo en varios planos; pero es importante hacer notar aquí que si se deben montar varias ruedas sobre un eje que va a girar, las piezas deben balancearse estáticamente en forma individual antes de montarlas. En tanto que es posible balancear el conjunto en dos planos, después de que se mon tan las piezas, inevitablemente se presentan momentos de flexión adicionales cuan do se hace esto. El balanceo estático es esencialmente un proceso de pesado en el que se aplica a la pieza una fuerza de gravedad o una fuerza centrífuga. Ya se ha visto que el disco y el eje de la sección anterior se podían balancear colocándolo sobre dos rieles paralelos, haciéndolo oscilar y dejándolo encontrar el equilibrio. En este caso, la localización del desbalanceo se encuentra con la ayuda de la fuerza de la gravedad. Otro método para balancear el disco seria hacerlo girar a una velocidad predeterminada. Entonces se podrían medir las reacciones en los cojinetes y utilizar sus magnitudes para indicar la magnitud del desbalanceo. Puesto que la pieza está
- 530. 514 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 15-3 Máquina para balancear el conjunto del rotor de un helicóptero. (Micro-Poise Engineering andSales Company, Detroit, Michigan.) (aj Espécimen desbalanceado Péndulo i li 18 �G I ! (b) Figura 15-4 Operación de una máquina para balanceo estático.
- 531. BALANCEO 515 Figura 15-5Dibujo del nivel universal utilizado en la máquina para balancear Micro-Poise. Los nú meros de la periferia son grados, las distancias radiales están calibradas en unidades proporcionales a onzas-pulgadas. La posición de la burbuja indica tanto la ubicación como la magnitud del desbalanceo. (Micro-Poise Engineering and Sales Company, Detroit, Michigan.) girando mientras se toman las mediciones, se usa un estroboscopio para indicar la ubicación de la corrección requerida. Cuando se fabrican piezas de máquina en grandes cantidades se necesita una máquina para balancear que mida tanto la magnitud como la ubicación del des balanceo, y proporcione la corrección en forma directa y rápida_ También se puede ahorrar tiempo si no es necesario hacer girar la pieza. En la figura 15-3 se muestra una máquina para balancear de este tipo. Esta máquina es esencialmente un pén dulo que se puede inclinar en cualquier dirección, como lo ilustra el dibujo es quemático de la figura 15-4a. Cuando se monta en la plataforma de la máquina un espécimen desbalanceado, el péndulo se inclina. La dirección de la inclinación da la ubicación del desbalanceo, en tanto que el ángulo 8 (Fig. 15-4b) indica la mag nitud. Se recurre a cierto amortiguamiento para eliminar las oscilaciones del pén dulo. En la figura 15-5 aparece un nivel universal que se monta sobre la platafor ma de la máquina para balancear. Una burbuja, que se muestra en el centro, se mueve e indica tanto la ubicación como la magnitud de la corrección.
- 532. 516 TEORíA DEMAQUINAS y MECANISMOS 15-4 DESBALANCEO DINÁMICO En la figura 15-6 se presenta un rotor largo que se va a montar en cojinetes en A y B. Se podría suponer que se colocan dos masas iguales m1 y m2 en los extremos opuestos del rotor, y a distancias iguales r¡ y r2 del eje de rotación. Puesto que las masas son iguales y se encuentran en lados opuestos del eje de rotación, se puede colocar el rotor sobre rieles como se describió con anterioridad, para mostrar que se encuentra estáticamente balanceado en todas las posiciones angulares. Si el rotor de la figura 15-6 se coloca en cojinetes y se hace girar a una ve locidad angular w rad/s, actúan las fuerzas centrífugas m¡r¡w 2 y m2r2w 2 , respec tivamente, en mI Y m2 sobre los extremos del rotor. Estas fuerzas centrífugas producen las reacciones desiguales en los cojinetes FA Y FB, Y todo el sistema de fuerzas gira con el rotor a la velocidad angular w. Por consiguiente, una parte puede estar estáticamente balanceada y, al mismo tiempo, dinámicamente des balanceada (Fig. 15-7). En el caso general, la distribución de la masa a lo largo del eje de la pieza depende de la configuración de la misma, pero se tienen errores al maquinar, y Figura 15-6 E l rotor se encuentra es táticamente balanceado si mI = m2 Y 71 = 72; pero tiene un desbalanceo dinámico. Figura 15-7 a) Desbalanceo estático; cuando el árbol gira, las dos reacciones en los cojinetes están en el mismo plano y tienen la misma dirección. b) Desbalanceo dinámico; cuando el árbol gira, el desbalan ceo crea un par que tiende a voltear el árboL El árbol se encuentra en equilibrio debido al par opuesto formado por las reacciones en los cojinetes. Nótese que las reacciones en los conjuntos siguen estando en el mismo plano, pero tienen direcciones opuestas.
- 533. BALANCEO 517 también alfundir y forjar. Se pueden provocar otros errores o desbalanceos por un calibrado inapropiado, por la existencia de chavetas y por el montaje. Es respon sabilidad del diseñador la de proyectar de tal manera que la línea que una a todos los centros de masa sea una recta que coincida con el eje de rotación. Sin embargo, rara vez se obtienen piezas perfectas y conjuntos perfectos y, en consecuencia, una línea que vaya de uno de los extremos de la pieza al otro, uniendo todos los centros de masa, casi siempre será una curva espacial que en ocasiones puede cruzar el eje de rotación o coincidir con él. Por consiguiente, una pieza desbalanceada estará casi siempre fuera de balance tanto estática como dinámicamente. Este es el tipo de desbalanceo más general, y si la pieza está sostenida por dos cojinetes, es de es perar que las magnitudes así como las direcciones de estas reacciones giratorias en los cojinetes sean diferentes. 15-5 ANÁLISIS DEL DESBALANCEO En esta sección se muestra cómo analizar cualquier sistema giratorio desbalan ceado, y la manera de determinar las correcciones apropiadas aplicando métodos gráficos, métodos vectoriales y programaciones en computadora o calculadora. Análisis gráfico Se usan las dos ecuaciones ¿F=O y (a) (b) Figura 15-8 a) Sistema de tres masas que giran en un solo plano. b) Polígono de fuerzas centrifugas que da a meRe como la corrección requerida.
- 534. 518 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS para determinar la magnitud y ubicación de las correcciones. Se principia obser vando que la fuerza centrífuga es proporcional al producto mr de una masa excén trica giratoria. Por tanto, las cantidades vectoriales, proporcionales a la fuerza centrífuga de cada una de las tres masas m¡R¡, m2Rz, Y m3R3 de la figura 15-80, actuarán en las direcciones radiales como se indica. La primera de las ecuaciones (a) se aplica construyendo un polígono de fuerzas (Fig. 15-8b). Puesto que este polígono requiere de otro vector, meRe para cerrarse, la magnitud de la corrección es meRe y su dirección es paralela a Re. Se supone que las tres masas de la figura 15-8 giran en un solo plano y, por tanto, es un caso de desbalanceo estático. Cuando las masas giratorias se encuentran en planos diferentes, se deben usar las dos ecuaciones (a). La figura 15-9a es una vista desde un extremo de un eje en que se han montado las tres masas mI. m2, Y m3 a las distancias radiales respec tivas Rt. R2, Y R3. La figura 15-9b es una vista lateral del mismo eje, o árbol, mos- Plano Plano izquierdo de derecho de �;mR corrección corrección I I ¡RR mI 1 I I I m3 I I lB I II m, j I (a) 13�� .1 IR (b) Flgura 15·9 Análisis gráfico del desbalanceo.
- 535. BALANCEO 519 trando losplanos de corrección izquierdo y derecho, así como las distancias a las tres masas. Se desea hallar la magnitud y la ubicación angular de las correcciones para cada plano. El primer paso de la solución es tomar una suma de los momentos de las fuer zas centrífugas en torno a algún punto, incluyendo las correcciones. Se decide tomar esta suma en torno a A en el plano izquierdo de corrección, para eliminar el momento de la masa izquierda de corrección. Por ende, al aplicar la segunda de las ecuaciones (a), da (h) Esta es una ecuación vectorial en la que las direcciones de los vectores son para lelas, respectivamente, a los vectores RN de la figura 15-9a. Como consecuencia, se puede construir el polígono de momentos de la figura 15-9c. El vector de cierre mR1RRR da la magnitud y dirección de la corrección requerida para el plano de recho. Ahora ya es factible hallar las cantidades mR Y RR porque generalmente se da en el problema la magnitud de RR' Por consiguiente, se puede escribir la ecuación (e) Puesto que se da la magnitud de RL, esta ecuación se resuelve para la corrección izquierda mr.RL' contruyendo el polígono de fuerzas de la figura 15-9d. Aunque a la figura 15-9c se le conoce como polígono de momentos, es con veniente destacar que los vectores que componen este polígono constan de la mag nitud del momento y las direcciones del vector de posición. Se obtendría un ver dadero polígono de momentos, haciendo girar el polígono 90° mmr, puesto que un vector momento es igual a R x F. Análisis vectorial A continuación se presentan dos ejemplos que ilustran el pro cedimiento vectorial. Ejemplo 15·1 En la figura 15-10 se representa un sistema giratorio que se ha idealizado con fines de ilustración. Un eje sin peso está apoyado en cojinetes enA y B, Y gira a CI)=1001 rad/s. Cuan do se emplean unidades inglesas usuales en EUA., los desbalanceos se describen en onzas. Se co nectan tres pesos, )Ih )1 2 . Y WJ al eje y se hacen girar con él, produciendo un desbalanceo. Determlnense las reacciones en los cojinetes enA y B para la posición particular que se ilustra. SOLUCION Se principia calculando la fuerza centrifuga debida a cada peso en rotación: 2 _ 2(3)(100)2 2 _ 1(2)(100)2 m¡r¡w - 386(16) 9.72 lb m2r2W - 386(16) 3.24 lb 2 - 1.5(2.5)(100)2 - 607 1b m)r)w - 386(16) - . Estas tres fuerzas son paralelas al plano yz y se les puede escribir en forma vectorial por simple observación,
- 536. 520 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS A:-__�______ -p__-+�____� /.L' z Figura 15·10 F¡ = m¡r¡w2 1Jb. 9.72/0· 9.721 F2 = m2r2w 2 ifl2 "" 3.24/120" = -1.62j+2.81k F3 = m3r3w 2 1Jb= 6.07/195· = -5.86j - 1.57k en donde (J se mide, en este ejemplo, en sentido opuesto al mOvimiento de las manecillas del reloj a partir de y, cuando se ve desde el extremo positivo de x. Los momentos de estas fuerzas tomadas alrededor del cojinete en A deben ser equilibrados por el momento de la rotación en el cojinete en B. Por lo tanto, :¿MA llx9.721+3íX (-1.62j+2.8Ik)+4íX(-5.86j 1.57k)+6IXFB O Al resolver, da la reacción en el cojinete en B, como FB 3.IOj 0.358ídb Para hallar la reacción en A, se repite el análisis. Cuando se toman momentos en torno a B se ob tiene :¿MB = -21x(-5.86j 1.57k)+(-3i)x(-1.62j+2.8Ik)+(-5í)x9.721+(-61)xFA = O y al resolver una vez más, da FA = -5.341 - O.882k lb Se encuentra que las magnitudes de las dos reacciones son FA = 5.4tlb '1 F8 = 3.12 lb. Nótese que éstas son las reacCÍones giratorias y que no se incluyen las componentes estáticas o es tacionarias debidas a la fuerza de gravedad. Ejemplo 15-2 a) ¿Cuáles son las reacciones en los cojinetes para el sistema ilustrado en la figura 15-11, si la velocidad es d� 750 rpm? b) Determínese la ubicación y la magnitud de una masa para balancear si se debe colocar a un radio de 0.25 m. SoLUCIÓN a) La velocidad angular a este sistema es w = 27Tn/60 = 27T(750)/60 = 78.5 rad/s. Las fuerzas centrifugas debidas a las masas son
- 537. m3 = 10kg Figura15-11 F,=m,r¡w2=1 2(0.2)(78.5)2(10)- 3 14.8 kN F2= m 2 r 2 w2= 3(0.3)(78.5)2(10)- 3 5.55 kN F3=m3r3w2=10(0.15)(78.5)2(10)-3 9.24 kN En forma vectorial, estas fuerzas son FJ =14.8/0°=14.81 F2=5.55� -3.921 + 3.92j Fl=9.2 4/-150" -8.001 4.621 BALANCEO 521 Para hallar la reacción en el cojinete en B, se toman momentos en torno al cojinete en A. Esta ecuación se escribe L MA =O.3k x [(l4.8b + (-3.921 + 3.92j) + (-8.001-4.62j)] +O.5k x Fa=O Al tomar los productos vectoriales y reordenar da O.5k X Fa =-0.211-O.864j Cuando se resuelve esta ecuación para Fa, se obtiene Fa =1.731 +0.42j y FB 1.78 kN Resp. Se puede encontrar la reacción en A sumando las fuerzas. De donde, y FA=-F¡- F¡ F3 Fa =-14.81 - (-3.921+3.92j)- (-8.001-4.621> -(1.731 +0.42j) =-4.61 1 +0.281 FA =4.62 kN Resp. b) Sea Fe la fuerza correctora. Entonces , para tener reacciones cero en los cojinetes, Por lo tanto Fe=-14.81 - (-3.921 + 3.92]) - (-8.001 -4.621> =-2.881 +0.71 2.96/166' kN
- 538. 522 TEORíA DEMÁQUINAS y MECANISMOS L fmLRL Figura 15-12Notación para la solución en computadora; en la vista desde el extremo no se presentan las correcciones. de modo que Fe me = TcúJ2 1.92kg Resp. Solución en computadora Para hacer un análisis en computadora, conviene es coger el plano xy como el de rotación, haciendo que z sea el eje de rotación, como se muestra en la figura 15-12. De esta manera los vectores de desbalanceo m¡R¡ y los dos vectores de corrección, mLRL en el plano izquierdo y mRRR en el plano derecho, se pueden expresar en la notación polar bidimensional mR mR/{}. Esto facilita el empleo de la característica de conversión polar-rectangular y su inversa, que se encuentra en calculadoras programables. Nótese que la figura 15-12 tiene mI, m2,.' . , mN desbalanceos . Al resolver las ecuaciones (b) y (e) para las correcciones, se obtiene ¡:N mRRR = -mLRL - L m¡R¡ i�l (15-6) (15-7) Estas dos ecuaciones se pueden programar con suma facilidad para obtener su solución en una computadora. Si se utiliza la calculadora programable, se sugiere que se emplee la tecla de suma de varios términos con cada término de la suma in troducido mediante una tecla definida por el usuario. 15-6 BALANCEO DINÁMICO Las unidades en que se mide el desbalanceo por costumbre han sido la onza pulgada (oz'pulg), el gramo-centímetro (g'cm) y la unidad híbrida de gramo pulgada (g·pulg). Si se sigue la práctica correcta en el uso de las unidades SI la unidad más apropiada de desbalanceo en este sistema es el miligramo-metro
- 539. BALANCEO 523 (mg'm) porqueen el SI se prefieren los prefijos en múltiplos de 1 000; en conse cuencia, no se recomienda el prefijo centi, Es más, no se debe emplear más de un prefijo en una unidad compuesta y, de preferencia, la primer cantidad nombrada debe tener prefijo, Por consiguiente, no se deben utilizar el gramo-centímetro ni el kilogramo-milímetro, aunque ambos tienen magnitudes aceptables, En este libro se uzará la onza-pulgada (oz'pulg) y el miligramo-metro (mg'm) como unidades de desbalanceo. Se ha visto que basta el balanceo estático para discos, ruedas, engranes y elementos semejantes giratorios, cuando se puede sUIwner que la masa existe en un solo plano de rotación, En el caso de elementos de máquina más largos, como rotores de turbinas o armaduras de motores, las fuerzas centrífugas desbalan ceadas conducen a pares cuyo efecto es tender a que el rotor se voltee. El propósito del balanceo es medir el par desbalanceado y agregar un nuevo par en la dirección opuesta y de la misma magnitud. Se introduce el nuevo par mediante la adición de masas en dos planos de corrección preseleccionados, o bien, restando masas (haciendo perforaciones) de los dos planos. Se va a balancear un rotor que por lo común tendrá desbalanceo tanto estático como dinámico y, en consecuencia, las masas de corrección, su ubicación radial o ambas cosas no serán las mismas para los dos planos de corrección. Esto significa también que la separación angular de las masas de corrección en los dos planos rara vez será de 1800• Por consiguiente, para balancear un rotor, se debe medir la magnitud y ubicación angular de la masa de corrección para cada uno de los dos planos de corrección. Tres métodos de medir las correcciones para dos planos son de uso general: de la cuna pivotada, del punto nodal y de la compensación mecánica. En la figura 1 5-13 se presenta un espécimen que se debe balancear montado sobre medios cojinetes o rodillos que están sujetos a una cuna. El extremo derecho A B Volante Pivote liberado Pivote Indicador de amplitud de la izquierda Figura 15-13 Dibujo esquemático de una máquina para balancear de cuna pivotada.
- 540. 524 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS del espécimen se conecta a un motor impulsor por medio de una articulación universal. Se puede hacer oscilar la cuna alrededor de cualquiera de los dos puntos que se ajustan para coincidir con los planos de corrección del espécimen que se va a balancear. En la figura, el pivote izquierdo se muestra en la posición liberada, y la cuna y el espécimen pueden oscilar libremente en torno al pivote derecho, que aparece en la posición de trabajo. Los resortes y los amortiguadores se aseguran en cada extremo de la cuna para proporcionar un sistema vibrante de un solo grado de libertad. Con frecuencia se hacen ajustables de manera que se pueda ajustar la frecuencia natural con la velocidad del motor. También se muestran los indica dores de amplitud en cada extremo de la cuna. Estos transductores son transfor madores diferenciales, como se describen en la sección 17-4, o bien, pueden cons tar de un imán permanente montado sobre la cuna que se mueve en relación con una bobina estacionaria, para generar un voltaje proporcional al desbalanceo. Cuando los pivotes están localizados en los dos planos de corrección, se puede trabar cualquiera de ellos y se toman lecturas de la magnitud y ángulo de ubicación de la corrección. Las lecturas obtenidas serán totalmente independientes de las mediciones tomadas en el otro plano de corrección, porque un desbalanceo en el plano del pivote trabado no tendrá momento alguno en torno al mismo. Con el pivote de la derecha trabado, un desbalanceo corregible en el plano izquierdo de corrrección producirá vibración cuya amplitud se mide mediante el indicador iz quierdo de amplitud. Cuando se hace (o se mide) esta corrección, se suelta el pi vote de la derecha, se traba el de la izquierda y se hace otro conjunto de medi ciones para el plano de corrección de la derecha, empleando el indicador de am plitud de la derecha. La relación entre la magnitud del desbalanceo y la amplitud medida está dada por la ecuación (15-4). Al reordenar y sustituir e por r, da x en donde mur= desbalanceo m = masa de la cuna y espécimen X = amplitud 05-S) Esta ecuación muestra que la amplitud del movimiento X es directamente propor cional al desbalanceo mur. En la figura 1 5-140 se tiene una gráfica de ella para una razón de amortiguamiento en particular, �. La figura muestra que la máquina será más sensible cerca de la resonancia(w=wn ),puesto que en esta región la amplitud máxima se registra para un desbalanceo dado. En las máquinas para balancear se introduce el amortiguamiento deliberadamente con el fin de filtrar ruidos y otras vibraciones que podrían afectar los resultados. El amortiguamiento ayuda también a mantener calibración contra efectos de la temperatura y otras condiciones del medio ambiente. En la figura 1 5-13 no se incluye un generador de sefíales senoidales que se conecta al eje impulsor. Si la onda senoidal resultante se compara en un oscilos-
- 541. 2 Raz6n de frecuencia,w/wn (a) Figura 15-14 3 � 180 1 -& 1 90 � 1 2 Raz6n de frecuencia, w/w" (bl BALANCEO 525 3 copio de haz dual, con la onda generada por uno de los indicadores de amplitud, se encontrará una diferencia de fase. Esta diferencia de fase angular es la ubicación angular del desbalanceo. En una máquina para balancear, un fasómetro elec trónico mide el ángulo de fase y da el resultado en otro medidor calibrado en grados. Para localizar la corrección sobre el espécimen (Fig. 15-13) se hace girar con la mano el volante de referencia angular hasta que el ángulo indicado esté en linea con un indicador de referencia. Esto coloca el lado pesado del espécimen en cualquier posición preseleccionada y permite hacer la corrección. Operando con la (e) de la sección 15-2, se obtiene la ecuación para el ángulo de fase en forma paramétrica. Por tanto, (15-9) En la figura 15-4b se muestra una gráfica de esta ecuación para una sola razón de amortiguamiento y varias razones de frecuencias. Esta curva muestra que, en la resonancia, cuando la velocidad úl del eje y la frecuencia natural úln del sistema del eje son las mismas, el desplazamiento va atrás del desbalanceo en un ángulo <p = 90°. Si la parte superior del espécimen está girando alejándose del operador, el desbalanceo será horizontal y quedará directamente frente al propio operador, cuando el desplazamiento es máximo hacia abajo. En la figura se señala también que la ubicación angular tiende a 1800 conforme la velocidad de árbol úl aumenta por encima de la resonancia. 15-7 BALANCEO DE MÁQUINAS En la figura 15-15 se ilustra una máquina para balancear de cuna pivotada, para producción a alta velocidad. En el extremo izquierdo se puede ver el generador de señales montado en el eje.
- 542. 526 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 15-15 Máquina para balanceo estático y dinámico de cuna pivotada, marca Tinius Olsen, con un espécimen montado para su balanceo. (Tinius Olsen Testing Machine Company, Willow Grove, Penn· sy/vania. ) - Balanceo de punto nodal La separación de los planos utilizando un punto de vi bración cero o mínima recibe el nombre de método del punto nodal de balanceo. Examínese la figura 15-16 con el fin de ver cómo funciona este método. Aquí el es pécimen que se va a balancear se muestra montado sobre cojinetes que están su jetos a una barra nodal. Se supone que el espécimen ya está balanceado en el plano de corrección de la izquierda y que todavía existe un desbalanceo en el plano de recho, tal como se indica. Debido a este desbalanceo, se produce una vibración en todos el conjunto, haciendo que la barra nodal oscile en torno a algún punto 0, ocupando primero la posición ce y luego DD. Se localiza con facilidad el punto 0, deslizando un indicador de carátula a lo largo de la barra nodal; entonces se en cuentra fácilmente un punto de movimiento cero o de movimiento mínimo; éste es el punto nulo o nodal. Su localización es el centro de oscilación para un centro de percusión en el plano de corrección de la derecha.
- 543. BALANCEO 527 A BOesbalanceo D c--------- �a nodal Indicador de carlltula -� D Figura 15-16 Separación de los planos aplicando el método del punto nodal. La barra nodal experimen ta la misma vibración que el espécimen. Al princIpIO de esta exposición se supuso que no existia desbalanceo en el plano de corrección de la izquierda; sin embargo, si existe algún desbalanceo, su magnitud la dará el indicador de carátula ubicado en el punto nodal que se acaba de encontrar. Por ende, al localizar el indicador de carátula en este punto nodal, se mide el desbalanceo en el plano de la izquierda sin interferencia alguna del que existe en el plano de la derecha. De manera semejante, se puede encontrar otro punto nodal que sólo medirá el desbalanceo en el plano de corrección de la derecha sin interferencia alguna de la que existe en el plano de la izquierda. En máquinas para balancear de tipo comercial que utilizan el principio del punto nodal, la separación de los planos se logra en redes eléctricas. Como ejem plo típico de estas se puede citar el Micro Dynamic Balancer, un esquema del cual aparece en la figura 15-17. En esta máquina se tiene una perilla de conmutación que selecciona cualquier de los planos de corrección y presenta el desbalanceo en un voltímetro calibrado, el cual está calibrado en unidades apropiadas de des balanceo. Captor Computadora electrónica Figura 15-17 Diagrama del circuito eléctrico en una máquina para balancear Micro Dynamic. (Micro Balancing, Inc., Garden CUy Park, New York.)
- 544. 528 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS La computadora de la figura 15-17 contiene un filtro que elimina los ruidos de los cojinetes y otras frecuencias no relacionadas con el desbalanceo. Se emplea una red multiplicadora para dar cualquier sensibilidad deseada y para hacer que el medidor indique la lectura en unidades de balanceo preseleccionadas. La luz es troboscópica es impulsada por un oscilador qué se sincroniza con la velocidad del rotor. El rotor se impulsa a una velocidad mucho mayor que la frecuencia natural del sistema y, puesto que el amortiguamiento es muy reducido, la figura 15-14b muestra que el ángulo de fase será de 1800 aproximadamente. En el extremo derecho del rotor aparecen marcados grados o números que se pueden leer y son estacionarios bajo la luz estroboscópica durante la rotación del rotor. En conse cuencia, lo único que se requiere es observar el número o grado de la estación par ticular que se marca bajo la luz estroboscópica para localizar el punto pesado. Cuando se cambia el conmutador hacia el otro plano de corrección, el medidor vuelve a indicar la magnitud y la luz estroboscópica ilumina la estación. A veces bastan cinco números de estación, distribuidos uniformemente en torno a la pe riferia, para lograr un balanceo adecuado. La dirección de la vibración es horizontal y el ángulo de fase es casi de 1800; de donde, una rotación en que la parte superior del rotor se aleja del operador hará que el punto pesado quede en un plano horizontal y en el lado cercano del eje cuando se ilumina mediante la lámpara estroboscópica. Generalmente se coloca aquí un señalador para indicar su ubicación. Si, durante el balanceo de produc ción, se descubre que el ángulo de fase es menor que 1800, se puede desplazar ligeramente el señalador de tal manera que indique la posición apropiada para ob servar. Compensación mecánica Un rotor desbalanceado localizado en una máquina para balancear al girar desarrolla una vibración. Se pueden introducir en la máquina de balancear contrafuerzas en cada plano de corrección que balanceen exactamente las fuerzas que provocan la vibración. El resultado de introducir estas fuerzas es un motor que funciona con suavidad. Al detenerse, se miden la ubicación y mag nitud de la contrafuerza, para obtener la corrección exacta que se requiere. Este método recibe el nombre de compensación mecánica. Cuando se utiliza la compensación mecánica, no importa la velocidad del rotor durante el balanceo debido a que el equipo estará calibrado para todas las velo cidades. El rotor se puede impulsar por medio de una banda, a través de una ar ticulación universal, o bien, puede autoimpulsarse si se trata, por ejemplo, de un motor de gasolina. El equipo electrónico es simple, no requiere amortiguamiento incluido y la máquina es fácil de operar debido a que el desbalanceo en ambos planos de corrección se mide simultáneamente, y la magnitud y ubicación se leen en forma directa. Si se examina con cuidado la figura 15-18a, se puede entender cómo se aplica la compensación mecánica. Al observar el extremo del rotor, se ve uno de los planos de corrección con el desbalanceo que se va a corregir representado con wr.
- 545. Desbalanceo (a) (bJ BALANCEO 529 Figura15-18 Plano de corrección visto a lo largo del eje de rotación, para mostrar el desbalanceo y los pesos compensadores: a) la posición de los pesos compensadores aumenta la vibración; b) sistema com pensado. En la figura aparecen también dos pesos compensadores. Estos tres pesos deben girar con la misma velocidad angular ev, pero se pueden hacer variar la posición de los pesos compensadores en relación el uno con el otro, y en relación con el peso no balanceado, por medio de dos controles. Uno de estos controles hace variar el ángulo a, es decir, el comprendido entre los pesos compensadores. El otro control cambia la posición angular de los pesos compensadores en relación con el desbalan ceo, es decir, el ángulo {3. La perilla que cambia el ángulo {3 es el control de ubicación y, cuando se compensa (balancea) el rotor en este plano, un indicador en la perilla sefíala la ubicación angular exacta del desbalanceo. La perilla que cambia el ángulo a es el control de magnitud, y también da una lectura directa cuando se compensa el desbalanceo del rotor. La magnitud de la vibración se mide eléctri camente y se presenta en un voltímetro. Por consiguiente, se asegura la compen sación cuando se manipulan los controles de tal modo que la lectura en el voltí metro sea cero. 15-8 BALANCEO DE CAMPO CON LA CALCULADORA PROGRAMABLEt Se puede balancear una máquina en el campo, balanceando un solo plano a la vez. Pero los efectos cruzados y la interferencia de los planos de corrección a menudo requieren que se balancee cada extremo del rotor dos o tres veces, a fin de obtener resultados satisfactorios. Algunas máquinas pueden requerir hasta una hora para lograr que alcancen su velocidad plena, lo que conduce incluso a más demoras en el procedimiento de balanceo. tLos autores expresan su gratitud a W. B. Fagerstrom, de E. 1. du Pont de Nemours, Wilmington, De laware, por haber contribuido con algunas ideas para esta sección.
- 546. 530 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS tlL I --TA I L R Fillura 15·19 Notación para el balanceo de campo en dos planos. El sistema xy es la referencia giratoria. El balanceo de campo es necesario para rotores muy grandes, para los que las máquinas de balanceo no son prácticas; e incluso, aun cuando los rotores de alta velocidad se balanceen en el taller durante su fabricación, con frecuencia resulta necesario volverlos a balancear en el campo debido a ligeras deformaciones producidas por el embarque, por fluencia o por altas temperaturas de operación. Tanto Rathbone como Thearle* han desarrollado métodos de balanceo en dos planos en el campo que ahora se pueden expresar en notación de números com plejos y se resuelven con una calculadora programable. El tiempo que se ahorra el usar una calculadora programable es de varias horas cuando se compara con los métodos gráficos o el análisis con números complejos usando una calculadora científica ordinaria. En el análisis que sigue, se usarán letras en negritas pará representar números complejos: R = RI8 = Rel8 = x + jy En la figura 15-19 se supone que existen los desbalanceos desconocidos ML y MR en los planos de corrección izquierdo y derecho, respectivamente. Las mag nitudes de estos desbalanceos son ML y MR Y se localizan en los ángulos <PL y 4>R a partir de la referencia de la rotación. Cuando se han encontrado estos desbalan ceos, se localizan sus negativos en los planos izquierdo y derecho para lograr el balanceo. Los desbalanceos giratorios ML y MR producen perturbaciones en los co jinetes A y B. Si se usa un equipo comercial para balanceo en el campo, se pueden medir las amplitudes y las ubicaciones angulares de estas perturbaciones. Se usará la notación X= X0!, con los subíndices apropiados, para designar estas am plitudes. En el balanceo de campo, se hacen tres corridas o pruebas, como sigue: :j;T.C. Rathbone, "Turbine Vibration and Balancing", Trans, ASME, 1929, p.267; E.L. Thearle, "DynamicBalancing in the Field", Trans ASME, 1934, p. 745.
- 547. BALANCEO 531 Primera corrida.Mídase la amplitud XA = XA/PA en el cojinete A y la amplitud XB = XB/PB en el cojinete B, debidas sólo a los desbalanceos originales ML ML/PL Y MR = MR&. Segunda corrida. Agréguese la masa de ensayo mL = al plano de correc- ción de la izquierda y mídanse las amplitudes XAI_ = y XBL XBL/PBL en los cojinetes izquierdo y derecho (A yB), respectivamente. Tercera corrida. Elimínese la masa de ensayo mL mL/6L• Agréguese la masa de ensayo mR mR/6R al plano de corrección del lado derecho y mídanse nue vamente las amplitudes en los cojinetes. Estos resultados se designan como XAR XAR/PAR para el cojinete A y XBR = XBR/pBR para el cojineteB. Nótese que en las corridas anteriores, el término "masa de ensayo" significa lo mismo que desbalanceo de ensayo, a condición de que se utilice una distancia unitaria desde el eje de rotación. Para desarrollar las ecuaciones para el desbalanceo que se deben encontrar definamos primero la rigidez compleja, con lo cual se quiere dar a entender la am plitud que resultaría en cualquiera de los cojinetes debida a un desbalanceo uni tario ubicado en la intersección de la marca de referencia giratoria y uno de los planos de corrección. Por tanto, es necesario encontrar las rigideces complejas AL y BL debidas a un desbalanceo unitario ubicado en la intersección de la marca de referencia giratoria y el plano L. Además, se requieren las rigideces complejas AR y BR debidas a un desbalanceo unitario localizado en la intersección de la marca de referencia giratoria y el plano R. Si se conocieran estas rigideces, se podrían escribir los conjuntos siguientes de ecuaciones complejas: XAL = XA +ALmL XAR = XA +ARmR XBL XB +BLmL XBR XB +BRmR (a) (b) Después de que se efectúan las tres corridas, las rigideces serán las únicas incógnitas en estas ecuaciones; de donde, A - XAL-XA BL XBL-XB L- mL mL (15-10) A _XAR XA BR R- mR mR Luego, a partir de la definición de rigidez, de la primera corrida se tiene (e) Al resolver simultáneamente este par de ecuaciones, da
- 548. 532 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS M - XABR - XBAR L - ALBR -ARBL (15-1 1) Estas ecuaciones se pueden programar en la forma polar compleja. o bien. en la forma rectangular compleja. Las sugerencias que siguen se propusieron supo niendo una forma rectangular compleja para la solución. Puesto que los datos originales se plantearon en coordenadas polares. se debe escribir una subrutina para transformar los datos a coordenadas rectangulares, an tes de almacenarlos. Las ecuaciones revelan que con frecuencia se utilizan la sustracción, división y multiplicación complejas. Estas operaciones se pueden plantear como subrutinas que deben pedirse del programa principal. Si A = a + Jb y B = e + jd, para la sustracción compleja es A - B = (a -e) + J(b -d) Para la multiplicación compleja, se tiene A· B = (ae bd) + j(be + ad) y para la división compleja la fórmula es A (ae + bd) + j(bc - aa) ¡= c 2 + d2 (15-12) (15-13) (15-14) Con estas subrutinas resulta sencillo programar las ecuaciones (15-10) y (15-11). La dirección indirecta puede ahorrar espacio. Como verificación de la programación, utilícense los siguientes datos: XA = 8.6/�, Xa 6.5/206°, mL = 10/270", mR = 12/180°, XAL = 5.9/123°, XBL = 4.5/228°, XAR = 6.2/36°, XBR = 10.4/162°. Las respuestas son ML = 10.76/146.6° Y MR = 6.20/245.4°. Según Fagerstrom, los ángulos de vibración utilizados se pueden expresar en dos sistemas diferentes. El primero de ellos es el sistema de marca estacionaria y transportador giratorio. (RPSM-rotating- protraetor-stationary-mark system). Este es el sistema que se usó en el análisis anterior y el que preferiría un teórico. En la práctica real, casi siempre resulta más fácil tener el transportador estacionario y utilizar una marca giratoria, como una cuña o un cuñero. Este se conoce como sis tema de transportador estacionario y marca giratoria (RMSP rotati ng-mark stationary-protractor-system ». La única diferencia entre ambos sistemas está en el signo del ángulo de vibración, pero no hay cambio de signo en la masa de ensayo o corrección.
- 549. BALANCEO 533 15-9 BALANCEODEL MOTOR DE UN SOLO CILINDRO Las masas giratorias en un motor de un solo cilindro se pueden balancear aplican do los métodos ya analizados en este capítulo. Sin embargo, las masas de movi miento alternativo no se pueden balancear en lo abs�luto y, en consecuencia, el contenido de esta sección se refiere en realidad al desbalanceo. Aunque las masas con movimiento alternativo no se pueden balancear usando un simple contrapeso, es posible modificar las fuerzas de sacudimiento (véase la sección 14-9) desbalanceando las masas giratorias. Como ejemplo de esto, agré guese un contrapeso opuesto al pasador de la manivela cuya masa exceda a la giratoria en la mitad de la masa con movimiento alternativo (por lo general se agrega al contrapeso entre un medio y dos tercios de la masa con movimiento al ternativo para alterar las características de balanceo en los motores de un solo cilindro). Se designará la masa del contrapeso por me, sustitúyase esta masa en la ecuación (14-24) y úsese un signo negativo porque el contrapeso está opuesto al pasador de la manivela, entonces la fuerza de inercia debida a este contrapeso es Fe = -merw2 cos wt ¡ -merw2 senwt j (a) Nótese que tanto la masa para balancear como el pasador de la manivela tienen el mismo radio. Designando por mA Y mB las masas de las piezas giratorias y con movimiento alternativo, respectivamente, como en el capítulo 14, se tiene mB mc=mA+T según la suposición anterior. Ahora la (a) se puede escribir (b) La fuerza de inercia debida a las masas giratorias y con movimiento alternativo es, según las ecuaciones (14-28) y (14-29), FA,B FX¡+FYj=[(mA+mB)rw2 cos wt+mBrw2 feos 2wtJi+mArw2 senwt j (d) Al sumar las ecuaciones (e) y (d), se obtiene la fuerza de inercia resultante como El vector (mB 2 ' r ), mB 2 A F T rw cos wt+mBrw· y cos2wt i- T rw senwt j mB 2 ' , T rw (cos wt i -senwt j) (15-15)
- 550. 534 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS se denomina componente primaria de la (15-15). Esta componente tiene la mag nitud mBrw2/2 Y se puede representar como un vector giratorio hacia atrás (en el mismo sentido que el movimiento de las manecillas del reloj) con velocidad angular w. La componente restante de la (15-15) recibe el nombre de componente secun daria; es la proyección x de un vector cuya longitud es mBrw2(r/l) Y que gira hacia adelante (en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj) con una velocidad angular 2w. La fuerza de inercia máxima se produce cuando wt = O y, según la (15-15), se ve que (e) porque cos cut = cos 2wt cuando wt = O. Antes que se agregara el con- trapeso adicional, la fuerza de inercia máxima era (f) Por ende, en este caso, el efecto del contrapeso adicional es reducir la fuerza máxima de sacudimiento en un 500/0 de la componente primaria y agregar fuerzas de inercia verticales en donde antes no existían. En la figura 15-20 se tiene la re presentación gráfica de la ecuación (15- 15) como un diagrama polar, para un valor rlI de 1. Aquí el vector OA gira en sentido opuesto al movimiento de las ma necillas del reloj con una velocidad angular 2w. La proyección horizontal de este vector OA' es la componente secundaria. El vector OB, la componente primaria, gira en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj con una ve locidad angular w. Se muestra la fuerza total de sacudimiento F para la posición de 30° y es la suma de los vectores OB y BB ' = OA'. Método de la m�a imaginaria Stevensen ha redefinido y ampliado un método de balanceo de motores que aquí recibe el nombre de método de la masa imaginaria.t Es probable que este sistema se conozca en algunos círculos como método del rotor virtual, porque utiliza lo que se podría llamar un rotor virtual que contragira para recibir parte del efecto del pistón en un motor de movimiento alternativo. Antes de entrar en detalles, es necesario explicar un cambio en el método de ver el círculo de la manivela de un motor. Al desarrollar el método de la masa t La presentaciÓn que se da aqu! se debe a Edward N. Stevensen, Universidad de Hartford, tomada de sus notas de clase con su autorización. Aunque se han hecho algunos cambios para conformarse a la notación de este libro, todo el material le pertenece a Stevensen. Él hace referencia a Maleev y Lichty [Y. L. Maleev, Internal Combustion Engines, McGraw-Hill, New York, 1933, y L.C. Lichty, Internal Combustion Engines, 5d . ed., McGraw-Hill, New York, 19391 y aclara que vio por primera vez el método en los libros de Maleev y Lichty.
- 551. BALANCEO 535 y 270· Figura 15·20Diagrama polar de las fuerzas de inercia en un motor de un solo cilindro, para r/l=t El contrapeso incluye la mitad de la masa con movimiento alternativo. {a} (b) Figura 15-21 Nótese que los ejes son derechos, pero la vista del círculo de la manivela es desde eje z negativo.
- 552. 536 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS imaginaria en esta sección y la que sigue, se utiliza el sistema coordenadas de la figura 15-21a. Este parece ser un sistema izquierdo porque el eje y se localiza girando en el mismo sentido del movimiento de las manecillas del reloj a partir de x, y porque la rotación positiva se muestra con tal sentido. Se adopta esta notación porque se ha utilizado desde hace mucho tiempo en las industrias au tomovilística.:!: Si el lector lo prefiere, puede considerar que este sistema es uno tridimensional derecho, visto desde el eje z negativo. El método de la masa imaginaria emplea dos masas ficticias, cada una de las cuales es igual a la mitad de la masa equivalente con movimiento alternativo en el armónico particular estudiado . El propósito de estas masas ficticias es reemplazar los efectos de la masa con movimiento alternativo. Estas masas imaginarias giran alrededor del centro de la manivela, en direcciones opuestas y con velocidades iguales. Están acomodadas de tal modo que se reúnen tanto en el punto muerto superior (PMS) como en el punto muerto inferior (PMI) como se ve en la figura 15-2 1a. La masa +mB/2 gira con el movimiento de la manivela; la otra masa -mB/2. gira en sentido opuesto al movimiento de la manivela. La masa que gira con la ma nivela está designada en la figura por medio de un signo más y la que gira en la dirección opuesta, con un signo menos. El centro de masa de las dos masas gi ratorias queda siempre sobre el eje del cilindro. El método de la masa imaginaria se concibió porque el movimiento del pistón y la fuerza de inercia resultante siem pre se pueden representar mediante una serie de Fourier. Est� tipo de serie tiene un número infinito de términos, cada uno de los cuales representa un movimiento ar mónico simple de frecuencia y amplitud conocidas. Resulta que las amplitudes de frecuencias más altas son tan pequeñas que se puede hacer caso omiso de ellas y, por ende, sólo se necesitan un número pequeño de amplitudes de frecuencia más baja. Asimismo, no están presentes las armónicas impares (tercera, quinta, etc.) debido a la simetría del movimiento del pistón. Cada armónica, la primera, segunda, cuarta, etc., se representa mediante un par de masas imaginarias. Las velocidades angulares de estas masas son ±w para la primera armónica, ±2w para la segunda, ±4w para la cuarta, y así sucesivamen te. Rara vez es necesario tomar en cuenta de la sexta armónica en adelante. Stevensen sugiere la siguiente regla para ubicar las masas imaginarias: Para cualquier posición dada de las manivelas, las ubicaciones de las masas im aginarias se en cuentran, en primer lugar, determinando los ángulos de recorrido de cada manivela a partírde su punto m uerto superior y, en segundo lugar, moviendo sus masas imaginarias, una en el mis mo sentido del movimiento de las manecillas del reloj y la otra en el sentido opuesto, descri biendo ángulos iguales al ángulo de la manivela multiplicado por el númerode la armónica. Todos estos ángulos se deben medir a partir de la misma posición de punto muerto de la manivela. :j: Los lectores que sean aficionados a los automóviles antiguos comprenderán estaconvención, por que es la dirección en la que se mueve la manivela para arrancar ese tipo de motores.
- 553. BALANCEO 537 Tabla 15-1Fuerzas de inercia en un motor de un solo cilindro Masa Con el eje del Transversal al del Tipo equivalente Radio cilindro (x) cilindro (y) Centrífuga m.4 r m.4rw2 cos wt m.4rw2 sen(¡)t m.4C rc mACrc6)2 cos (wt + 'lT) m.4Crc6)2 sen(wt + 'lT) Del movimiento alternativo m8 r m8rw2 cos wt O Primera armónica mac re macrc6)2 cos (wt + 'lT) m8Crc6)2 sen«(¡)t + 11') Segundo armónica m8r r �r(r)(2w)2 cos 2(¡)t O 41 Apliquemos este método al motor de un solo cilindro, tomando en cuenta únicamente la primera armónica. En la figura 1S-2Ib, la masa +mB/2 localizada en A gira a la velocidad w con la manivela, en tanto que la masa -mB/2 en B gira a la velocidad -w opuesta a la rotación de la manivela. Se puede balancear la masa imaginaria en A agregando una masa igual en A', para que gire con el cigüeñal. Sin embargo, la masa que está en B no se puede balancear por la adición ni por la sustracción de masas en cualquier parte del cigüeñal, porque está girando en direc ción opuesta. Cuando la mitad de la masa de partes con movimiento alternativo se balancea de esta manera, es decir, agregando la masa en A/, la parte no balan ceada de la primera armónica, debida a la masa en B, hace que el motor vibre en el plano de rotación en forma igual en todas las direcciones, como una verdadera masa giratoria no balanceada. Es interesante saber que en los motores de motocicleta de un solo cilindro, un desbalanceo de adelante hacia atrás es menos objetable que un desbalanceo de arriba hacia abajo. Por esta razón, esos motores están sobrebalanceados utilizando un contrapeso cuya masa es más de la mitad de la masa con movimiento alternativo. Es imposible balancear la segunda armónica y armónicas superiores con masas giratorias a las velocidades del cigüeñal, puesto que la frecuencia del desbalanceo es superior a la de la rotación del cigüeñal . Se ha realizado el balanceo de las se gundas armónicas usando ejes engranados para que giren al doble de la velocidad del cigüeñal del motor, como en el caso del motor Plymouth Arrow 1976; pero al costo de complicación tremendo. Por lo común, no se hace esto. Para tener un medio de consulta rápido, en la tabla 1 5-1 , se da un resumen de las fuerzas de inercia en el motor de un solo cilindro, con masas de balanceo . Se han obtenido las ecuaciones indicadas partiendo de las ecuaciones (14-24) y (14-27), Y se han reescrito de tal modo que el efecto de la segunda armónica se presente como una masa igual a mBr/41 con movimiento alternativo a la velocidad de 2w. Nótese que se utiliza el subíndice e para designar los contrapesos (masas para balancear) y sus radios . Puesto que las masas centrifugas de balanceo se seleccionarán y colocarán para contrabalancear las fuerzas centrífugas, el único
- 554. 538 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS balanceo que se produce a lo largo del eje del cilindro será la suma de las tres úl timas entradas. Del mismo modo, el único desbalanceo a través del eje del cilindro será el valor en el cuarto renglón. Se pueden predeterminar los valores máximos del desbalanceo en estas dos direcciones, en cualquier razón deseada entre sí, como se indicó con anterioridad, y obtenerse una solución para mBC en el radio rc. Si se utiliza este método para incluir el efecto de la cuarta armónica, se tendrá una masa adicional de mBr3/1613 con movimiento alternativo a una velocidad de 2w, y una masa de -mBrJ/6413 con movimiento alternativo a una velocidad de 4w, ilustrando la importancia decreciente de las armónicas superiores. 15-10 BALANCEO DE MOTORES CON VARIOS CILINDROS Para lograr una comprensión básica del problema de balanceo en motores con varios cilindros, consideremos un motor de dos cilindros en línea cuyas manivelas tienen una separación de 1800 y las partes giratorias ya balanceadas mediante con trapesos. Este tipo de motor aparece ilustrado en la figura 1 5-22. Al aplicar el método de la masa imaginaria para las primeras armónicas se obtiene el diagrama de la figura 15-22a. En ella se muestra que las masas + 1 Y + 2, que giran en el mismo sentido del movimiento de manecillas del reloj, se balancean entre sí, como lo hacen las masas - ] y -2, que giran en sentido opuesto al movimiento de las manecillas del reloj . Por consiguiente, las fuerzas de las primeras armónicas están inherentemente balanceadas para esta disposición de la manivela. Sin embargo, en la figura 1 5-22b se muestra que estas fuerzas no están en el mismo plano. Por esta x íI ----+--y (al z íbl Figura 15-22 a) Primeras ar mónicas; b) cigüefíal de dos codos con tres cojinetes principales.
- 555. BALANCEO 539 t'igura 15-23Posiciones de la segunda armónica de las masas imaginarias; a) posiciones para el mismo ángulo de la manivela que el de la figura 1 5-22a; b) posiciones extremas o de punto muerto. razón se deberán establecer pares desbalanceados que tiendan a hacer girar el motor alrededor del eje y. Se pueden determinar los valores de estos pares usando las expresiones de fuerza de la tabla 15-1, junto con la distancia de acoplamiento, porque se pueden aplicar las ecuaciones a cada cilindro por separado. Es posible balancear el par debido a las masas giratorias reales, lo mismo que a las semimasas imaginarias que giran con el motor; sin embargo, no se puede balancear el par debido a la semimasa de la primera armónica que está contragirando. En la figura 15-23a se muestra la ubicación de las masas imaginarias para la segunda armónica, empleando la regla de Stevensen. En este diagrama se muestra que no están balanceadas las fuerzas de las segundas armónicas. P uesto que los desbalanceos máximos se presentan en los puntos muertos, casi siempre se trazan los diagramas para esta posición extrema, colocando la manivela 1 en el PMS, como en la figura 15-23b. Este desbalanceo produce una vibración en el plano xz con la frecuencia 2w. El diagrama para las cuartas armónicas, que no se ilustra, es el mismo que el de la figura 15-23b, s ólo que, por supuesto, la velocidad es 4w. Motor de cuatro cilindros En la figura 15-24c se ilustra un motor de cuatro cilin dros en línea cuyas manivelas están espaciadas a 1 800• Este motor se puede tratar como si fueran dos motores de dos cilindros uno contra el otro. Por consiguiente, las fuerzas de la primera armónica siguen balanceadas y, además, como lo indican las figuras 15-24a y e, también están balanceados los pares de la primera armónica. No obstante, estos pares tenderán a desviar el cojinete central de un cigüefíal de tres cojinetes, hacia arriba y hacia abajo, y a doblar el centro de un eje de dos cojinetes, en la misma forma.
- 556. 540 TEORIA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (e) Figura 15-24 Motor de cuatro cilindros; a) posiciones de las primeras armónicas; b) posiciones de las segundas armónicas; e) cigüeñal al que se le agregaron los pares de las primeras armónicas. En la figura 1 5-24b se consigna el hecho de que cuando las manivelas 1 y 4 se encuentran en el punto muerto superior, todas las masas que representan a la segunda armónica y que se desplazan en ambas direcciones, se acumulan en ese punto muerto, produciendo una fuerza desbalanceada. El centro de masa de todas las masas siempre está sobre el eje x y, por tanto, las segundas armónicas des balanceadas provocan una vibración vertical con una frecuencia igual al doble de la velocidad del motor. Esta característica es típica de todos los motores de cuatro cilindros con esta disposición de las manivelas. Puesto que todas las masas y todas las fuerzas actúan en la misma dirección, no hay acción de acoplamiento. Un diagrama de las cuartas armónicas sería idéntico al que aparece en la figura 15-24b, y los efectos son los mismos, pero tienen una frecuencia más elevada y ejercen menos fuerza. Motor de tres cilindros. En la figura 1 5-25 se ilustra un motor de tres cilindros en línea con manivelas espaciadas a 1200• Nótese que los cilindros están numerados de acuerdo con el orden en el que llegan al punto muerto superior. En la figura 1 5-26 se muestra que las fuerzas de las primeras, segundas y cuartas armónicas es tán completamente balanceadas y sólo las fuerzas de las sextas armónicas están completamente desbalanceadas. Estas fuerzas no balanceadas tenderán a crear una vibración en el plano de las líneas centrales de los cilindros; pero la magnitud de las fuerzas es muy pequeña y se pueden despreciar por lo que respecta a la vi bración. Un análisis de los pares de las fuerzas de la primera armónica muestra que cuando la manivela 1 se encuentra en el punto muerto superior (Fig. 15-25), existe una componente vertical de las fuerzas en las manivelas 2 y 3, cuya magnitud es igual a la mitad de la fuerza sobre la manivela 1 . La resultante de estas dos com ponentes hacia abajo es equivalente a una fuerza hacia abajo, con igual magnitud a la de la fuerza sobre la manivela 1 y localizada a la mitad entre las manivelas 2 y
- 557. (a) x -1 I +1 ,o ,� (e) x -1 I +1 rÜ ' � (b) (d) BALANCEO 541 Figura 15-25 Disposición de las manivelas de un motor de tres cilindros; se muestran las fuerzas de las primeras armónicas. y Figura 15-26 Posiciones de las masas imaginarias del motor de tres cilindros: a) primeras armónicas; b) segundas armónicas; e) cuartas armónicas; d} sextas armónicas.
- 558. 542 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS 3. Así pues, se establece un par con un brazo igual a la distancia entre el centro de la manivela 1 y la línea central entre las manivelas 2 y 3. Al mismo tiempo, las componentes horizontales de las fuerzas + 2 Y -2 se cancelan entre si, como tam bién lo hacen las componentes horizontales de las fuerzas + 3 y -3 (Fig. 1 5-25). Por lo tanto, no existe par horizontal. Se encuentran pares similares para las se gundas como para las cuartas armónicas; de donde, aunque un motor de tres cilin dros ya está inherentemente balanceado por lo que respecta a las fuerzas de las primeras, segundas y cuartas armónicas, no queda todavía libre de vibraciones debido a la presencia de pares en estas armónicas. Motor de seis cilindros. Si se concibe un motor de seis cilindros en línea como una combinación de dos motores de tres cilindros espalda con espalda, con los cilindros en paralelo, tendrá el mismo balanceo inherente de las primeras, segundas y cuar tas armónicas . Y, en virtud de la simetria, los pares de cada motor de tres cilindros actuarán en direcciones opuestas y se balancearán entre sí. Estos pares, aunque es tén perfectamente balanceados, tienden a doblar el cigüeftal y la caja del cigüeftal (llamada también cárter) y requieren el uso de una construcción rigida para la operación a alta velocidad. Al igual que antes, las sextas armónicas están com pletamente desbalanceadas y tienden a crear una vibración en el plano vertical, con una frecuencia de 6w. Sin embargo, la magnitud de estas fuerzas es muy pequefta y prácticamente despreciable como fuente de vibración. Otros motores. Tomando en consideración la disposición de los cilindros y el es paciamiento de las manivelas, se pueden obtener una gran cantidad de configu raciones. Para cualquier combinación, se puede investigar la situación del balanceo para cualquier armónica deseada, mediante los métodos que se delinearon en esta sección . Se debe prestar una atención especial al análisis de esa parte de la regla de Stevensen que exige la determinación del ángulo de recorrido a partir del punto muerto superior del cilindro que se está considerando, y moviendo las masas imaginarias describiendo los ángulos apropiados a partir de ese mismo punto muerto superior. Esto es particularmente importante cuando se investigan motores radiales y de pistones opuestos. Como problemas prácticos, es posible que el lector desee aplicar estos métodos para confirmar los siguientes hechos: 1 . En un motor radial de tres cilindros con una manivela y tres bielas que tienen el mismo pasador, las masas negativas están inherentemente balanceadas para las fuerzas de las primeras armónicas, en tanto que las masas positivas se localizan siempre en el pasador de la manivela. Estos dos hallazgos son inherentemente verdaderos para todos los motores radiales. Asimismo, puesto que el motor radial tiene sus cilindros en un solo plano, no se producen pares desbalan ceados. El motor de tres cilindros tendrá fuerzas no balanceadas en las segun das armónicas y armónicas superiores .
- 559. BALANCEO 543 2. Unmotor de dos cilindros con pistones opuestos, con un espaciamiento de las manivelas de 180°, está balanceado para las fuerzas en las primeras, segundas y cuartas armónicas; pero no está balanceado para los pares. 3. Un motor de cuatro cilindros en línea con manivelas a 90° está balanceado para las fuerzas en las primeras armónicas; pero no está balanceado para los pares. En la segunda armónica está balanceado tanto para las fuerzas como para los pares. 4. Un motor de ocho cilindros en línea con manivela a 90° está inherentemente balanceado tanto para las fuerzas como para los pares en la primera y segunda armónicas; pero no está balanceado en la cuarta armónica. 5. Un motor de ocho cilindros en V con manivelas a 90° está inherentemente balanceado para las fuerzas en la primera y segunda armónica y para los pares en la segunda. Los pares no balanceados en la primera armónica se pueden balancear por medio de contrapesos que introducen un par igual y opuesto. Es te tipo de motor está desbalanceado para las fuerzas en la cuarta armónica. 15-11 BALANCEO DE ESLABONAMIENTOSt Los dos problemas que surgen al balancear eslabonamientos son el balanceo de la fuerza de sacudimiento y el balanceo del momento de sacudimiento. En el balanceo de fuerzas de un eslabonamiento nos debe importar la posición del centro total de masa. Si se puede encontrar una manera de hacer que este cen tro total de masa se mantenga estacionario, la suma vectorial de todas las fuerzas sobre el armazón será siempre cero. Lowen y Berkoft han catalogado cinco métodos para balancear fuerzas: 1. El método del balanceo estático, en el que las masas concentradas de los eslabones se sustituyen con sistemas de masas que son estáticamente equivalen tes. 2. El método de los vectores principales, en el que se obtiene una expresión analítica para el centro de masa y luego se manipula para saber cómo se puede influir en su trayectoria. 3. El método de los vectores linealmente independientes, en el que el centro de masa de un mecanismo se hace estacionario, provocando que se anulen los coeficientes de los términos dependientes del tiempo de la ecuación que describe la trayectoria del centro total de masa. t Quienes deseen investigar este tema con mayor detalle deben principiar con la siguiente referencia, en la que todo un número está dedicado al tema del balanceo de eslabonamientos: 0.0. Lowen y R.S. Berkof, "Survey of Investigations into the Balancing of Linkages", J. Mech., vol. 3, no. 4, p. 221 , 1968. Este número contiene 1 1 traducciones del tema tomadas de publicaciones alemanas y rusas. t Ibid.
- 560. 544 TEORÍA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Figura 15-27 Eslabonamiento de cuatro barras en el que se muestran las posiciones arbitrarias de las masas de los eslabones. 4. El uso de masas impulsadas por levas para mantener estacionario el centro total de masa. 5. La adición de un mecanismo duplicado axialmente mediante el cual se hace es tacionario el nuevo centro total combinado. Lowen y Berkof afirman que se ha informado de apenas unos cuantos estudios sobre el problema del balanceo del momento de sacudimiento. Este problema se analiza más en la sección 15-12. Aquí sólo se presenta el método de Berkof-Lowen,t que emplea el método de los vectores linealmente independientes. Este método se desarrollará por completo para el eslabonamiento de cuatro barras, pero sólo se dan los resultados finales para un eslabonamiento de seis barras típico. He aquí el procedimiento: en primer lugar, se encuentra la ecuación que describe la trayectoria del centro total de masa del eslabonamiento. Esta ecuación contendrá ciertos términos cuyos coeficientes dependen del tiempo. Luego, se hace estacionario el centro total de masa cambian do la posición de las masas de los eslabones individuales, de modo que se anulen los coeficientes de todos los términos que dependen del tiempo. Para lograr esto, es necesario escribir la ecuación en tal forma que los vectores unitarios que depen den del tiempo contenidos en la ecuación sean linealmente independientes. En la figura 15-27 se ilustra un eslabonamiento general de cuatro barras que tiene las masas de los eslabones m2 localizada en G2, m3 10calizada en G3, y m4 localizada en G4• Las coordenadas ai, <Pi, describen las posiciones de estos puntos dentro de cada eslabón. Princípiese por definir la posición del centro total de masa del eslabonamiento por vector rs : t R.S. Berkof y 0.0. Lowen, "A New Method for Completely Force Balancing Simple Linkages", J. Eng. Ind. Trans. ASME, ser. B, vol. 91, no. 1, pp. 21-26, February 1969.
- 561. BALANCEO 545 (a ) endonde rs2, rs3, Y fs4 son los vectores que describen las posiciones de m2, m3, Y m4, respectivamente, en el sistema de coordenadas x y. Por consiguiente, según la figura 15-27 r.2 = a2ei(62+<i>v r.3 = r2ei62 + a3el(6;¡+<I>;¡) rs4 = rlelel + a4ei(1I4+<I>,v La masa total del mecanismo .J.t es Al sustituir la (b) en la (a) da (b) (e) en donde se ha usado la identidad ej(a+�) = é'ei�. Para un eslabonamiento de cuatro barras, la ecuación vectorial de cierre del circuito es (e ) Por tanto, los términos que dependen del tiempo eie!, eillJ, y ej6• de la (el) no son linealmente independientes; para hacer que lo sean, resuélvase la (e) para uno de los vectores unitarios, póngase por caso, eillJ, y sustitúyase el resultado en la (el). De donde, (1) La (el) se convierte ahora en (g) La (g) muestra que el centro de masa puede hacerse estacionario en la posición r = �m4r3 + m3a3ei<l>3)eilll s ¡';1l' (15-16) si se anulan los siguientes coeficientes de los términos que dependen del tiempo o (h)
- 562. S46 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS (i) Pero la (h) se puede simplificar localizando G3 respecto al punto B, en lugar de hacerlo en relación con el punto A (Fig. 1 5-27). Así, pues, Con esta sustitución, la ecuación (h) se convierte en (j) Se deben satisfacer las ecuaciones (1) y (¡) para obtener el balance total de las fuer zas. Estas ecuaciones conducen a los dos conjuntos de condiciones: , r2 y tP2 = tP3 m2a2 = m3a3 - r3 ( 15-17) r4 m4a4 == m3a3 - Y tP4 == tP3 + 7T r3 Un estudio de estas condiciones mostrará que se pueden especificar de antemano la masa y su ubicación para cualquier eslabón individual; y luego se puede obtener el balance completo reacomodando la masa de los otros dos eslabones. El problema usual en el balanceo de un eslabonamiento de cuatro barras es que las longitudes de los eslabones r¡ se especifican con anticipación en términos de la función por efectuarse. Para esta situación, se pueden agregar contrapesos a los eslabones de entrada y salida, con el objeto de redistribuir sus masas, en tanto que no se altera la geometría del tercer eslabón móviL Cuando se agregan contrapesos se deben satisfacer las siguientes relaciones: / ..#.. o O / ..#.. Q * * /..#.. * m¡a¡&== m ¡a¡ !..ti + m ¡ a¡ t..Y.L ( 15-1 8) en donde m�, a?, tP? son los parámetros del eslabonamiento no balanceado, m r, ar, ep r son los parámetros del contrapeso y mi, a¡, tP¡ son los parámetros que se obtienen de las ecuaciones ( 15-17). Una segunda condición que es preciso satisfacer en general es m¡ = m? + mr ( 15-19) Si la solución para un problema de balanceo puede permanecer como el producto masa-distancia mtar, no es necesario usar la ecuación (15-19), y se puede resolver la (15-18) para llegar a m rar = Y(m¡a¡)2+ (m?a?)2 - 2(m¡a¡)m?a?)[cos (Q>¡ - tP?)] <pr = tan - 1 m¡a¡ senepi - f!l�a sen Q>?o mja¡ cos Q>¡ m ¡.el COS epi (15-20) (15-21)
- 563. BALANCEO 547 Figura 15-28Notaci6n para un eslabonamiento de seis barras. En la figura 15-28 se ilustra un eslabonamiento típico de seis barras y la no tación correspondiente. Para este caso, las condiciones de Berkof-Lowen para el balanceo total son (15-22a) (15-22b ) (15-22c) Se pueden idear relaciones similares para otros eslabonamientos de seis barras para el balanceo total, las ecuaciones (15-22) muestran que es preciso satisfacer una determinada relación masa-geometría entre los eslabones 5 y 6, después de lo cual es factible especificar las masas de dos eslabones cualesquiera así como sus ubi caciones. Entonces se logra el balanceo mediante una redistribución de las masas de los tres eslabones movibles restantes. Es importante hacer notar que la adición de contrapesos para balancear las fuerzas de sacudimiento quizá incrementará las fuerzas internas en los cojinetes así como el momento de sacudimiento. Por consiguiente, solo un balanceo parcial puede representar la solución más adecuada posible entre estos tres efectos.
- 564. 548 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS Tabla 15-2 Parámetros de un eslabona miento de cuatro barras desbalanceado Eslabón i 2 3 4 r" mm 140 50 150 75 a?, rnm 25 80 40 ,pf O· 15· O· a.o, mm 75.6 ,p,? 164.1° mf, kg 0.046 0.125 0.054 Ejemplo 15-3 En la tabla 1 5-2 se presenta una tabulación de las dimensiones, masas y ubicaciones de los centros de masa de un mecanismo de cuatro barras cuyo eslabón 2 es el de entrada y el eslabón 4 es el de salida. Se desea obtener un balanceo completo de las fuerzas agregando con trapesos a los eslabones de entrada y salida. Hállense los valores masa-distancia y las ubicaciones angulares de cada contrapeso. SOLUCiÓN Partiendo de las ecuaciones (15-17), primero se encuentra m2a2 = m�a;o�= (0.125)(75.6) i5�= 3.1 5 g ' m ,p2 = ,p;o = 164.1Q m,a, = mga�� (0.125)(80) 1 7 ;0 = 5.0 g · m ,p. = ,p� + 180 = 15 + 180 1950 Nótese que m2a2 Y m.a, son los valores masa-distancia después de que se han agregado los con trapesos. Asimismo, nótese que no se obtendrán los parámetros del eslabón 3. A continuación calcúlese m�a� (0.046)(25) = 1.5 g ' m m�a� (0.054)(40) = 2. 16 g · m Si se aplica la (15-20), se calculan los valores masa-distancia para el contrapeso del eslabón 2 como m iai = V(m2ad+ (mgag)z- 2(m2a2)(mgag)cos (,p2 - ,pg) = /(3.15)2 + (1. 15) 2 - 2(3. 15){1.15) cos (164.10 - 0") = 4.27 g · m A partir de la (15-21 ) se encuentra que la ubicación de este contrapeso es Si se usa el mismo procedimiento para el eslabón 4, se lleva a at ,p: 190.so En la figura 1 5-29 se tiene un dibujo a escala del eslabonamiento completo con los dos con trapesos agregados.
- 565. BALANCEO 549 Figura 15-29Eslabonamiento de cuatro barras de corredera y oscilador en el que se muestran los con trapesos agregados a los eslabones de entrada y salida, con el fin de lograr el balanceo completo de las fuerzas. 15-12 BALANCEO DE MÁQUINAst En la sección anterior se explicó la forma en que se balancean las fuerzas de un eslabonamiento simple, utilizando dos o más contrapesos, dependiendo del nú mero de eslabones que la componen. Por desgracia, esto no balancea los momen tos de sacudimiento y, de hecho, es probable que los empeoren debido a la adición de los contrapesos. Si se imagina una máquina como si estuviera compuesta de varios mecanismos, se podria considerar el balanceo de la misma, balanceando cada mecanismo por separado. Sin embargo, pudiera ser que esto no conduzca al mejor balanceo para la máquina, debido a que la adición de un gran número de contrapesos puede hacer que el momento de torsión de inercia sea completamente inaceptable. Es más, el desbalanceo de un mecanismo puede contrarrestar el des balanceo de otro, eliminando en primera instancia la necesidad de algunos con trapesos. Stevensen muestra que cualquier armónica simple de fuerzas, momentos de fuerzas y momentos de torsión no balanceados en una máquina, se pueden balan cear agregando seis contrapesos. Estos se disponen sobre tres árboles, dos por ár bol, impulsados a la velocidad constante de la armónica, y que tengan los ejes paralelos, respectivamente, a cada uno de los tres ejes mutuamente perpendiculares que pasan por el centro de masa de la máquina. Este método es demasiado com plejo como para incluirlo en este libro, pero vale la pena examinar el planteamien to general. Si se aplican los métodos sugeridos en este libro en combinación con los medios de computación actualmente disponibles, se calculan las aceleraciones- t El material de esta sección se tomó del artículo de E.N. Stevensen, Jr. "Balancíng of Machines", J. Eng. Ind., T rans. ASME, ser. B. vol. 95, pp. 650-656, May 1 973. Se incluye aquí con la asesoría y con sentimiento del profesor Stevensen.
- 566. 5 50 TEORíADE MÁQUINAS Y MECANISMOS lineales y angulares de cada uno de los centros de masa móviles de una máquina, para puntos en todo un ciclo de movimiento. También se deben calcular, o deter minarse en forma experimental, las masas y los momentos de inercia de las masas de la máquina. Luego se calculan las fuerzas de inercia, los momentos de torsión de inercia y los momentos de las fuerzas, con referencia a los tres ejes de coor denadas mutuamente perpendiculares que pasan por el centro de masa de la máquina. Cuando se suman éstos para cada punto del ciclo, se llegará a seis fun ciones del tiempo, tres para las fuerzas y tres para los momentos. Luego, con la computadora digital, se puede usar el análisis armónico numérico para definir las armónicas componentes de las fuerzas no balanceadas, paralelas a los tres ejes, y los momentos no balanceados en torno a estos ejes. Para balancear una sola armónica, cada componente del desbalanceo de la máquina se representa ahora en la forma A cos wt + B senwt con los subindices apropiados. Entonces se escriben seis ecuaciones de equilibrio que incluyan los desbalanceos así como los efectos de los seis contrapesos desconocidos. Estas ecuaciones se disponen de tal manera que cada uno de los términos en sen wt y cos wt queden multiplicados por grupos de términos entre paréntesis. Entonces se logra el balanceo igualando a cero los términos entre paréntesis, casi como se hizo en la sección precedente. Esto conduce a 12 ecuaciones para los seis productos m r y los seis ángulos de fase, necesarios para los seis pesos de balanceo. Stevensen prosigue con la demostración de que cuando se dispone de menos de los tres ár boles o ejes necesarios, se hace necesario optimizar algún efecto del desbalanceo, como, por ejemplo, el movimiento de un punto de la máquina. PROBLEMAS 15-1 Determínense las reacciones en los cojinetes en A y B para el sistema ilustrado en la figura, si la velocidad es de 300 rpm. Determínense la magnitud y la ubicación angular de la masa de balanceo, si se localiza a un radio de 50 mm. 15-2 En la figura se muestran tres pesos conectados a un ejeque gira un cojinete en A y B. Determínese la magnitud de las reacciones en los cojinetes si la velocidad del eje es de 300 rpm. Se debe ubicar un contrapeso a un radio de 10 pulg. Encuéntrense el valor del peso y su ubicación angular. 15-3 En la figura se presentan dos pesos conectados a un eje giratorio y que están montados en el ex terior de los cojinetes A y B. Si el eje gira a 120 rpm, ¿cuáles son las magnitudes de las reacciones en los cojinetes en A y B1 Supóngase que el sistema se debe balancear quitando un peso a un radio de 5 pulg. Determínense la magnitud y la ubicación angular del peso que es preciso eliminar. 15-4 Para una velocidad de 220 rpm, calcúlense la magnitud y la dirección angular relativa de las reac ciones en los cojinetes en A y B para el sistema de dos masas que se muestra.
- 567. m, R , -.---x W , R, - --x I Y m, R, --x z- R2 m2 i800i2001Y I m , I I z-- ...- - - - +- -... B A i6"i12"-r i w, I I ; z- ...- - .-- - - _t . B A 14"12"�Y i I l ., I I z-� ..i--- - - _t l!l- -.... A �250 . 14 2W 1T I I m 1 B A m2 BALANCEO 551 Figura 15-1 Dimensiones en milí metros: R¡ = 25, R2 = 35. R3 = 40; mi = 2 kg, m2 = 1.5 kg, m3 = 3 kg. Problema 15-2 RI = 8 pulg R2 = 12 pulg, R3 = 6 pulg, W¡ = 2 oz, W2 = J .5 OZ, W3 = 3 OZ. Problema 15-3 R¡ = 4 pulg, R2 6 pulg, WI = 4 lb, W2 = 3 lb. Problema 15-4 Dimensiones en nñlímetros: R¡ 60, R2=40, mi = 2 kg, m2 = 1 .5 kg.
- 568. 552 TEORíA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS - - ---HH- --X z-- ' . a¡bl-ci.y ¡ m¡ ; , I I I B iA Problemas 15-5 Y 15-6 15-5 El sistema giratorio ilustrado en la figura tiene R¡ = R2 60 mm, a = e 300 mm, b = 600 mm, m¡ = 1 kg, y m2 = 3 kg. Encuéntrense las reacciones en los cojinetes en A y B, así como sus ubicaciones angulares, medidas a partir de una marca de referencia giratoria, si la velocidad del eje es de 100 rpm. 15-6 El eje rotatorio ilustrado en la figura sostiene dos masas, mI Ym2, cuyos pesos son 4 y 6 lb, respec tivamente. Las dimensiones son R 1 4 pulg, Rz = 3 pulg, a = 2 pulg, b = 8 pulg y e = 3 pulg. En cuéntrese la magnitud de las reacciones giratorias en los cojinetes, en A y B, Y sus ubicaciones angu lares, a partir de una marca de referencia giratoria, suponiendo que el eje gira a 360 rpm. 15-7 El eje que se muestra en la figura se debe balancear colocando masas de corrección en los planos de corrección L y R. Los pesos de las tres masas mI, m2, Y m� son 4, 3 y 4 OZ, respectivamente. Las dimensiones en pulgadas son: RI 5, Rz = 4, Rl = 5, a = 1, b = e = 8, e 10 y d = 9. Calcúlense la magnitud de las correcciones en onzas-pulgadas así como sus ubicaciones angulares. 15-8 El eje del problema 1 5-7 se debe balancear eliminando peso de los dos planos de corrección. Deter mínense las correcciones que se deben restar, en onzas-pulgadas, así como sus ubicaciones angulares . 15-9 El eje ilustrado en la figura de este problema se debe balancear restando masas de corrección en los dos planos de corrección L y R. Las tres masas son m I 6 g, m2 = 7 g, Y m¡ = 5 g. Las dimensiones en milimetros son R¡ = 125, Rz = 150, R¡ 100, a = 25, b 300, e = 600, d = 1 50. Y e = 75. Cal cúlense la magnitud y las ubicaciones angulares de las correcciones. 15-10 Repítase el problema 1 5-9, suponiendo que se deben agregar masas de corrección a los dos planos. 15-11 Resuélvase el problema de balanceo en dos planos como se enunció en la sección 15-8. m l z- .+-....¡..----.......--+... B I A m2 R Problemas 15-7 a 15-10
- 569. BALANCEO 553 15-12 Unrotor que se debe balancear en el campo dio una amplitud de S a un ángulo de 1420• en el cojinete de la izquierda, y una amplitud de 3 a un ángulo de -22", en el cojinete de la derecha, debido al desbalanceo. Para corregir esto. se agregó una masa de ensayo de 1 2 al plano izquierdo de correc ción. a un ángulo de 210° en relación con la referencia de rotación. Entonces. una segunda corrida dio las respuestas a izquierda y derecha de 8/160" y 4/260", respectivamente. Luego se quitó la primera masa de ensayo y se agregó una segunda masa de6afplano derecho de corrección, a un ángulo de -70". Las respuestas a esto fueron 2/74" y para los cojinetés izquierdo y derecho. respec tivamente. Determínense los desbalanceos
- 570. CAPtTULO DIECISEIS DINÁMICA DE LEVAS 16·1SISTEMAS DE LEVAS DE CUERPOS RíGIDOS Y ELÁSTICOS En la figura 16-1a se tiene la vista de una sección transversal en la que se muestra la disposición de una válvula en la culata en un motor de automóvil. Cuando se analiza la dinámica de éste, o cualquier otro, sistema de levas, se esperaría deter minar la fuerza de contacto en la superficie de la leva, la fuerza del resorte y el momento de torsión en el eje de la leva, todo para una rotación completa de la misma. En un método de análisis, el tren completo de leva y seguidor, compuesto por la varilla de empuje, el brazo oscilante y el vástago de la válvula junto con el eje de la leva, se consideran rígidos. Si, en efecto, los elementos son bastante rí gidos, y si la velocidad es moderada, este tipo de análisis por lo común producirá resultados bastante satisfactorios. En cualquier caso, siempre se debe llevar a cabo en primer lugar este tipo de análisis de cuerpo rígido. Hay ocasiones en que las velocidades son tan elevadas, o los elementos tan elásticos (quizá debido a una longitud extrema), que es preciso aplicar un análisis de cuerpo elástico. Por lo común, se descubre este hecho cuando se comienzan a presentar problemas con el sistema de levas. Estos problemas se ponen de manifies to casi siempre a través de ruido, traqueteo, desgaste poco usual, calidad deficiente del producto o quizá falla por fatiga de algunas de las piezas. En otros casos, la in vestigación de laboratorio del funcionamiento de un sistema prototipo de la leva puede revelar diferencias sustanciales entre el rendimiento teórico y el observado. En la figura 16-1b se da un modelo matemático de un sistema de leva de cuer po elástico. En este caso, m3 es la masa de la leva y una porción del eje de la mis ma. El movimiento maquinado en la leva es la coordenada y, una función del án gulo (J del eje de la leva. La rigidez a la flexión del eie de la leva se designa como
- 571. DINÁMICA DE LEVAS555 (a) (b) Figura 1.1 k4. El resorte de retención del seguidor es k¡. Las masas mi y m2, así como las rigideces k2 y k3, son características globales del tren del seguidor. Se introducen los amortiguadores C¡ para representar la fricción que, en el análisis, puede indicar una fricción viscosa o de deslizamiento, o bien, cualquier combinación de ambas. El sistema de la figura 16-1b es un tanto complicado y requiere la solución de tres ecuaciones diferenciales simultáneas. En esta obra se considerarán sistemas más sencillos. 16-2 ANÁLISIS DE UNA LEVA EXCÉNTRICA Una leva de placa excéntrica es un disco circular que tiene el orificio para el eje perforado fuera del centro. La distancia e entre el centro del disco y el centro del eje recibe el nombre de excentricidad. En la figura 16-2a se muestra un sistema sencillo de leva excéntrica y seguidor de movimiento alternativo que se compone de una leva de placa, una masa de seguidor de cara plana y un resorte de retención de rigidez k. La coordenada y designa el movimiento del seguidor en tanto la leva esté en contacto. Aquí se elige arbitrariamente el valor y O en el punto inferior de la carrera. Luego, las cantidades dnemáticas de interés son y = e - ecoswt y = ew senwt y =ew2coswt (16-1) en donde wt es lo mismo que el ángulo de la leva O. Para llevar a cabo un análisis de cuerpo rígido, se supone que no existe fric ción y se construye un diagrama de cuerpo libre del seguidor (Fig.16-2b). En esta
- 572. 556 TEORtA DEMÁQUINAS Y MECANISMOS figura, F23 es la fuerza de contacto de la leva y Fs es la fuerza del resorte. En general, F23 y Fs no tienen la misma linea de acción y, por tanto, un par de fuer zas del armazón, FJ3,A y F3,B actúan en los cojinetes A y B. Antes de escribir la ecuación del movimiento, investiguemos la fuerza del resorte con más detalle. La expresión rigidez del resorte k, llamada también coeficiente del resorte, se refiere a la magnitud de la fuerza necesaria para defor mar el resorte en una unidad de longitud. Por consiguiente, las unidades de k por lo común serán newtons por metro o libras por pulgada. El propósito del resorte es mantener o retener al seguidor en contacto con la leva. Así pues, el resorte debe ejercer cierta fuerza, incluso en el punto inferior de la carrera, en donde se extien de al máximo. Esta fuerza, llamada precarga P, es la fuerza que ejerce el resorte cuando y = O. Por lo tanto, P ka, en do