Levas

INTRODUCCINEl proceso de trabajo de muchas mquinas conduce a la necesidad de tener entre sus componentes mecanismos en los cuales el movimiento de sus eslabones finales deba ser ejecutado rigurosamente por una ley dada y coordinadamente con el movimiento de otros mecanismos. Para cumplir esta tarea los mecanismos ms sencillos, seguros y compactos resultan los de levas, el cual es el mecanismo que ser nuestro objeto de estudio.

El presente informe tiene como finalidad brindar un panorama ms enfocado a las aplicaciones y a las nuevas tendencias de dispositivos de levas que se encuentran hoy en da en el mercado de maquinaria, automotriz y otros.

Para ello el informe se dividir en cuatro partes. En la primera se presentar un marco conceptual del sistema de movimiento de levas con el fin de conocer la importancia que tienen estos dispositivos dentro de un sistema de movimiento mecnico. En la segunda parte se presentar una seccin destinada a la fabricacin y diseo de las levas, esto es en relacin con el captulo primero. En la tercera parte se tratarn aspectos convencionales de levas, as mismo sus innovaciones y tendencias en los sistemas de movimiento giratorio. Finalmente la cuarta parte se reservara para las conclusiones a las que se lleg luego de un exhaustivo anlisis de la informacin obtenida.Definicin de levasDispositivo para transformar un tipo de movimiento a otro. Una leva es un elemento mecnico hecho de algn material (madera, metal, plstico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor.

El movimiento de la leva (normalmente rotacin) se transforma en oscilacin, traslacin o ambas del seguidor.

An cuando una leva se puede disear para generacin de movimiento, trayectoria o de funcin, la mayora de las aplicaciones utilizan la leva y el seguidor para generacin de funcin.1.2. Clasificacin de levas

1.2.1. Levas de disco

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

1.2.2. Levas cilndricas

Se trata de un cilindro que gira alrededor de un eje y en el que la varilla se apoya en una de las caras no planas. El punto P se ve as obligado a seguir la trayectoria condicionado por la distinta longitud de las generatrices. 1.2.3. Levas de traslacin

El contorno o forma de la leva de traslacin se determina por el movimiento especifico del seguidor. Este tipo de leva es la forma bsica, puesto que todas las superficies uniformes o, ms frecuentemente, con inclinaciones variables. La desventaja de estas levas, es que se obtiene el mismo movimiento en el orden inverso durante el movimiento de retorno; esto se puede evitar si envolvemos la cua alrededor del crculo para formas una leva de disco.1.2.4. Levas de rodillo

En sta, la leva roza contra un rodillo, que gira disminuyendo el rozamiento contra la leva1.2.5. Levas de ranura

El perfil (o ranura) que define el movimiento est tallado en un disco giratorio. El pulsador o elemento guiado termina en un rodillo que se mueve de arriba hacia abajo siguiendo el perfil de la ranura practicada en el disco. En las figuras se observa que el movimiento del pulsador se puede modificar con facilidad para obtener una secuencia deseada cambiando la forma del perfil de la leva1.2.6. Levas de glbicasAquellas que, con una forma terica, giran alrededor de un eje y sobre cuya superficie se han practicado unas ranuras que sirven de guas al otro miembro. El contacto entre la leva y la varilla ( puede asegurarse mediante cierres de forma o de fuerza.

1.2.7. Levas de tambor

La leva cilndrica o de tambor en la que el palpador es un rodillo que se desplaza a lo largo de una ranura tallada en un cilindro concntrico con el eje de la leva cilndrica. 1.3. Caractersticas de las levas

a) Crculo base: Crculo ms pequeo tangente a la superficie de la leva.

b) Punto trazador: Centro del seguidor que genera la curva de paso o pitch curve.

c) Punto de paso: Localizacin del mximo ngulo de presin en la curva.

d) Crculo de paso: tiene un radio desde el centro del eje de la leva al punto de paso.

e) Crculo primo: Crculo ms pequeo desde el centro del eje de la leva tangente a la curva de paso (trayectoria generada por el punto trazador relativa a la leva).

f) ngulo de presin: El ngulo en cualquier punto entre la normal a la curva de paso y la direccin instantnea del movimiento del seguidor. Representa la inclinacin de la leva.1.4. Definicin de seguidores

Un seguidor de levas, es un rodamiento compacto con alta rigidez que tiene leva y se congregan los rodillos y la jaula en un anillo exterior espeso.Un caso a resaltar es que todos los seguidores de levas de JNS tienen una serie de tipos de acero inoxidable. TIPO:CF, CF..M, CF..V, CF..VM, CF..A, CF..B, CF..MA, CF..MB, CFH, CFH..M, CFT, CFT..M, CFS.. A, CFS..VA, CFS.. MA, CFS.. VMA1.5. Clasificacin de seguidores

1.5.1. Seguidores planos

1.5.2. Seguidores de rodillos

1.5.3. Seguidores de punto

1.6. rbol de levas

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

En consecuencia, un rbol de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener distintas formas y tamaos y estar orientadas de diferente manera, siendo un programador mecnico. Los usos de los rboles de levas son muy variados, ya antes presentados, aunque su aplicacin ms desarrollada es la relacionada con los motores de combustin interna.

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

1.7.1. Descripcin del rbol de levas:

Consiste en una barra cilndrica que recorre la longitud del flanco de los cilindros con una serie de levas sobresaliendo de l, una por cada vlvula de motor. Las levas fuerzan a las vlvulas a abrirse por una presin ejercida por la leva mientras el rbol rota. Este giro es producido porque el rbol de levas est conectado con el cigeal, que es el eje motriz que sale del motor. La conexin entre cigeal y rbol de levas se puede realizar directamente mediante un mecanismo de engranajes o indirectamente mediante una correa o cadena, conocida como correa de distribucin.

Vista frontal de un rbol de levas.

CAPITULO II: DISEO Y FABRICACIN2.1 Diseo cinemtica de la leva

La leva y el seguidor realizan un movimiento cclico (360 grados). Durante un ciclo de movimiento el seguidor se encuentra en una de tres fases:

Subida (Rise). Durante esta fase el seguidor asciende.

Reposo (Dwell). Durante esta fase el seguidor se mantiene a una misma altura.

Regreso (Return). Durante esta fase el seguidor desciende a su posicin inicial.

Dependiendo del comportamiento que se le quiera dar al movimiento del seguidor dentro de estas fases (duracin, velocidad, aceleracin), es la forma en la que se construir la leva. y proporcionar un movimiento lineal.

2.2 Ley fundamental del diseo de levas

Las ecuaciones que definen el contorno de la leva y por lo tanto el movimiento del seguidor deben cumplir los siguientes requisitos, lo que es llamado la ley fundamental del diseo de levas:

La ecuacin de posicin del seguidor debe ser continua durante todo el ciclo.

La primera y segunda derivadas de la ecuacin de posicin (velocidad y aceleracin) deben ser continuas.

La tercera derivada de la ecuacin (sobreaceleracin o jerk) no necesariamente debe ser continua, pero sus discontinuidades deben ser finitas.

Las condiciones anteriores deben cumplirse para evitar choques o agitaciones innecesarias del seguidor y la leva, lo cual sera perjudicial para la estructura y el sistema en general.Diseo de Levas

Slo se har una breve introduccin al diseo grfico de levas, pues es un mtodo que est quedando en desuso pero, por otra parte, es muy intuitivo y sirve para ver de forma clara la relacin existente entre la funcin de desplazamiento y el perfil de leva.

Antes de acometer el diseo de levas utilizando tcnicas grficas se definirn una serie de conceptos que sern de uso comn en el mismo

Perfil de leva: Es la parte de la superficie de la leva que hace contacto con el seguidor

Crculo base: Es el crculo ms pequeo que, estando centrado en el eje de rotacin de la leva, es tangente al perfil de la misma.

Curva primitiva: Es la curva cerrada descrita por el punto de trazo. Dicho punto se considerar el eje de rotacin del rodillo si el seguidor es de rodillo.

Crculo primitivo: Es el crculo ms pequeo que estando centrado en el eje de rotacin de la leva es tangente a la curva primitiva.

Leva con seguidor de traslacin de cara plana.Como se coment anteriormente el diagrama de desplazamiento, y su representacin grfica, es la base para el diseo de levas con mtodos grficos.

Para acometer el diseo de la leva se divide, en el diagrama de desplazamiento, el ciclo de la leva en tantos intervalos como sea posible (cuantos ms intervalos, ms precisin se lograr al generar el perfil de la leva). A continuacin, con centro en el eje de rotacin de la leva, se dibujan radios con el mismo incremento angular que el utilizado en la divisin del ciclo de la leva.

Se supondr a priori conocido el radio del crculo base, por tanto la mnima distancia desde la cara del seguidor al perfil de la leva ser dicho radio, que se corresponder con el reposo en el punto muerto inferior. Para las dems posiciones, el seguidor se habr desplazado una longitud adicional que puede ser extrada del diagrama cinemtico y llevada a cada uno de los radios correspondientes trazados por el centro de giro de la leva. Si se supone que la leva no gira, pero si lo hace el seguidor alrededor de la misma, el movimiento relativo entre la leva y el seguidor no habr variado (mtodo de inversin cinemtica), por lo tanto si por el extremo de las distancias marcadas sobre los radios se trazan perpendiculares a los mismos, estos representarn las diferentes posiciones de la cara del seguidor en su rotacin alrededor de la leva y por este motivo la curva tangente a las diferentes posiciones de la cara del seguidor ser el perfil de leva buscado.

2.4. DISEO ANALITICO DE LEVAS:Cuando se habla de diseo analtico de levas, se hace referencia a un proceso analtico por medio del cual se determinar el perfil de una leva suponiendo conocida su funcin de desplazamiento. Este apartado tratar el diseo de levas con varios tipos de seguidores utilizando mtodos analticos.

Diseo de levas con seguidor de traslacin de cara plana.

Se supondr una leva como la mostrada en la siguiente figura; el eje de rotacin de la misma es el punto O, y el ngulo de rotacin de la leva A medido desde una lnea que permanece estacionaria (y paralela a la direccin de traslacin del seguidor) a la lnea OM. La lnea OM se denomina lnea de referencia del cuerpo (la leva en el presente caso) y se mueve con la leva.El desplazamiento del seguidor vendr dado por la expresin

f(A): es la funcin de desplazamiento elegida.

Ro: es el radio del crculo base.

Teniendo en cuenta que C y A difieren en una constante (dC/dA=1 ):

Sustituyendo en la segunda ecuacin planteada de posicin:

La ecuacin anterior proporciona una expresin para evaluar el radio de curvatura en cualquier punto del perfil, una vez conocido el radio base.

Podemos seguir relacionando en forma anloga las ecuaciones con los cuales obtenemos:

Radio de curvatura.

La ecuacin (10) proporciona una expresin para evaluar el radio de curvatura en cualquier

punto del perfil, una vez conocido el radio base

Radio del crculo base

La ecuacin (10) puede ser utilizada para calcular el radio base Ro una vez determinado el radio de curvatura, para ello se utilizar la ecuacin de las tensiones de contacto. Una vez determinado , se calcular el radio base mnimo mediante

Diseo de levas con seguidor de traslacin de rodillo

Para mantener la respuesta del seguidor del apartado anterior, pero reducir el rozamiento y el desgaste, pueden utilizarse levas con seguidor de rodillo en vez de seguidor de cara plana.

Angulo de presin

el valor del ngulo de presin en funcin del ngulo girado por la leva es

El ngulo de presin es una medida de la componente lateral de la fuerza que ejerce la leva sobre el seguidor, dicha fuerza tender a acuar y flexionar al seguidor haciendo que aumente el rozamiento y el desgaste. La prctica indica que, para un rendimiento satisfactorio, el ngulo de presin no debe exceder los /6 radianes. Atendiendo a la ecuacin (13) es evidente que un aumento del radio de la circunferencia primitiva se traduce en una disminucin del ngulo de presin.Perfil de leva

A medida que el ngulo A vara de 0 a 2, por medio de las expresiones (15) y (16) se van calculando los puntos del perfil de la leva.

Radio de curvatura

El valor del radio de curvatura de la curva primitiva se calcular por medio de la expresin (18), mientras que para calcular el radio de curvatura del perfil de la leva se utilizar (19).

Radio del crculo primitivoUna de las decisiones iniciales de diseo es la eleccin del radio del crculo primitivo. Este valor controla el tamao de la leva, y por lo tanto, es razonable elegirlo pequeo para ahorrar material y reducir el espacio requerido por la leva. Pero, por otra parte, un valor demasiado pequeo de Rpo puede tener dos efectos negativos:

1.- El ngulo de presin puede ser muy grande.

2.- Las tensiones de contacto pueden alcanzar valores inadmisibles, ya que el estado de tensiones depende del radio del rodillo del seguidor y del radio de curvatura del perfil de la leva, y este ltimo depende del radio de curvatura de la curva primitiva y del rodillo.

Radio del rodillo del seguidor

Hay dos consideraciones que restringen el radio del rodillo.

1.- Su efecto sobre las tensiones de contacto.

2.- La respuesta cinemtica en el punto del perfil de la leva de mnimo radio de curvatura.

La primera consideracin hace deseable incrementar el radio para as disminuir los valores de las tensiones de Hertz. La segunda consideracin limita el valor mximo en relacin al mnimo radio de curvatura del perfil de la leva.

Una vez elegido un valor para el radio del crculo primitivo y conocida la funcin de desplazamiento, la curva primitiva est completamente definida (se deja su demostracin como ejercicio para el alumno). El perfil de leva puede definirse entonces como la curva interna a la curva primitiva sobre la que desliza el rodillo con su centro (el punto de trazo) movindose a lo largo de la curva primitiva, tal y como se muestra en la figura siguiente en la que se han representado tres diferentes valores para el radio del rodillo del seguidor.

El menor valor de Rs (Rs