LEVASDISEO Y CLCULO

DEFINICIN La leva es un disco con un perfil externo parcialmente circular sobre el que apoya un operador mvil (seguidor de leva ) destinado a seguir las variaciones del perfil de la leva cuando esta gira. Conceptualmente deriva de la rueda y del plano inclinado.

La leva es un mecanismo que nos permite transformar un movimiento giratorio en uno alternativo lineal sistema leva-mbolo o circular sistema leva-palancaEl perfil de la leva se disea para generar un movimiento determinado al seguidor su principal utilidad es la automatizacin de mquinas:(mquinas herramientas, envasadoras, programadores de lavadora, control de mquinas de vapor, apertura y cierre de las vlvulas de los motores de explosin) Son muy utilizadas en la industria de forma totalmente generalizada

ClasificacinLos sistemas de leva y seguidor pueden ser clasificados de varias maneras: Por el tipo de movimiento del seguidor: traslacin o rotacin (oscilatorio) Por el tipo de leva: radial, cilndrica, Por el tipo de restitucion: Por el tipo de seguidor: tridimensional;

de forma (contraleva) o de fuerza (resorte) curvo o plano, rodante o deslizante;

Por el tipo de restricciones al movimiento: posicin extrema ctrica movimiento en trayectoria crtica Por el tipo de programa de movimiento: subida-bajada-detenimiento subida-detenimiento-bajada-detenimiento

Por el tipo de movimiento del seguidor:Como seguidor de leva pueden emplearse mbolos (movimientos de vaivn) o palancas (movimientos angulares) que en todo momento han de permanecer en contacto con el contorno de la leva. Para conseguirlo se recurre al empleo de resortes, muelles o gomas de recuperacin adecuadamente dispuestos.

Por el tipo de leva:

Radiales Axiales Globoidales Cilndricas Cnicas Esfricas Planas

Veremos algunos ejemplos

Levas Radiales

Levas Axiales

Levas Globoidales

Levas EspecialesLEVA DE CANAL EN GRILLON

LEVA DE CANAL

LEVA COMPLEMENTARIA

LEVA INDEX

Por el tipo de control del movimiento o restitucion:

CIERRE DE FORMAExisten dos superficies que contienen al seguidor

CIERRE DE FUERZAExiste un resorte u otro dispositivo que le aplica una fuerza externa

Por el tipo de seguidor:

MENOR FRICCIN MAYOR COSTO

BUEN RENDIMIENTO EN SISTEMAS INTERMEDIOS

FABRICACIONES EN SERIE CUIDADO CON CURVAS NEGATIVAS

Tipo de Seguidores

SEGUIDOR DE RODILLO

SEGUIDOR DE CARA PLANA

SEGUIDOR DE AGUJA

Por el tipo de restricciones al movimiento:1. Posicin extrema crticaSe refiere al caso en que las especificaciones de diseo definen las posiciones inicial y final del seguidor ( sus posiciones extremas ), pero no especifican restriccin alguna al movimiento de trayectoria entre las posiciones extremas. 2. Movimiento de trayectoria crtica En este tipo de levas, no solo son importantes las posiciones iniciales y finales sino tambien el modo que se llega a ellos. O sea, la velocidad y la aceleracion que tiene el movimiento. NORMALMENTE ES ESTE ULTIMO TIPO DE MOVIMIENTO EL QUE SE UTILIZA EN EL DISENO DE LEVAS PARA COMANDAR LAS VALVULAS DE LOS MOTORES

Por el tipo de programa de movimiento:Otra forma de clasificar las levas es directamente con el programa de movimiento con que se disea Los diferentes programas cinemticos denominados (RF) subir-bajar (RFD) subir-bajar-detener (RDFD) subir-detener-bajar-detener sin detencin un detenimiento mas de un detenimiento

definen realmente cuntas detenciones existen en el ciclo de movimiento completo. Los detenimientos, definidos como movimiento nulo de salida durante un lapso especificado de movimiento de entrada, son una caracterstica importante de los sistemas de leva y seguidor, es muy fcil crear detenimientos exactos en tales mecanismos.

LEVAS DE MOTORESGeometra de las levasAl disear el perfil de las levas se toman en cuenta las siguientes condiciones: - Obtener mayor potencia del motor - Mayor eficiencia - Menor consumo de combustible - Reducir al mnimo la menor cantidad de gases contaminantes. - Tener un movimiento suave entre el mecanismo levanta vlvulas y las vlvulas. - Evitar rebotes entre el buzo y la leva despus de que la vlvula se aloja en su asiento - Tener una velocidad uniforme. - Tener bajos valores de aceleraciones.

Funcin de la LevaLas levas estn diseadas para levantar las vlvulas en el preciso instante de la carrera del pistn

y para mantenerlas abiertas el tiempo preciso, as tener el ms eficiente llenado y vaciado de la mezcla airecombustible en los cilindros. Las levas controlan la apertura y cierre de las vlvulas de admisin y escape.

MAXIMA APERTURA COMIENZA LA APERTURA

FINALIZA LA APERTURA

DIAGRAMAS DE ALZADA

Tratamiento trmico superficial de las levasUn proceso de tratamiento trmico genera una capa endurecida en el contorno de las levas donde es muy notorio el rozamiento. Las levas de fundicin gris estn tratadas qumicamente (fosfatizado); este tratamiento impide un efecto de friccin entre las levas y los seguidores en el momento de arrancar el motor (sin lubricacin), an antes de trabajar la bomba de aceite. Por sus propiedades el hierro nodular no requiere del fosfatizado.

Desgaste de las LevasSe da principalmente en la nariz de la leva y en rampas. Las levas desgastadas, provocan los siguientes problemas: - Mayor contaminacin - Prdida de potencia del motor - Aumento en el consumo de combustible - Dificultad en la afinacin - Problemas de ajuste en el tiempo - Ruidos y vibraciones

Tengamos en cuenta que cuando la capa externa endurecida de una leva se desgasta, es intil tratar de rectificarlas nuevamente, ya que se reduce o se elimina la estructura endurecida; lo que ocasiona que ni la duracin ni el funcionamiento sean los adecuados y el desgaste sea extremadamente rpido. Las causas mas representativas del desgaste prematuro en levas y taqus son: - Piezas fuera de especificacin - Limpieza inadecuada de las partes del motor - Lubricacin inadecuada Ventajas de usar un rbol de levas nuevo - Menor consumo de combustible - Eliminacin de ruidos y vibraciones - Aumento en la potencia del motor - Facilidad en la afinacin

Para garantizar el funcionamiento y durabilidad de los rboles de levas es necesario que:- Sus diseos, materiales, dimensiones, tolerancias, perfil de levas y tratamientos trmicos sean los originales. - Se fabriquen utilizando especificaciones del fabricante, asegurando la regulacin exacta y eliminando errores de ndice en el perfil de la leva. - Se instalen de acuerdo a las recomendaciones de manual. - Se utilicen siempre bujes y guas nuevos - Cambiar en forma peridica el aceite y filtros del motor. - Evitar siempre sobre ajustes en los taqus del motor.

Recomendaciones de instalacinLimpiezaEs sumamente importante que el motor y todas sus partes estn completamente limpios antes de proceder a su ensamble, asegurndose que no existen partculas metlicas y que los filtros de aceite y aire estn en buenas condiciones de operacin.

InspeccinVerificar que todas las partes del motor estn libres de defectos y que todos los conductos y venas de lubricacin estn totalmente libres de partculas y suciedades.

Manipulacion del rbol de levasRecordar que el rbol de levas est diseado para recibir esfuerzos de torsin y tensin, pero es sumamente frgil ante los golpes. El rbol de levas est protegido con un aceite anticorrosivo, pero es importante no dejarlo a la intemperie para evitar problemas de oxidacin.

PrelubricacinLa falta de lubricacin durante el arranque inicial del motor, es una de las causas ms comunes en el desgaste prematuro de algunas de sus partes. Si el rbol de levas o alguna otra parte del tren de vlvulas no tiene apropiada lubricacin, estas se pueden daar a las primeras vueltas de trabajo. Una vez iniciado el dao no existe lubricacin que impida el desgaste de las partes. Durante el ensamble del motor se puede prelubricar con aceite especial todas sus partes, la capa de adhesin que forma este aceite en las partes del motor, evitar el peligro de arranque en seco, durante el periodo inicial de trabajo. Siempre, antes de arrancar inicialmente el motor, este se deber cargar con aceite nuevo.

Arranque inicialDurante los primeros 15 minutos de trabajo de su motor, tenga cuidado de verificar que su motor tenga una correcta lubricacin. Si detecta algn problema pare inmediatamente el motor y repita todo el proceso de inspeccin e instalacin. No arranque nuevamente el motor hasta estar seguro de que el problema ha sido corregido.

Puesta a puntoEs necesaria una sincronizacin entre el ARBOL DE LEVAS y el CIGEAL para que la apertura y cierre sean exactamente las diseadas En los motores hay MARCAS DE REFERENCIA en los engranajes o correas o cadenas de distribucin que hay que hacer coincidir

CUANDO NO CONOCEMOS O NO ESTAN ESTAS MARCASLo podemos realizar con el volante de inercia: Se coloca el primer pistn en el PMS Se trazan dos marcas coincidentes en cualquier punto del volante y del carter A partir de ellas y en el sentido del avance, se marcan en el volante el ngulo correspondiente al adelanto de apertura de la admisin y se gira el volante en sentido contrario hasta que coincida la nueva marca con la anterior. En esta posicin, se hace girar al arbol de levas hasta que la vlvula de admisin del primer cilindro est en posicin de iniciar su apertura, lo cual ocurre cuando el balancn entra en contacto con la cola de la vlvula Por ltimo se conectan los engranajes o correas de mando

CUIDADO !!!Entre la cola de la VLVULA y su EMPUJADOR debe existir un huelgo cuando el motor esta fro, ya que cuando se calienta, la dilatacin trmica de las piezas haran quedar abiertas las vlvulas con el consiguiente deterioro del funcionamiento REGLAJE DE TAQUS Si el huelgo es insuficiente Si el huelgo es excesivo La vlvula podra quedar abierta La vlvula tardara mas en abrirse y cerrarse, abrira menos de lo previsto con un menor rendimiento indicado

La holgura ideal correspondiente a cada motor viene fijada por el fabricante Su reglaje se efecta mediante GALGAS que se colocan entre la cola de la Vlvula y el taqu

ESTUDIO DE LOS MOVIMIENTOSDiseo cinemtico de la levaDurante un ciclo de movimiento de 360 de una leva, el seguidor se encuentra en una de tres fases: Subida Reposo Durante esta fase el seguidor asciende. Durante esta fase el seguidor se mantiene a una misma altura. (NO EXISTE EN NUESTRO CASO) Durante esta fase el seguidor desciende a su posicin inicial.

Regreso

Dependiendo del comportamiento que se le quiera dar al movimiento del seguidor dentro de estas variables ( espacio-velocidad-aceleracin ) es la forma en la que se construir la leva.

DISTINTOS FORMATOS DE LAS LEVAS DISTINTOS TIPOS DE SALIDA

Movimiento de las levas:La seleccin del movimiento que la leva debe producir depende, primero, de la sucesin del ciclo y segundo, del sistema o la dinmica de la mquina. Movimiento uniforme Movimiento parablico Movimiento armnico Movimiento cicloidal Movimiento Trapezoidal modificado Movimiento sinusoidal

Con el fin de demostrar las tcnicas de trazado de una leva, y a modo de ejemplo, se tratan a continuacin las levas que producen los siguientes movimientos tpicos:

Veremos un par de ejemplos de movimienos

Esta curva tambin se denomina movimiento rectilneo, se utiliza cuando el seguidor debe subir o bajar con velocidad constante.

Ej. mquinas de fabricar tornillos para controlar la alimentacin de la herramienta de corte.

Como este tipo de movimiento comienza y termina abruptamente, con frecuencia se modifica ligeramente para reducir el impacto sobre el seguidor.

Para lograr esto, los extremos del movimiento se redondean y se unen por medio de tangentes al resto del movimiento. El radio de este redondeado, vara desde un tercio hasta toda la subida del seguidor, dependiendo de cuan intensa sea dicha subida. Este movimiento se denomina Movimiento Uniforme Modificado. Este movimiento no es adecuado para altas velocidades, se usan en levas donde el comienzo y fin del movimiento deben ser lentos, obtenindose la mayor velocidad en el centro

Este movimiento denominado de manivela, se produce por medio de una excntrica operando con un seguidor plano cuya superficie sea normal a la direccin del desplazamiento lineal. La Figura ilustra este tipo de levas.

Caso generalDiagrama de desplazamientos

Diagrama de velocidades

Diagrama de aceleraciones

DISEO DE PERFILES DE LEVASDiseo cinemtico de la levaDurante un ciclo de movimiento de 360 de una leva, el seguidor se encuentra en una de tres fases: Subida (Rise). Reposo (Dwell). Regreso (Return). Durante esta fase el seguidor asciende. Durante esta fase el seguidor se mantiene a una misma altura. 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 variables ( espacio-velocidad-aceleracin ) es la forma en la que se construir la leva.

Mtodo simplificado para trazar el movimiento de una levaEl mtodo ilustrado es rpido y preciso para el trazado de levas. Las divisiones de las lneas en la se hacen exactamente para los varios movimientos de la leva. Por ejemplo, el trazado de una leva de movimiento parablico de 21/4 pul en una rotacin de 120

En la preparacin de dibujos de levas, primero se traza un diagrama de desplazamiento de la leva para determinar el movimiento del seguidor. La curva representa el camino del seguidor no el perfil de la leva. La longitud del diagrama puede ser cualquiera conveniente, aunque frecuentemente se traza igual a la circunferencia del crculo de base de la leva y la altura igual al desplazamiento del seguidor. Las lneas trazadas en el diagrama de movimiento aparecen como lneas radiales en la leva y sus tamaos se trasladan del diagrama de movimiento al dibujo de la leva. La Figura 10 ilustra un diagrama de desplazamiento que tiene tres movimientos diferentes y tres intervalos. La mayora de los diagramas presentan los 360 del ngulo de desplazamiento de la leva.

Diagramas SVAJ Son grficas que muestran la posicin, velocidad, aceleracin y el impulso o sobreaceleracin del seguidor en un ciclo de rotacin de la leva. Se utilizan para comprobar que el diseo propuesto cumple con la ley fundamental del diseo de levas. Software para diseo de levas Actualmente, existe un software desarrollado por Robert L. Norton llamado Dynacam, que de acuerdo a los datos de subida, detenimiento y bajada permite seleccionar las ecuaciones de movimiento y hace el dibujo de la leva junto a los diagramas SVAJ, adems de calcular las fuerzas dinmicas que actan sobre la leva.

EJEMPLO DE LEVAS LENTASEXENTRICA DE CORAZN Convierte un movimiento de rotacin continuo, en un rectilneo alternativo. Dada una cierta h (altura) V (velocidad) Se puede construir el diagrama

Otro caso tpico para movimiento sin detenimiento Pero la carrera de subida es a menor velocidad que la de bajada Tanto la Leva como el tringulo formado en el diagrama son asimtricos

PASOS EN EL DIBUJO DE UN PERFIL DE MOVIMIENTO RECTILINIO UNIFORME

EJEMPLOSe desea disear una leva de doble detenimiento la cual impulse una estacin alimentadora de envases de pasta dentfrica1. El seguidor recibe un tubo vaco (durante el detenimiento bajo) 2. Luego desplaza a dicho tubo a una estacin de llenado (durante la accin de subida) 3. Sostiene al tubo absolutamente inmvil en una posicin definida mientras el dentfrico es inyectado por el fondo abierto del envase (durante el detenimiento alto) 4. A continuacin devuelve al tubo ya lleno a la posicin de partida (cero) 5. Retenindolo en esta otra posicin definida

Donde otro mecanismo (durante el detenimiento bajo) toma dicho tubo y lo lleva a la siguiente operacin de cierre y sellado del fondo terminando el ciclo.

Este es un caso tpico de restriccin de movimiento tipo (CEP) de Posicin Extrema Crtica, ya que solo se especifican las posiciones a alcanzar pero nada en absoluto de la forma de llegar a ellas.

Datos del problemaDetenimiento en desplazamiento cero para 90 (detenimiento bajo) Subida 1 pulgada en 90 Detenimiento en 1 pulgada para 90 (detenimiento alto) Bajada 1 pulgada en 90 Leva 2 rad/s = 1 rev/s Diagrama de Temporizacin Representacin grfica de los eventos especificados en el ciclo de la mquina.

Primera solucinUn diseo extremadamente simple nos llevara a unir los puntos del diagrama de tiempo - desplazamiento como se muestraabajo. Esta solucin es aceptable solo cuando se trata de levas de movimiento muy lento. Sin embargo, cuando las velocidades son considerables es imposible ignorar el efecto que produce sobre las derivadas de orden superior la funcin de movimiento uniforme de velocidad constante. En la grfica se pueden observar claramente los picos de aceleracin infinita producidos por las discontinuidades encontradas en las fronteras de los distintos intervalos. Es verdad que una aceleracin infinita no podra obtenerse nunca, ya que se requeriran fuerzas infinitas, pero es claro que las fuerzas dinmicas sern muy grandes en estas fronteras, y originarn esfuerzos de alta intensidad y rpido desgaste.

Como vimos antes cuando las velocidades comienzan a ser importantes, no podemos despreciar los efectos dinmicos y utilizaremos para el diseo curvas como la del Armnico Simple

Las derivadas senoidales, se transforman ad infinitum en cos, sen, cos, etc. Se desfasa 90. Si la comparamos con la anterior cerca de los detenimientos. La aceleracin debe ser 0 De cualquier manera esta curva no es la ideal para este ejemplo

La mejor opcin para resolver este problema particular sera adoptar una funcin de la familia de las cicloides como se muestra en la Figura VELOCIDAD = ACELERACION = 0 EN LOS EXTREMOS

Y aunque el J no es 0, tiene un valor acotado

Para mecanismos de alta velocidad generalmente se utilizan funciones polinmicas, comenzando su estudio por las aceleraciones mximas permisibles para un diseo dado, y as estudiar el camino inverso llegando al Y posible. SE UTILIZAN W W V = Cte A = Cte J = Cte

http://www.aca.org.ar/interes/tecnicas/t150. htm

EJEMPLO PRCTICO DE USO DE LOS DIAGRAMAS PARA DISEOConvertidores de fase Trataremos de adaptar el diagrama de distribucin de un motor para conseguir un buen compromiso entre las exigencias de empuje a bajos regmenes y elevado rendimiento volumtrico (buen llenado de la cmara) a altos regmenes utilizando un variador de fase. Lo haremos controlando la admisin variando la posicin angular del rbol de levas respecto al engranaje que lo mueve, a travs de un accionador electromagntico comandado por la centralita del motor, de forma que la presin del aceite en el mecanismo variador de fase permite ese desacoplamiento de unos grados en el rbol. Los perfiles de las levas (alzada) propiamente dichos y, con ello, tambin la carrera de la vlvula no se modifican. Para un rendimiento eficaz de este sistema basta con modificar los tiempos de distribucin de las vlvulas de admisin. Los ensayos realizados han demostrado que una modificacin de los tiempos de distribucin de las vlvulas de escape no aportan una mejora significativa.

analiza cinemticamente el tren de vlvula y el pistn dando los movimientos exactos correspondientes al perfil de la leva. Combina la geometra del motor con el flujo de aire y los datos de la leva para un anlisis adicional.

Diagramas Interactivos Del Tren De Vlvula

tambin dibuja los diagramas de los trenes de vlvula. Cada diagrama del tren de vlvula se relaciona recprocamente a sus grficos. Cuando usted mueve la lnea del cursor a travs del grfico, el diagrama del tren de vlvula cambia a la posicin del tren de vlvula y lo muestra en ese punto de la rotacin del motor. se pueden sobreponer distintas variaciones del mismo tren de vlvula para comparar

DESPUES DE LA n 46 COLOCAR LA ANIMACION QUE DIBUJA EL DIAGRAMA DE Colocar alguna animacion de mecanismos de 4 barras