MAQUINAS Y MECANISMOS - ANALISIS Y APLICACIN CINEMATICAINTRODUCCION A LA CINEMATICA Y LOS MECANISMOS OBJETIVOS: 1. Explicar los fundamentos para la cinemtica y anlisis de los mecanismos. 2. Definir los componentes bsicos que comprende un mecanismo 3. Dibujar un diagrama cinemtica desde una foto de un complejo mecanismo 4. Determinar el nmero de grados de libertad de un mecanismo. 5. Identificar un mecanismo de cuatro barras y clasificar de acuerdo a sus posibles movimientos. 6. Identificar un mecanismo de manivela deslizante INTRODUCCION

Figura 1.1 Propuesta de limpiador de parabrisas en movimiento. MECANISMOS Y MAQUINAS Mecanismo.- es el conjunto de elementos mecnicos cuyo propsito es transformar el movimiento. Mquina .Conjunto de mecanismos destinados a realizar un trabajo acompaado de movimientos determinados . Por lo tanto al mecanismo se lo puede considerar como el esqueleto geomtrico-cinemtica de una mquina .

Figura 1.2 Plataforma alta ajustable

CINEMATICA Cinemtica .- Es el estudio del movimiento, independientemente de las fuerzas que lo producen. De manera ms especfica la cinemtica estudia la posicin , el desplazamiento, la velocidad y la aceleracin. Es el estudio de la geometra del movimiento. La cinemtica se usa para relacionar el desplazamiento, velocidad, aceleracin y el tiempo sin hacer referencia a las causas del movimiento. TERMINOLOGIA DE MECANISMOSLink : eslabn, enganche, varilla de conexin , argolla, anillo Frame: armazn, estructura, bastidor. Linkage: sistema de conexin, empalme. Joint : junta, acoplamiento , empalme, unin, conexin,. Ligada. Sliding : deslizamiento. Revolute : giratorio Can : leva, parte saliente de una rueda excntrica. Higher order joint : union de orden superior. Half joint : union media Gear joint : union de engrane Crank : manivela, cigeal . Rocker : balancn, eje oscilante, brazo oscilante. Arm : palanca, brazo. Handle : mango, cabo, mstil, cogedero, asa, agarradera, manigueta, manivela, maneja, manipular , maniobrar. Pin : pasador, clavija, chaveta, espiga, macho, empernar, enclavijar. Slider joint : unin deslizante Can joint : unin por leva . Blade : hoja, paleta, aleta. Vise : prensa de tornillo. Grips : mordazas. Bottom : inferior, fondo. Jaw : quijada, mordaza, mandbula.

Toggle : fiador atravesado. - Clamp : abrazadera, grapa, tornillo de banco, afianzador. Crank shaft: rbol cigeal, eje cigeal, eje acodado, rbol motor. -Sc rew : tornillo Lift : Elevacin . - Nut : Tuerca.

Figura 1. 3 Uniones primarias : a) pasador y b) deslizamiento

Figura 1. 4 Uniones de orden superior : a) unin por leva y b) Unin de engrane.

Figura 1. 5 : Eslabones : a) unin simple y b) unin compleja

DIAGRAMAS CINEMATICOS Analizando el movimiento de una maquina, en ella se observa dificultad al visualizar el movimiento de los componentes en un dibujo de ensamble completo. Para solucionar este problema, representamos los diagramas cine maticos, usando simbologa simple de los elementos mecnicos que conforman las maquinas en general.

Tabla 1.1 Smbolos usados en Diagramas Cinemticas

EJEMPLO PROBLEMA 1.1

Figura 1.7 Cizalla para cortar lminas

CIZALLA PARA CORTAR LMINAS SOLUCION : 1. Identificar el bastidor (1) 2. Identificar todos los eslabones Link 2 : Mango Link 3 : Hoja cortante Link 4 : barra que conecta el mango con la cuchilla 3. Identificar las uniones Aunin de pasador Bunin de pasador Cunin de pasador Dunin deslizante 4. Identificar algunos puntos de inters XPunto de apoyo. Empernado

Figura : 1.8 : Diagrama cinemtica para el ejemplo Problema 1.1 EJEMPLO PROBLEMA 1.2

Fig.1.9: Playo de presin.

SOLUCION : 1. Identificar el bastidor (1). En este problema el brazo superior es designado como el bastidor 2. Identificar todos los eslabones Link 2 : brazo inferior Link 3 : quijada inferior Link 4 : barra que conecta el brazo superior e inferior. 3. Identificar las uniones Aunin de pasador B- Unin de pasador Cunin de pasador Dunin de pasador. 4. Identificar algunos puntos de inters X Y Puntos de apoyo.

Fig.1.10: Diagrama cinematico INVERSION CINEMATICA Esto es una cuestin de posicin relativa de los eslabones. Porque el movimiento relativo de los eslabones no cambian con la seleccin del bastidor o base. Utilizando eslabones alternativos para ser usados como eslabones fijos esta considerado como Inversin cinemtica. MOVILIDAD Una importante propiedad en el anlisis de Mecanismos, es el numero de Grados de Libertad. El nmero de grados de libertad de un mecanismo es tambin llamado Movilidad.

ECUACION DE GRUEBLERS Los grados de libertad para un Mecanismo Plano , puede ser calculado por : F = 3 (n-1) 2Jp jh. Donde : n= numero total de eslabones en el Mecanismo. Jp = numero total de uniones primarias ( pasadores, uniones deslizables ) Jh= numero total de uniones de orden superior ( levas, o uniones por engrane )

Figura 1. 11 Mecanismos y estructuras con variacin de movilidad .a)Constrained mechanism b) Locked mechanism c)Unconstrained mechanism

EJEMPLO : PROBLEMA 1.3

Perforador Manual

Figura 1.12 Perforador de superficies SOLUCION : 1. Identificar el bastidor. El componente que esta empernado a la tabla es designado como el bastidor. Es numerado como eslabn 1. 2. Identificar los otros eslabones. Link 2 : Mangueta Link 3 : brazo que sirve de perforador Link 4 : barra que conecta el perforador de la mangueta. 3. Identificar las Uniones : 4 uniones empernadas son usadas para conectar estas diferentes partes : A, B , C y D . 4. Identificar algunos puntos de inters X,Y 5. Dibujar el diagrama cine mtico

El diagrama cine mtico esta detallado en la figura 1.13 6. Calcular la movilidad n= 4 eslabones Jp= 4 uniones empernadas Jh= 0 F = 3 ( n 1 ) -2Jp - Jh = 3 (4-1) -2 (4) -0 = 1 Con un grado de libertad, el perforador est limitado. Moviendo solamente un eslabn, la mangueta, preciso las posiciones de los otros eslabones en el perforador. Ejemplo Problema 1.4

Figura 1.14: Can Crusher

SOLUCION : 1. Identificar el bastidor (1). Base angular 2. Identificar todos los eslabones Link 2 : manilla Link 3 : bloque deslizante Link 4 : barra que conecta el bloque y la manilla. 3. Identificar las uniones Aunin de pasador B_ unin de pasador Cunin de pasador Dunin deslizante 4. Identificar algunos puntos de inters XPunto de apoyo en la manilla

5.- Calcular la movilidad n= 4 eslabones Jp= ( 3 uniones empernadas + una deslizable) Jh= 0 F = 3 ( n 1 ) -2Jp - Jh = 3 (4-1) -2 (4) -0 = 1 Con un grado de libertad, el can crusher est limitado. Moviendo solamente un eslabn, el elevador, precisa las posiciones de los otros eslabones en el mecanismo.

Ejemplo 1.5 : Cortador a presin de material.

Figura 1.16 : Cortadora a presion .

SOLUCION : 1. Identificar el bastidor (1). Base empernada 2. Identificar todos los eslabones Link 2 : manija-engrane Link 3 : cuchilla de corte 3. Identificar las uniones Aunin de pasador B_ unin de pasador Cunin -engrane 4. Identificar algunos puntos de inters X, Y 1. Calcular la movilidad n= 3 eslabones Jp= 2 uniones empernadas Jh= 1 conexin -engrane F = 3 ( n 1 ) -2Jp - Jh = 3 (3-1) -2 (2) - 1 = 1 Con un grado de libertad, la cortadora a presin ,est limitado. Moviendo solamente un eslabn, la mangueta, preciso las posiciones de los otros eslabones y presiona la cuchilla de corte sobre la pieza.

ACTUADORES Y ACCIONADORES En orden de operar un mecanismo, un actuador, o dispositivo accionador , es requerido para dar movimiento o energa . es preciso para operar un mecanismo , un accionado es requerido para exibir cada grado de libertad. Tenemos diferentes actuadores y son usados en la industria en mquinas y mecanismos comerciales . Algunos de uso mas comn son : Motor Elctrico (AC) Motor Elctrico (DC) Maquinas Servomotores Motores de aire o hidrulico Cilindros hidrulicos o neumticos. Actuador de tornillo Manual

Figura 1.18 Cilindro hidrulico El cilindro contiene un vstago y piston ensamblados , que tiene deslizamiento relativo en el cilindro. Para propsito mcinematico, este tiene dos links. (piston /vstago y cilindro ), conectados con una unin deslizante. Adicionalmente , el cilindro y el vstago al fin es conectado por unos pin joints.

Ejemplo problema 1.6 : Se indica un vehculo con dispositivo hidrulico para fijacin en tierra.

Figura 1.19 : Vehculo con estabilizador hidrulica .

SOLUCION : 1. Identificar el bastidor (1). Vehculo 2. Identificar todos los eslabones Link 2 : dispositivo de fijacion Link 3 : cilindro Link 4 : piston-vastago 3. Identificar las uniones Aunin de pasador B_ unin de pasador Cunin de pasador Dunin deslizante 4. Identificar algunos puntos de inters X-parte del eslabn 2. 1. Calcular la movilidad n= 4 eslabones Jp= (3 uniones empernadas+ una deslizable) Jh= 0 F = 3 ( n 1 ) -2Jp - Jh = 3 (4-1) -2 (4) - 0 = 1

Con un grado de libertad, el vehculo estabilizador ,est limitado. Moviendo solamente un eslabn, el pistn precisa las posiciones de los otros eslabones en el estabilizador para fijar al piso.

Figura 1.20 : Diagrama Cinematico del estabilizador. ESLABONES Y UNIONES USADOS COMUNMENTE

Figura 1.21 : manivelas excntricas.

Figura 1.22 : Union Pin en gua deslizante

Figura 1.23 : Union Roscada. Ejemplo Problema 1. 7. Presenta una plataforma regulable, usada para regular la altura de trabajo de diferentes objetos.

Figura 1.24 : Plataforma Regulable.

SOLUCION : 4. Identificar el bastidor (1). Base inferior 5. Identificar todos los eslabones Link 2 : Tuerca Link 3 : perfil que une la tuerca y la tabla Link 4 : perfil que une el soporte fijo y la corredera deslizante

Link 5: eslabn extra usado para unir la corredera deslizable y unin simple. 6. Identificar las uniones Aunin de pasador y deslizable B_ unin de pasador Cunin de pasador y deslizable Dunin de pasador E--- Union pasador 4. Identificar algunos puntos de inters X- manivela - tornillo 2. Calcular la movilidad n= 6 eslabones Jp= (5 uniones empernadas+ 2 deslizables) Jh= 0

F = 3 ( n 1 ) -2Jp - Jh = 3 (6-1) -2 (7) - 0 = 1 Con un grado de libertad, la manivela de tornillo ,est limitando el movimiento. Moviendo solamente un eslabn, la manija del tornillo , precisa las posiciones en la plataforma regulable.

Figura 1.25 : Esquema cinematico plataforma regulable.

CASOS ESPECIALES DE LA ECUACION DE MOVILIDAD Algunos caos especiales son presentados a continuacin .

COINCIDENT JOINTS. Algunos mecanismos tienen tres eslabones conectados en un punto de unin comn , como se ve en la Fig. 1.26

Ejemplo problema 1.8 : Se indica un mecanismo de presin para aplastar tubos en un punto de inters.

SOLUCION : 7. Identificar el bastidor (1). Base inferior prensa. 8. Identificar todos los eslabones Link 2 : mangueta Link 3 : eslabon que conecta la mangueta con los otras piezas Link 4 : eslabon que conecta la base con las otras piezas Link 5 : apisonador Link 6 : eslabon que conecta el apisonador con las otras piezas.

9. Identificar las uniones Aunin de pasador B_ unin de pasador Cunin de pasador Dunin de pasador E,F- unin de pasador G unin deslizable 4. Identificar algunos puntos de inters X- extremo mangueta. 3. Calcular la movilidad n= 6 eslabones Jp= (6 uniones empernadas+ una deslizable) Jh= 0

F = 3 ( n 1 ) -2Jp - Jh = 3 (6-1) -2 (7) - 0 = 15 14 = 1 Con un grado de libertad, la prensa a presin ,est limitado. Moviendo solamente un eslabn, la manija, precisa las posiciones de los otros eslabones en la prensa a presin , deslizando el apisonador para realizar el trabajo en la pieza.

Figura 1.28 : Esquema cinematico Prensa de presin.

MECANISMOS DE CUATRO BARRAS Los mas simples y comunes son los mecanismos de cuatro barras . Esto es una combinacin de 4 eslabones , uno viene designado como la estructura y conectado por 4 uniones simples .

Figura 1.30 : mecanismo limpiabrisas. El mecanismo para automoviles del sistema limpiabrisas , indicado en la figura1.30 y el diagrama cinematico, es un mecanismo de 4 barras . N = 4, Y F= 3(4-1) 2(4)-0 = 12. Un cargador delantero pequeo se muestra en el fig. P1.12. Dibuje el diagrama cinemtico del mecanismo

jp= 4 pins,

jh= 0

Solucin Identificar la estructura (1) Identificar los eslabones 2 Brazo 3 Eslabn de conexin, en la unin deslizante 4 Eslabn de conexin, en la unin deslizante 5 Eslabn de conexin mvil 6 Eslabn de conexin, en la unin deslizante 7 Eslabn de conexin, en la unin deslizante Identificar las uniones A,B,C,E,F,H Uniones simples D,G Uniones deslizantes

Determinar el grado de libertad F= 3(n-1)-2jp jh F= 3(7-1) 2(8) -0 = 2 Punto de inters (x,y) 3. Un boceto de un cargador delantero se muestra en la fig. P1.19. Dibuje el diagrama cinemtico del mecanismo

Sol uci n

Identificar la estructura (1) Identificar los eslabones

2 Brazo principal 3 Brazo secundario 4 Eslabn de conexin, brazo secundario con el eslabn mvil 5 Eslabn de conexin, en la unin deslizante 6 Eslabn de conexin, en la unin deslizante 7 Eslabn mvil 8 Eslabn de conexin, en la unin deslizante 9 Eslabn de conexin, en la unin deslizante

Identificar las uniones A,B,D,E,F,H,I Uniones simples C,G,J Uniones deslizantes

Determinar el grado de libertad

F= 3(n-1)-2jp jh F= 3(9-1) 2(11) -0 = 2

Punto de inters (v,x )

CRITERIO DE GRASHOF, s. La nomenclatura indicada es usada para describir la longitud de los cuatro eslabones. s = longitud del eslabn corto l = longitud del eslabn largo

p = longitud de uno de los eslabones intermedios q= longitud de otro eslabn intermedio. El estado del teorema de Grashof para un mecanismo de cuatro barras tiene un eslabon rotando si: Slpq

Ejemplo 1.9: Mecanismo del tren de aterrizaje de un avion.

Ejemplo: Mecanismo para una bomba manual de agua.

n = 4,

jp = (3 pins y 1 Sliding) = 4,

jh = 0

F= 3 (4-1) -2 (4) -0 = 1