Levas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISITEMASDISEÑO DE INGENIERÍA

AGENDA:

Marco Teórico.Normas y Cálculos Diversos.Usos y Aplicaciones.Materiales Utilizados en Levas.Observaciones y Conclusiones.

Definición de Leva.

Una leva es un elemento que impulsa, por contacto directo, a otro elemento denominado seguidor de forma que éste último realice un movimiento alternativo concreto. Aunque existen muchos tipos de mecanismos de leva, uno de los más comunes es el mecanismo de leva con seguidor de rodillo.

Partes de las Levas.

ÁrbolSoporteLa leva El seguidor (palpador):

PalancaÉmbolo

Mecanismo de Leva

Leva con seguidor de Émbolo

Leva con seguidor de Palanca

Conceptos previos para el Estudio de las Levas

Rodillo.Punto de trazo.Curva primitiva.Círculo primario.

Leva y Diagrama de Elevación

Leva y Diagrama de Elevación

Leva y Diagrama de Elevación

Leva y Diagrama de Elevación

Condiciones que se debe verificar durante el movimiento de una Leva.

Que el sistema leva-seguidor cumple perfectamente con el diagrama de elevación mostrado, ya que la leva se ha diseñado para ello. Que el punto de trazo sigue siempre la curva primitiva.Que el punto de trazo toca el círculo primario solamente cuando el seguidor está en su posición más baja. Que el perfil de la leva dista de la curva primitiva, en todos los puntos, una distancia igual al radio del rodillo.

Excentricidad de las Levas.

Pausa del Seguidor.

Pausa del Seguidor.

Pausa del Seguidor.

Ángulo de Presión

Ángulo de Presión

Ángulo de Presión

Ángulo de Presión

Tipos de Levas.

En Función al Movimiento del Seguidor: 1.- Radial

De disco. Frontal. Oscilante De yugo. De talón rozador. Inversa. De aspas. Conjugadas.

2.- Axial o Transversal: Cilíndrica: acanalada. Cónica. De cuña.

Tipos de Levas.

Tipos de Levas.

De Acuerdo a su Forma: Leva de Disco, Plato o Radial Leva Frontal o de Cara Leva Oscilante Leva de Yugo o de Cuadro Leva de Talón Rozador Leva Inversa Leva de Aspa Levas Conjugadas Leva Cilíndrica Acanalada Leva Cilíndrica de Extremo Leva Espaciadora Leva Cónica Leva de Cuña

Tipos de Levas.

Árbol de Levas

Árbol de levas.

Árbol de levas y su interacción con la

cabeza de válvulas

Normas y consideraciones de ingeniería para el diseño y la construcción de levas.

Las levas se diseñan y se construyen de acuerdo con el fin a que en cada caso se destinen. Generalmente, en la práctica, con las levas no se pretende establecer una determinada relación de velocidades, sino que se trata de conseguir que la varilla ocupe una serie de posiciones determinadas que se correspondan con otras tantas de la leva.

La relación que existe entre las sucesivas posiciones de la leva y las correspondientes de la varilla pueden representarse por un diagrama cuyas abcisas son distancias lineales elegidas arbitrariamente y representan el movimiento de la leva y cuyas ordenadas son los correspondientes desplazamientos de la varilla, a partir de su posición inicial.

CINEMÁTICA DE LAS LEVAS.

Hemos visto que el seguidor puede tener cualquier movimiento. Sin embargo es útil. que posea alguno de los movimientos conocidos "normalizados" al objeto de poder comparar.Los movimientos básicos que se deben considerar para el diseño de una leva son:

Movimiento Uniforme ó en Línea Recta. Movimiento Armónico Simple. Movimiento Cicloidal.

Movimiento Uniforme ó en Línea Recta:

Su diagrama viene dado por:

Las ecuaciones que lo definen son:

Siendo:

Este movimiento es poco satisfactorio ya que se producen aceleraciones teóricamente infinitas al principio y al final de la subida

Movimiento Armónico Simple:

Produce una curva de velocidad sinusoidal y una de aceleración cosenoidal cuyas ecuaciones se obtienen de la siguiente forma:

Sustituyendo:

La velocidad será:

La aceleración será:

Para trazar el diagrama que origina este movimiento armónico simple en el seguidor se procede de la siguiente manera figura.

Movimiento Cicloidal:Obtiene su nombre de la curva Geométrica llamada Cicloide. Un círculo de radio L/2ð, donde L es la elevación total, efectuará exactamente una revolución al rodar a lo largo de la ordenada, desde el origen hasta y = L. Un punto P del círculo, localizado inicialmente en el origen, traza un cicloide como se muestra en la figura. Si el circulo rueda sin resbalar con una velocidad constante, la gráfica de la posición vertical y del punto contra el tiempo da el diagrama de desplazamientos.

Es uno de los mejores movimientos normalizados porque la aceleración es cero al principio y al final de la subida. Las ecuaciones del movimiento son:

La representación gráfica de estas ecuaciones es como la indicada en la siguiente figura.

Movimiento Parabólico:

Este movimiento tiene una discontinuidad en el punto de inflexión y tiene por tanto dos grupos de ecuaciones:

DISEÑO POLINOMIAL DE LEVAS

Aunque la diversidad de curvas básicas estudiadas por lo común por ordenadas, evidentemente no representan una lista exhaustiva de los movimientos que pueden usarse en el diseño de levas. Otro método común para diseñarlas consiste en sintetizar las curvas de movimientos adecuados usando ecuaciones polinomiales, cuya ecuación básica es:

Las constantes Ci dependen de las condiciones impuestas en la frontera. Por lo común se logra un movimiento adecuado mediante la selección correcta de las condiciones impuestas y el orden del polinomio. Si como ejemplo imponemos las condiciones siguientes:

Puesto que hay seis condiciones la ecuación básica la escribimos con seis constantes. La primera y segunda derivada, con respecto a β son:

Sustituyendo las condiciones impuestas y resolviendo el sistema de seis ecuaciones se obtienen:

Sustituyendo estos valores en las ecuaciones de desplazamiento, velocidad y aceleración será:

Este movimiento recibe el nombre de polinomial 3-4-5, debido a las potencias de los términos de la ecuación de desplazamientos. La representación gráfica de los diagramas de desplazamientos y sus derivadas son los siguientes:

ESFUERZOS EN LAS LEVAS

Si en un mecanismo de leva, puede representar el resto de los casos, tabulamos las fuerzas aplicadas a cada miembro, el conjunto de estas fuerzas, en cada miembro, debe de estar en equilibrio.

En el seguidor, o varilla, las fuerzas a que está sometida son: T3 representa la fuerza que tiende a producir el aprieto de la varilla sobre la leva, fundamentalmente el esfuerzo del resorte que garantiza el contacto varilla-leva, normalmente de la forma T3= k (c + y).F3 es el esfuerzo de inercia de la varilla que actúa en la dirección de T3 si bien el sentido puede ser el mismo o no, designemos por L la suma de ambos.

RI3 y R'13 representan las reacciones de la guía sobre la varilla y R23la acción de la leva sobre la varilla.Para que la leva (2) esté en equilibrio. 

Para que la varilla (3) esté en equilibrio debe cumplirse:

De la que solo conocemos :

Para resolver esta ecuación localizamos el punto N, intersección de las direcciones de R13 y R'13 sobre esa dirección calculamos S que debe ser la suma de L y R23 lo que nos define también L, la fuerza S que debe ser contrarrestada por la suma de R13 y R´13 por tanto, S = R13 + R’13 como indica la siguiente figura. Si representamos el polígono de fuerzas vemos que la varilla está en equilibrio.

El problema puede (y suele) presentarse a la inversa, es decir, conocer L y querer

determinar M2. Procederíamos en forma similar.

USOS Y APLICACIONES DE LAS LEVAS

Los usos de los árboles de levas son muy variados, podemos encontrar levas en molinos, telares, sistemas de distribución de agua o martillos hidráulicos, aunque su aplicación más desarrollada es la relacionada con los motores de combustión interna, en los que se encarga de regular la apertura y el cierre de las válvulas, permitiendo la admisión y el escape de gases en los cilindros

En la industria automotriz se da en los sistemas de alimentación (en los motores de combustión interna) combinando el uso de las válvulas y los árboles de levas, cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes, mientras que un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal, estando el conjunto coordinado mediante la correa de distribución.

La relación entre la rotación del árbol de levas y la rotación del cigüeñal es de crítica importancia. Al ser las válvulas las que controlan el flujo de admisión de combustible y de gases que se expulsan en el motor, deben abrirse y cerrarse en el momento oportuno durante recorrido del pistón. En algunos casos el árbol de levas también controla la distribución de aceite y la bomba del combustible.

APLICACIÓN EN LA NEUMATICA: TIPOS DE VALVULAS

Regulador unidireccional, con estrangulador regulable mecánicamente (con rodillo) : Estas válvulas se emplean para variar, durante el movimiento, la velocidad de los émbolos de cilindros de simple o doble efecto.

Programador - Con programas se pueden mandar

determinados procedimientos de mando desde una estación central. Por medio de árboles motrices con levas circulares o rejillas se pueden accionar diferentes válvulas de mando.

- La rejilla está constituida por diversos eslabones y varillas de unión. Se acciona mediante un motor reductor ajustable sin escalonamiento

La duración de los programas es de 9 segundos hasta 24 horas. Con ambas variantes (levas circulares o rejillas) se pueden realizar mandos directos e indirectos. Sus aplicaciones: Taladradoras revólver, taladradoras y tornos automáticos

OTRAS APLICACIONES:El uso de levas también se da dentro de máquinas industriales entre las que tenemos las prensas de acción de leva También se usan levas en molinos y batanes o pisones(El batán necesitaba de una pila para ablandar el tejido, una rueda de palas y un eje de levas, un par de mazos, y una pila donde éstos golpeaban el tejido

Las levas también se usan como accesorios por ejemplo en el torno Camporesi RA42 - RA60 que viene con un juego de levas semielaborado.

MATERIAL UTILIZADO PARA FABRICAR LEVAS

•El árbol de levas está hecho de una aleación fundida muy dura, de manera que las levas resistan el desgaste. Así por ejemplo : Un árbol de levas de un motor de 6 cilindros tiene 12 levas para sincronizar la apertura y cierre de las válvulas de admisión.

Eje Alza Válvulas El eje de levas es una

pieza de acero que tiene la cualidad de resistir gran trabajo de roce. Su fabricación requiere preparar lóbulos de levante que accionan piezas de acero que lo rozan constantemente a gran velocidad. Es por eso que este componente de motor depende mucho de la lubricación que recibe en el punto de roce.

Árbol de Levas Mejorado

Las nuevas levas son más ligeras y están hechas de materiales perfeccionados para que duren más. Los nuevos árboles de levas de piezas múltiples sustituyen a las antiguas levas individuales forjadas. Los nuevos cojinetes de las levas sencillos e hidrostáticos sustituyen a los de rodillos y ofrecen una mayor duración, al tiempo que son menos complejos y funciona más silenciosamente.

Control de fallas y deterioros

Modos o forma de fallo de levas:El desgaste prematuro de las levas, se puede producir de tres formas principales:Rayado de superficies de contacto.Picado de superficies de contacto.Desgaste por pulido de superficies.Por combinación de varias de ellas.

Causas de fallo en levas:

Las causas principales de estos desgastes prematuros son muy variadas, a continuación damos las más comunes:Materiales y su compatibilidad.Tratamientos superficiales.Rugosidad superficial.Presión entre ambas superficies.Forma de las superficies.Aceite: Viscosidad y aditivos.Método de lubricación.

¿Cuando hay que cambiar el árbol de levas?Siempre que se realice una reparación del motor, hay que verificar el árbol de levas y reemplazarlo cuando se produzcan algunas de las siguientes situaciones:Cuando las levas o apoyos presenten rayas o marcas de desgaste y cuando cambie la culata.Cuando el árbol esté doblado más de 0.05 mm respecto a apoyos extremos.Cuando tenga un juego axial > 0.15 mm.