Levas

ÍNDICE
Introducción
Objetivo
Resumen
CAPITULO I: Marco Teórico
1.1. Definición de levas
1.2. Clasificación de levas
1.2.1. Levas de disco
1.2.2. Levas cilíndricas
1.2.3. Levas de traslación
1.2.4. Levas de rodillo
1.2.5. Levas de ranura
1.2.6. Levas de globicas
1.2.7. Levas de tambor
1.3. Características de las levas
1.4. Definición de seguidores
1.5. Clasificación de seguidores
1.6.1. Seguidores planos
1.6.2. Seguidores de rodillos
1.6.3. Seguidores de punto
1.6. Árbol de levas
1.7.1. Descripción del árbol de levas
CAPITULO II: Diseño y Fabricación
2.1 Diseño cinemática de la leva
2.2 Ley fundamental del diseño de levas
2.3 Diagramas estandarizados SVAJ
2.4 Software para diseño de levas
CAPITULO III: APLICACIONES INDUSTRIALES
3.1 APLICACIONES CONVENCIONALES DE LEVAS
3.1.1. Disco de levas
3.1.2. La tarea de accionamiento: Disco de levas
3.1.3. Otras Aplicaciones Mecánicas Tradicionales
3.2 INNOVACIONES TECNOLÓGICAS DE LEVAS
3.2 1. Aplicaciones De Árbol De Levas De Motor De Combustión
Interna
3.2.1.1. Sistema de distribución
3.2.1.2. Árbol de levas del motor de combustión interna
3.2.2. Aplicaciones en bombas de inyección
3.2.2.1 Sistema de distribución
3.2.2.2. Árbol de levas del motor de combustión interna
3.2.3. Generación de presión de las bombas de inyección rotativas
Conclusiones
Bibliografía
INTRODUCCIÓN
El proceso de trabajo de muchas máquinas 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 más sencillos, seguros y compactos resultan los de
levas, el cual es el mecanismo que será nuestro objeto de estudio.
El presente informe tiene como finalidad brindar un panorama más
enfocado a las aplicaciones y a las nuevas tendencias de dispositivos de levas
que se encuentran hoy en día en el mercado de maquinaria, automotriz y otros.
Para ello el informe se dividirá en cuatro partes. En la primera se
presentará 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 mecánico. En la segunda parte se presentará una sección
destinada a la fabricación y diseño de las levas, esto es en relación con el
capítulo primero. En la tercera parte se tratarán aspectos convencionales de
levas, así mismo sus innovaciones y tendencias en los sistemas de movimiento
giratorio. Finalmente la cuarta parte se reservara para las conclusiones a las
que se llegó luego de un exhaustivo análisis de la información obtenida.
OBJETIVO
Nuestro objetivo principal radica en brindar al lector un panorama
completo acerca de las levas, sus características, su diseño, fabricación,
además, y centrando más el trabajo hacia, las aplicaciones y las
nuevas
tendencias de los dispositivos de levas que se encuentran hoy en día en el
mercado de maquinaria, automotriz y otros.
RESUMEN
Es uno de los mecanismos más antiguos conocidos ya por Heron de Alejandría
(siglo I a.C.) y constituye uno de los dispositivos básicos de la mecánica.
Transforma un movimiento lineal alternativo o giratorio en otro lineal o giratorio,
ambos alternativos.
El movimiento motriz, normalmente giratorio, lo efectúa la leva, que posee un
determinado perfil, y el seguidor, en contacto permanente con ésta, reproduce
linealmente el contorno de la leva.
Aprovechando estas características de las levas se ha estudiado y diseñado,
posteriormente fabricado diversas aplicaciones industriales. Tal estudio y
surgimiento de nuevas aplicaciones de levas no cesa, actualmente se pueden
observar su aplicación en los frenos de levas entre otros con control
automatizado.
CAPITULO I: MARCO TEÓRICO
1.1. Definición de levas
Dispositivo para transformar un tipo de movimiento a otro.
Una leva es un elemento mecánico hecho de algún material (madera, metal,
plástico, 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 rotación) se
transforma en oscilación, traslación o ambas del seguidor.
Aún cuando una leva se puede diseñar para generación de
movimiento, trayectoria o de función, la mayoría de las
aplicaciones utilizan la leva y el seguidor para generación de
función.
1.2. Clasificación de levas
1.2.1. Levas de disco
En este tipo de leva, el perfil está tallado en un disco montado sobre un eje
giratorio (árbol de levas). El pulsador puede ser un vástago que se desplaza
verticalmente en línea recta y que termina en un disco que está en contacto
con la leva.
El pulsador suele estar comprimido por un muelle para
mantener el contacto con la leva .
1.2.2. Levas cilíndricas
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 así obligado a seguir la
trayectoria condicionado por la distinta longitud de las
generatrices.
1.2.3. Levas de traslación
El contorno o forma de la leva de traslación se determina por el
movimiento especifico del seguidor. Este tipo de leva es la forma
básica, puesto que todas las superficies uniformes o, más
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 cuña alrededor del círculo para formas una leva de disco.
1.2.4. Levas de rodillo
En ésta, la leva roza contra un rodillo, que gira disminuyendo
el rozamiento contra la leva
1.2.5. Levas de ranura
El perfil (o ranura) que define el movimiento está 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
leva
1.2.6. Levas de glóbicas
Aquellas que, con una forma teórica, giran alrededor de
un eje y sobre cuya superficie se han practicado unas
ranuras que sirven de guías 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 cilíndrica o de tambor en la que el palpador es un
rodillo que se desplaza a lo largo de una ranura
tallada en un cilindro concéntrico con el eje de la leva
cilíndrica.
1.3. Características de las levas
a) Círculo base: Círculo más pequeño 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: Localización del máximo ángulo de presión en la curva.
d) Círculo de paso: tiene un radio desde el centro del eje de la leva al punto
de paso.
e) Círculo primo: Círculo más pequeño 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) Ángulo de presión: El ángulo en cualquier punto entre la normal a la
curva de paso y la dirección instantánea del movimiento del seguidor.
Representa la inclinación de la leva.
1.4. Definición 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.. VMA
1.5. Clasificación de seguidores
1.5.1. Seguidores planos
1.5.2. Seguidores de rodillos
1.5.3. Seguidores de punto
1.6. Árbol de levas
Recordando que una leva es un elemento mecánico hecho de algún 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 árbol de levas es un mecanismo formado por un
eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener distintas formas y
tamaños y estar orientadas de diferente manera, siendo un programador
mecánico. Los usos de los árboles de levas son muy variados, ya antes
presentados, aunque su aplicación más desarrollada es la relacionada con los
motores de combustión 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 árbol, pero no su núcleo.
1.7.1. Descripción del árbol de levas:
Consiste en una barra cilíndrica que recorre la longitud del flanco de los
cilindros con una serie de levas sobresaliendo de él, una por cada válvula de
motor. Las levas fuerzan a las válvulas a abrirse por una presión ejercida por la
leva mientras el árbol rota. Este giro es producido porque el árbol de levas está
conectado con el cigüeñal, que es el eje motriz que sale del motor. La conexión
entre cigüeñal y árbol de levas se puede realizar directamente mediante un
mecanismo de engranajes o indirectamente mediante una correa o cadena,
conocida como correa de distribución.
Vista frontal de un árbol de levas.
CAPITULO II: DISEÑO Y FABRICACIÓN
2.1 Diseño cinemática de la leva
La leva y el seguidor realizan un movimiento cíclico (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 posición
inicial.
Dependiendo del comportamiento que se le quiera dar al movimiento del
seguidor dentro de estas fases (duración, velocidad, aceleración), es la
forma en la que se construirá la leva. y proporcionar un movimiento lineal.
2.2 Ley fundamental del diseño 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 diseño de levas:

La ecuación de posición del seguidor debe ser continua durante todo
el ciclo.

La primera y segunda derivadas de la ecuación de posición
(velocidad y aceleración) deben ser continuas.

La tercera derivada de la ecuación (sobreaceleración 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 sería perjudicial para
la estructura y el sistema en general.
2.3 Diagrama de desplazamiento
La representación matemática de la función que relaciona el desplazamiento
del seguidor con la posición angular de la leva, se denomina diagrama cine
mático, y la función recibe el nombre de función de desplazamiento. Por otra
parte, el desplazamiento del seguidor, como se comentó con anterioridad,
puede ser tanto lineal como angular.
Durante un ciclo completo de la leva se distinguen cuatro diferentes fases:
Accionamiento: El desplazamiento del seguidor varía desde cero a un valor
máximo.
Reposo: Periodo en el que es mantenido el máximo desplazamiento.
Retorno: El desplazamiento del seguidor disminuye del máximo valor
alcanzado durante el accionamiento (y mantenido en reposo) a cero.
Reposo: Es un segundo reposo en el que el valor del desplazamiento se
mantiene nulo

Expresándolo de forma matemática:
- Accionamiento: f ( A)  f1 ( A) 0  A  A1
- Reposo:
f ( A)  L
A1  A  A2
- Retorno:
f ( A)  f 3 ( A)
A2  A  A3
- Reposo:
f ( A)  0
A3  A  2
Pueden darse casos, como el mostrado en la figura, en los que el reposo es
nulo, haciendo coincidir los puntos A1 y A2.

Tanto la función de accionamiento, como la de retorno, representan el
movimiento físico del seguidor, por lo tanto deben ser continuas y derivables;
además para lograr una transición continua a los reposos adyacentes sus
derivadas deben ser cero al final de sus respectivos intervalos.
Si denotamos por H(A) la posición del seguidor:
H ( A)  f ( A)  cte
La velocidad del seguidor se obtendrá derivando respecto al tiempo:
dH ( A) d

f ( A)  0
dt
dt
df ( A) dA
H ( A) 

dA dt
H ( A)  f ( A)  A
(2)
Derivando de nuevo se obtendrá la aceleración:
  f ( A)  A 2  f ( A)
 ( A)  A
H
(3)
Diagrama de desplazamiento
  f ( A)  A 2  f ( A)
 ( A)  A
H
(3)
Como puede apreciarse del estudio de la ecuación (3), valores grandes de f
′′(A) supondrán grandes valores de la aceleración del seguidor. Por otra parte,
..
si la función f′′(A) es discontinua, también lo será
H ( A) , lo que supondrá que
la fuerza de contacto entre la leva y el seguidor será discontinua,
ocasionándose una situación de impacto (lo que puede provocar daño en las
superficies de la leva y el seguidor así como vibraciones que excitan al sistema
mecánico). Por lo tanto para la elección de la función de desplazamiento es
necesario tener en cuenta tanto la función en sí como sus derivadas primera y
segunda.
Construcción de una función de accionamiento.
En resumen, se puede decir que la función desplazamiento especifica por
completo el movimiento requerido para el seguidor y proporciona toda la
información cinemática requerida para diseñar una leva; además, como se verá
a continuación, se utiliza directamente en técnicas del diseño gráfico de levas.
Diseño de Levas
Sólo se hará una breve introducción al diseño gráfico de levas, pues es un
método que está quedando en desuso pero, por otra parte, es muy intuitivo y
sirve para ver de forma clara la relación existente entre la función de
desplazamiento y el perfil de leva.
Antes de acometer el diseño de levas utilizando técnicas gráficas se definirán
una serie de conceptos que serán de uso común en el mismo
Perfil de leva: Es la parte de la superficie de la leva que hace contacto con el
seguidor
Círculo base: Es el círculo más pequeño que, estando centrado en el eje de
rotación 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 considerará el eje de rotación del rodillo si el seguidor es de rodillo.
Círculo primitivo: Es el círculo más pequeño que estando centrado en el eje
de rotación de la leva es tangente a la curva primitiva.
Leva con seguidor de traslación de cara plana.
Como se comentó anteriormente el diagrama de desplazamiento, y su
representación gráfica, es la base para el diseño de levas con métodos
gráficos.
Para acometer el diseño de la leva se divide, en el diagrama de
desplazamiento, el ciclo de la leva en tantos intervalos como sea posible
(cuantos más intervalos, más precisión se logrará al generar el perfil de la
leva). A continuación, con centro en el eje de rotación de la leva, se dibujan
radios con el mismo incremento angular que el utilizado en la división del ciclo
de la leva.
Se supondrá a priori conocido el radio del círculo base, por tanto la mínima
distancia desde la cara del seguidor al perfil de la leva será dicho radio, que se
corresponderá con el reposo en el punto muerto inferior. Para las demás
posiciones, el seguidor se habrá desplazado una longitud adicional que puede
ser extraída del diagrama cinemático 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 habrá variado (método de inversión
cinemática), por lo tanto si por el extremo de las distancias marcadas sobre los
radios se trazan perpendiculares a los mismos, estos representarán las
diferentes posiciones de la cara del seguidor en su rotación alrededor de la leva
y por este motivo la curva tangente a las diferentes posiciones de la cara del
seguidor será el perfil de leva buscado.
2.4. DISEÑO ANALITICO DE LEVAS:
Cuando se habla de diseño analítico de levas, se hace referencia a un proceso
analítico por medio del cual se determinará el perfil de una leva suponiendo
conocida su función de desplazamiento. Este apartado tratará el diseño de
levas con varios tipos de seguidores utilizando métodos analíticos.
Diseño de levas con seguidor de traslación de cara plana.
Se supondrá una leva como la mostrada en la siguiente figura; el eje de
rotación de la misma es el punto O, y el ángulo de rotación de la leva A medido
desde una línea que permanece estacionaria (y paralela a la dirección de
traslación del seguidor) a la línea OM. La línea OM se denomina línea de
referencia del cuerpo (la leva en el presente caso) y se mueve con la leva.
El desplazamiento del seguidor vendrá dado por la expresión
H  A  RO  f  A
f(A): es la función de desplazamiento elegida.
Ro: es el radio del círculo base.
Teniendo en cuenta que C y A difieren en una constante (dC/dA=1 ):
dD A 
dA
dD A 
dA
 f A   RC 
dC
 cosC 
dA
 f A   RC  cosC 
Sustituyendo en la segunda ecuación planteada de posición:
RO  f  A     f A 
  RO  f  A   f A 
(10)
La ecuación anterior proporciona una expresión para evaluar el radio de
curvatura en cualquier punto del perfil, una vez conocido el radio base.

Podemos seguir relacionando en forma análoga las ecuaciones con los cuales
obtenemos:
Radio de curvatura.
La ecuación (10) proporciona una expresión para evaluar el radio de curvatura
en cualquier
punto del perfil, una vez conocido el radio base
Radio del círculo base
La ecuación (10) puede ser utilizada para calcular el radio base Ro una vez
determinado el radio de curvatura, para ello se utilizará la ecuación de las
tensiones de contacto. Una vez determinado ρ, se calculará el radio base
mínimo mediante
Diseño de levas con seguidor de traslación 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 presión
el valor del ángulo de presión en función del ángulo girado por la leva es
El ángulo de presión es una medida de la componente lateral de la fuerza que
ejerce la leva sobre el seguidor, dicha fuerza tenderá a acuñar y flexionar al
seguidor haciendo que aumente el rozamiento y el desgaste. La práctica indica
que, para un rendimiento satisfactorio, el ángulo de presión no debe exceder
los π/6 radianes. Atendiendo a la ecuación (13) es evidente que un aumento
del radio de la circunferencia primitiva se traduce en una disminución del
ángulo de presión.
Perfil de leva
A medida que el ángulo A varía de 0 a 2π, 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 calculará por medio de la
expresión (18), mientras que para calcular el radio de curvatura del perfil de la
leva se utilizará (19).
Radio del círculo primitivo
Una de las decisiones iniciales de diseño es la elección del radio del círculo
primitivo. Este valor controla el tamaño de la leva, y por lo tanto, es razonable
elegirlo pequeño para ahorrar material y reducir el espacio requerido por la
leva. Pero, por otra parte, un valor demasiado pequeño de Rpo puede tener
dos efectos negativos:
1.- El ángulo de presión 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 último 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 cinemática en el punto del perfil de la leva de mínimo radio de
curvatura.
La primera consideración hace deseable incrementar el radio para así disminuir
los valores de las tensiones de Hertz. La segunda consideración limita el valor
máximo en relación al mínimo radio de curvatura del perfil de la leva.
Una vez elegido un valor para el radio del círculo primitivo y conocida la función
de desplazamiento, la curva primitiva está completamente definida (se deja su
demostración 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) moviéndose 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<ρpmín.) es aceptable ya que el perfil obtenido es
suave y, aparentemente, cinemáticamente aceptable. Considerando ahora el
mayor radio, para soportar el rodillo del seguidor a medida que el punto de
trazo se aproxima al punto D (centro de curvatura del mínimo radio de
curvatura) es necesaria la superficie AB. Una vez que este punto ha sido
pasado, el rodillo debe apoyarse en la superficie CA. Esto supone una
contradicción, ya que físicamente no puede obtenerse una leva con este tipo de
perfil. El valor límite del radio del rodillo del seguidor está representado también
en la figura17, en la que se ve que existe un valor de este radio (Rs = ρpmín.)
para el cual es posible construir el perfil de leva pero obteniendo un punto
anguloso.
De la discusión anterior se deduce que para que el perfil de leva sea continuo y
derivable (continuidad en la tangente) el radio del rodillo del seguidor debe ser
siempre menor que el radio de curvatura mínimo de la curva primitiva:
CAPITULO III: APLICACIONES INDUSTRIALES
3.1 Aplicaciones convencionales de levas
3.1.1 Disco de levas
La tarea de accionamiento: Disco de levas
Hasta ahora, cuando era preciso coordinar los distintos procesos dinámicos
complejos que tienen lugar en las máquinas de funcionamiento cíclico se
utilizaban los discos de levas mecánicos.
El funcionamiento sincronizado de todos los discos de levas se garantizaba
mediante un eje accionado de forma centralizada denominado eje principal.
Mediante la velocidad de este eje principal es posible ajustar la velocidad de
producción de la máquina. No obstante, esta solución mecánica ofrece pocos
grados de libertad y no satisface los requerimientos de las modernas
instalaciones de producción y transformación.
Ésta es la razón por la que en la construcción de instalaciones máquinas, los
discos de levas mecánicos se sustituyen cada vez más a menudo por
accionamientos con regulación electrónica denominados discos de levas
electrónicos. Pueden encontrarse aplicaciones para el disco de levas en los
siguientes sectores:
 Industria del embalaje
 Industria maderera
 Técnica de transporte
 Tecnología de manipulación
 Tecnología de máquinas impresoras
La figura muestra un ejemplo típico de aplicación para el disco de levas
electrónico. En ésta se muestra la transferencia de tarros de yogur recién
rellenados desde el final de una cinta transportadora hasta la cinta
transportadora situada al lado para su procesamiento posterior. Durante este
proceso, un elemento captador se introduce entre los tarros de yogur, los
levanta y los transporta. El disco de levas electrónico permite realizar una
secuencia de movimiento que garantice una elevación de los tarros sin
sacudidas.
En la industria existen numerosas aplicaciones que requieren vincular dos ejes
en Movimiento en forma rígida.
A una posición angular de un eje principal (master) corresponde una posición
mecánica definida de un segundo elemento (slave).
Otras Aplicaciones Mecánicas Tradicionales
-Cardanes,-cardanes y reductor,-ejes vinculados por poleas-correas
-Ejes vinculados por cadenas/piñones
-Levas mecánicas
Imposibilidad de modificar rápidamente los perfiles de movimiento master
slave, que en muchos casos solo puede realizarse mediante
Cambio de piezas mecánicas con altos tiempos de detención de procesos
Limitaciones para su utilización:
-Espacios físicos necesarios para implementar la solución
-Integración a redes electrónicas de control o al resto de maquinas
-Desgaste
Las aplicaciones de las levas en la industria son muy variadas, desde las
cerraduras de levas hasta máquinas más complejas como lo son los motores
de combustión en cuyo accionamiento intervienen los árboles de levas. Así
mismo, tiene gran aplicación en el diseño de máquinas herramienta como
tornos, prensas, entre otras. A continuación se detallan algunas de las
principales aplicaciones de las levas:
3.2 Innovaciones tecnológicas de levas
3.2.1. Aplicaciones De Árbol De Levas De Motor De Combustión Interna
En un motor de explosión o motor de combustión interna, la energía se obtiene
por la expansión de una mezcla de aire y gasolina debido a una explosión. Tras
ser introducida la mezcla en el cilindro, la combustión es prácticamente
instantánea (comenzando por una chispa de alta tensión que provoca el
sistema de encendido). A continuación presentamos la imagen de un árbol de
levas de este tipo:
Árbol de levas de motor de combustión interna
Un motor de explosión desarrolla un ciclo de cuatro tiempos, estos son:
-
Primer tiempo: Admisión. Donde el pistón baja, la válvula de admisión se
abre cuando el pistón se encuentra en el Punto muerto superior (PMS) y
se cierra cuando llega al Punto muerto inferior (PMI). El cilindro se llena
de carga a través de la válvula de admisión.
-
Segundo tiempo: Compresión. El pistón sube, las válvulas de admisión y
escape están cerradas y la mezcla es comprimida en la cámara de
compresión. En motores de gasolina la relación de compresión es,
aproximadamente, de 10 y en los motores diesel es aproximadamente
de 25.
-
Tercer tiempo: Explosivo y Expansión. El pistón baja debido a la fuerza
expansiva producida por la combustión de la mezcla. La onda de
expansión empuja al pistón y éste mueve el cigüeñal. Ambas válvulas se
encuentran cerradas. LA fuerza de un motor se obtiene en la carrera de
expansión.
-
Cuarto tiempo. Escape. El pistón sube y la válvula de escape se abre
cuando el pistón está en el PMI y se cierra al alcanzar el PMS. A través
de la válvula de escape se eliminan los gases quemados empujados por
el pistón.
Fases del ciclo de cuatro tiempos
Sin embargo, las válvulas de admisión y escape no se abren y cierran justo
en el PMI y PMS. Existen avances (adelanto) y retraso en sus acciones. La
notación más empleada para ello es:
-
A.A.A.: Avance a la apertura de la admisión (la válvula de admisión
se abre antes de que el pistón haya llegado al PMI)
-
R.C.A.: Retraso al cierre de la admisión (la válvula de admisión se
cierra un poco después de que el pistón haya llegado al PMI)
-
A.A.E.: Avance a la apertura del escape (la válvula de escape se
abre antes de que el pistón haya llegado al PMI)
-
R.C.E.: Retraso al cierre del escape (la válvula de escape se cierra
un poco después de que el pistón pase al PMS en el cuarto tiempo)
Por lo tanto, la válvula de admisión se abre antes y la de escape se cierra
después del PMS, por lo que, ambas válvulas se encuentran abiertas a la vez
durante un cierto tiempo. El período en el que las válvulas de admisión y
escape están simultáneamente abiertas se denomina solape o cruce de
válvulas. El adelanto y retraso depende del motor y, en algunos motores, es
variable con el régimen de giro.
El cruce de las válvulas beneficia notablemente el rendimiento del motor, ya
que se eliminan mejor los residuos de gases quemados y hace que la mezcla
contenida en el cilindro para realizar el nuevo ciclo sea lo más pura posible, con
lo cual el aprovechamiento de la cilindrada y energía del combustible es mayor.
Durante el solape, debido a la velocidad de los gases de escape, se crea una
succión que facilita la entrada de la nueva mezcla y el vaciado de los gases
residuales quemados. Cuando los gases frescos llegan a la válvula de escape
ésta ya está cerrada sin que se pierdan en la atmósfera.
2.3.1.1
Sistema de distribución
Es el encargado de regular la entrada y salida de gases en el cilindro. Para ello,
actúa abriendo y cerrando las válvulas de entrada (válvulas de admisión) y de
salida de gases (válvulas de escape) en los tiempos de admisión y escape de
forma sincronizada con el giro del cigüeñal.
Esquema básico de la distribución
El desplazamiento que realizan las válvulas desde su posición de cierre hasta
la de máxima apertura se denomina alzada, la cual se logra gracias a la leva
que es accionada por su árbol, el cual recibe el movimiento desde el cigüeñal.
Finalmente, la leva transmite el movimiento alterno a la válvula casi siempre
por medio un empujador.
3.2.1.2. Árbol de levas del motor de combustión interna
Es el encargado de producir la apertura y cierre de las válvulas de admisión y
escape. Dicho árbol recibe el giro del cigüeñal y lo transmite (por medio del
perfil de sus levas) a las válvulas. En los motores de cuatro tiempos el árbol de
levas da una vuelta completa por cada dos del cigüeñal.
Fig. Esquema de un árbol de levas con algunas partes que puede presentar.
Un árbol de levas está constituido por:
-
Piñón de mando del árbol de levas. Recibe el movimiento del
cigüeñal.
-
Por cada cilindro, tantas levas como válvulas de admisión y de
escape haya.
-
Leva excéntrica, que da movimiento a la bomba de alimentación de
combustible.
-
Un piñón que da movimiento a la bomba de aceite y el distribuidor de
encendido.
-
Diversos apoyos para evitar la flexión y vibración de árbol.
La apertura de las válvulas puede hacerse por un solo árbol de levas, o por
dos, uno para válvulas de admisión y otro para las de escape, situados uno a
cada lado de la cámara de combustión.
A partir de un árbol de levas, se podrá conocer cuál es la válvula de admisión y
de escape de las dos que tiene cada cilindro. Para ello, giramos el árbol
comenzando en una posición en la que las dos válvulas estarían cerradas
(según el perfil de las levas), y la leva en la que en primer lugar aparezca el
perfil que abriría una válvula será la de escape. Si seguimos girando el árbol, a
medida que la leva de escape produce el cierre de la válvula de escape,
comenzará a abrirse la de admisión (debido al perfil de la leva de admisión).
La válvula comienza a abrirse en el punto de tangencia entre círculo base y
flanco, se va abriendo a lo largo de todo el flanco y permanece abierta durante
toda la cresta. Empieza a cerrarse durante el segundo flanco y se cierra en el
punto de tangencia de éste con el círculo base.
Fig. Detalle del perfil de una leva de admisión o escape.
3.2.2. Aplicación de árbol de levas en bombas de inyección
En un motor Diesel, la energía se obtiene por la combustión de un combustible
(gasóleo) en el aire comprimido y calentado en el interior del cilindro. Por lo
tanto, la combustión ocurre debido a la fuerte compresión del aire, lo que eleva
enormemente su temperatura y provoca la inflamación del combustible
espontáneamente, según va penetrando en el cilindro.
Fig. Árbol de levas de bomba de inyección.
3.2.2.1. Sistema de distribución
El árbol de levas de la bomba de inyección (que se encuentra en la zona
inferior de la carcasa de la bomba) presenta tantas levas como cilindros el
motor. Se produce una inyección de combustible en cada cilindro por cada dos
vueltas del cigueñal.
El árbol de levas de la bomba de inyección presenta:
-
Tantas levas iguales como cilindros.
-
Una leva de perfil distinto a las anteriores, cuya funcion es dar
movimiento a la bomba de alimentación.
3.2.2.2. Descripción de las Bombas de Inyección
Este tipo de bombas se viene usando desde hace bastante tiempo en los
motores diesel, su constitución básica no ha cambiado, las únicas variaciones
han venido dadas por la aplicación de la gestión electrónica en los motores
diesel. En la figura siguiente se pueden ver las "partes comunes" de una
bomba de inyección:
Donde se tiene:
1- Válvula reductora de presión
2- Bomba de alimentación
3- Plato porta-rodillos
4- Plato de levas
5- Muelle de retroceso
6- Pistón distribuidor
7- Corredera de regulación
8- Cabeza hidráulica
9- Rodillo
10- Eje de arrastre de la bomba
11- Variador de avance de inyección
12- Válvula de respiración
13- Cámara de combustible a presión
14- Electroválvula de STOP
El pistón distribuidor es solidario a un plato de levas que dispone de tantas
levas como cilindros alimentar tiene el motor. El plato de levas es movido en
rotación por el eje de arrastre y se mantiene en apoyo sobre el plato portarodillos mediante unos muelles de retroceso. La mayor o menor presión de
inyección viene determinada por la forma de la leva del disco de levas. Además
de influir sobre la presión de inyección también lo hace sobre la duración de la
misma.
Las bombas de inyección rotativas aparte de inyectar combustible en los
cilindros también tienen la función de aspirar gas-oil del depósito de
combustible. Para ello disponen en su interior, una bomba de alimentación que
aspira combustible del depósito a través de un filtro. Cuando el régimen del
motor (RPM) aumenta: la presión en el interior de la bomba asciende hasta un
punto en el que actúa la válvula reductora de presión, que abre y conduce una
parte del combustible a la entrada de la bomba de alimentación. Con ello se
consigue mantener una presión constante en el interior de la bomba.
En la figura inferior se ve el circuito de combustible exterior a la bomba de
inyección así como el circuito interno de alimentación de la bomba.
1- Inyecto
2- Filtro de combustible
3- Deposito de combustible
4- Válvula reductora de presión
5- Conexión de retorno
6- Bomba de alimentación
En la parte más alta de la bomba de inyección hay una conexión de retorno con
una estrangulación acoplada al conducto de retorno para combustible. Su
función es la de, en caso necesario, evacuar el aire del combustible y mandarlo
de regreso al depósito.
3.2.3. Generación de presión de las bombas de inyección rotativas:
La alta presión se genera por medio de un dispositivo de bombeo que además
dosifica y distribuye el combustible a los cilindros.
1- Cilindro
2- Pistón
3- Cámara de expulsión
4- Entrada de combustible
5- Salida de gas-oil a alta presión
hacia el inyector.
6- Corredera de regulación
Funcionamiento del dispositivo: Cuando el pistón se desplaza hacia el PMI,
se llena la cámara de expulsión de gas-oíl, procedente del interior de la bomba
de inyección. Cuando el pistón inicia el movimiento axial hacia el PMS, lo
primero que hace es cerrar la lumbrera de alimentación, y empieza a comprimir
el combustible que esta en la cámara de expulsión, aumentando la presión
hasta que el pistón en su movimiento rotativo encuentre una lumbrera de
salida. Dirigiendo el combustible a alta presión hacia uno de los inyectores,
antes tendrá que haber vencido la fuerza del muelle que empuja la válvula de
reaspiración. El pistón sigue mandando combustible al inyector, por lo que
aumenta notablemente la presión en el inyector, hasta que esta presión sea tan
fuerte que venza la resistencia del muelle del inyector. Se produce la inyección
en el cilindro y esta durara hasta que el pistón en su carrera hacia el PMS no
vea liberado el orificio de fin de inyección por parte de la corredera de
regulación.
Cuando llega el fin de inyección hay una caída brusca de presión en la cámara
de expulsión, lo que provoca el cierre de la válvula de reaspiración empujada
por un muelle. El cierre de esta válvula realiza una reaspiración de un
determinado volumen dentro de la canalización que alimenta al inyector, lo que
da lugar a una expansión rápida del combustible provocando en consecuencia
el cierre brusco del inyector para que no gotee.
El pistón se
desplaza
hacia el PMS
comprimiendo
el gas-oil de
la cámara de
expulsión y lo
distribuye a
uno de los
inyectores.
En la figura
se produce
el final de la
inyección,
debido a
que la
corredera
de
regulación
libera la
canalización
interna del
pistón a
través de la
lumbrera de
fin de
inyección.
La corredera de regulación cuanto mas a la derecha este posicionada, mayor
será el caudal de inyección.
Importante: Es importante resaltar que 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.
En los motores de dos tiempos que usan árbol de levas, cada válvula es abierta
una vez por cada giro del cigüeñal; en este tipo de motores, el árbol de levas
gira el mismo número de veces que el cigüeñal, es decir, la proporción de giro
entre el árbol de levas y el cigüeñal es 1. En los motores de cuatro tiempos, las
válvulas se abren una vez por cada dos giros del cigüeñal, la proporción de giro
entre el árbol de levas y el cigüeñal es 1/2.
Dependiendo de la colocación del árbol de levas y la distribución de estas,
accionarán directamente las válvulas o lo harán mediante un sistema de taqués
y balancines. La primera forma requiere un simple mecanismo que suele tener
menos fallos que el segundo sistema, pero requiere que el árbol de levas este
colocado encima de los cilindros. En el pasado, cuando los motores no eran tan
fiables como hoy, esto resultaba problemático, pero en los modernos motores
de gasolina el sistema de levas "elevado", donde el árbol de levas está encima
de los cilindros, es lo común. Algunos motores usan un árbol de levas por cada
válvula de entrada-salida; esto es conocido como double o dual overhead
camshaft (DOHC). Así, los motores en V pueden tener 4 árboles de levas.
3.3. Aplicaciones en Cerraduras de Levas fundida a Presión:
Figura. Cerradura de levas fundida a presión
Esta cerradura ofrece 5.000 combinaciones de llave para brindar una seguridad
superior a la normal para taquillas, buzones de correos, armarios para
medicamentos, cajas de seguridad para documentos, armarios para el
almacenaje
de
químicos,
cajas de herramientas y numerosas otras
aplicaciones. Las resistentes llaves han sido diseñadas para aguantar en
condiciones de uso intenso y son fáciles de insertar debido a su diseño de
doble lateral reversible, el uso de pestillos de latón y modernas técnicas de
acuñado de llaves. Se ofrece una selección de dos movimientos de llave: 1)
giro a 90° con la llave libre en la posición bloqueada solamente, ó 2) giro a 180°
con la llave libre en la posición bloqueada y desbloqueada.
La cerradura incorpora un movimiento de bloqueo / desbloqueo indexado con
clic positivo que impide que la leva de cierre retroceda bajo su propio peso si
las llaves se dejan en la cerradura.
La cerradura de la Serie 31 tiene 20mm de longitud y se ofrece en una
selección de métodos de fijación — una tuerca de cuerpo de latón o un clip en
forma de herradura, y encaja en un agujero perforado estándar doble ‘D’ de
19mm x 16mm.
Estas cerraduras se pueden ofrecer a un precio sumamente competitivo porque
se fabrican con aleación fundida a presión, lo cual hace que sean un producto
muy atractivo para los fabricantes de equipos originales y los usuarios finales
de grandes volúmenes. El reluciente acabado al cromo aporta un atractivo y
duradero aspecto. Existe una amplia gama de levas de acero chapado al cinc
estándar.
Figura. Esquema de la cerradura de levas.
3.3.1. Tipos de levas empleadas:
La leva es la placa de metal, a veces llamada trinquete, acoplada a la “cola” de
una cerradura de levas la cual constituye la pieza que efectivamente realiza el
bloqueo. Hay muchos tipos de leva disponibles, ya sea los de serie para uso
general o bien los diseñados especialmente para aplicaciones determinadas.
En su forma más sencilla, con la cerradura instalada en una puerta, las levas
giran detrás de la jamba o marco de la puerta y se bloquean en su sitio al retirar
la llave para mantener cerrada la puerta.
a. Levas planas
Las levas planas son las más comúnmente utilizadas y son instaladas
cuando la longitud del cuerpo de la cerradura, según es enviada, resulta
ideal para la aplicación intencionada. La única decisión que debe
tomarse es calcular la longitud óptima de la leva requerida para sujetar
el armario, la cual se mide desde el centro del agujero de sujeción hasta
la punta de la leva.
b. Levas acodadas
Las levas acodadas en general tienen una forma de “cuello de cisne”.
Estas levas se usan para incrementar o disminuir la longitud “efectiva”
de la cerradura, donde no es posible efectuar un bloqueo seguro
mediante el uso de una leva plana. Las levas acodadas pueden ofrecer
numerosas permutaciones de longitud efectiva de bloqueo de 0 a más
de 50mm, dependiendo del tipo de cerradura.
La ilustración siguiente muestra la gama de levas estándar:
c. Levas doblemente perforadas / perforadas en cruz
Estas levas pueden ser instaladas en posiciones que no sean las 12 del
reloj / 6 del reloj determinadas por la forma de agujero “vertical” estándar
usadas para las cerraduras tipo pestillo de pasadores cilíndricos. Una
leva perforada en cruz tiene un agujero de fijación “horizontal” único y
puede ser instalada en las posiciones de las 3 ó 9 del reloj. Las levas
doblemente perforadas se suministran con perforado tanto estándar
como en cruz, para que puedan ser instaladas en las cuatro posiciones
de “cuartos de hora”. En términos generales, las levas doblemente
perforadas solamente se suministran en forma plana, mientras que las
versiones perforadas en cruz pueden ser acodadas o planas.
d. Levas con ganchos / dientes
Las levas con ganchos o dientes incorporados se usan para cierres tales
como tapas, donde el gancho engrana en una chaveta o varilla, para
prevenir que la tapa pueda ser alzada. Estas levas pueden ser planas o
acodadas y, en el caso de cerraduras de pestillo de pasadores
cilíndricos, estándar o perforadas en cruz. Las dimensiones críticas son
aquellas medidas desde el centro del agujero de montaje hasta el
gancho y también hasta la punta de la leva, para asegurar que el gancho
ofrezca la resistencia suficiente pero que su posición no impida la
rotación.
3.4. Aplicación en el Pedal del Bombo:
El funcionamiento consiste en que al dejar caer el pie en peso muerto sobre la
plancha del pedal, se produce el movimiento que origina el golpe en el bombo.
La plancha entonces gira con respecto a ese eje tirando de una cadena. Esa
cadena abraza una leva. Se considera solamente que el primer punto de
contacto de la cadena con la leva es la que aplica la fuerza y no toda la
cadena. Este primer punto de contacto se da entre el primer eslabón de la
cadena que se encuentra en contacto con la leva. En la siguiente imagen se
aprecia el punto de contacto en la posición inicial de equilibrio.
Figura. Punto de contacto en la posición de equilibrio.
Figura. Punto de contacto en la posición final.
Así mismo, el primer ángulo (ángulo 0) de la leva es el que se produce en la
posición inicial cuando el pedal esta en reposo, mientras que el segundo
ángulo queda limitado por la maza cuando esta alcanza el bombo (la maza está
a 90 grados). La diferencia entre un ángulo y otro es 63 grados. En este caso
se trata de una leva concéntrica con un arco de 63 grados.
Entonces cuando la cadena tira de la leva circular y la hace girar, siempre lo
hace en un radio fijo y con una fuerza fija, lo que implica que la leva gira por
acción de un momento constante.
En el siguiente diagrama se observa la gráfica que define la variación de la
resistencia con respecto al recorrido del pedal:
Esta gráfica nos indicaría que la camara redonda negra tiene un "feel" lineal
constante. Esto quiere decir que en todo el recorrido de la maza el pie siente la
misma resistencia. (el momento que aplica el resorte no es constante, el
momento generado por la fuerza del resorte aumenta en cada momento.)
Finalmente, al soltar el pedal, el resorte hace que el eje del pedal gire hacia
atrás, debido a la aplicación de un momento contrario al que se le aplicó al eje
para que gire hacia el bombo.
3.5. Aplicación en los Frenos de Leva en S:
Figura. Los dispositivos de freno
Se usan dispositivos de freno en cada rueda. El tipo más común es el freno de
tambor con leva en S. Las distintas partes del freno se tratan a continuación:
Los tambores, las zapatas, y revestimiento de las zapatas de frenos. Los
tambores de freno se localizan en cada extremo de los ejes del vehículo. Las
ruedas están aseguradas a los tambores. El mecanismo de freno está dentro
del tambor. Al frenar, las zapatas y el revestimiento de las zapatas son
empujados contra la parte interior del tambor. Esto causa la fricción que frena
al vehículo (y produce calor). El calor que un tambor puede tolerar sin sufrir
daños depende de cuánta fuerza y cuánto tiempo se usan los frenos. El calor
excesivo puede hacer que los frenos dejen de funcionar.
Los frenos de leva en S. Cuando se pisa el pedal del freno, el aire comprimido
penetra en cada cámara de freno. La presión de aire empuja la varilla hacia
fuera, moviendo así el ajustador de tensión, haciendo girar el árbol de leva del
freno. Esto hace girar la leva en S (así llamada porque su forma es como la de
la letra "S"). La leva en S fuerza las zapatas hacia fuera y las aprieta contra el
interior del tambor del freno. Cuando usted suelta el pedal del freno, la leva en
S gira hacia atrás y un resorte aleja las zapatas del tambor, permitiendo a las
ruedas rodar libremente de nuevo.
3.6. Aplicación en Prensas:
La prensa es una máquina herramienta que tiene como finalidad lograr la
deformación permanente o incluso cortar un determinado material, mediante la
aplicación de una carga.
las prensas de acuerdo al mecanismo de conducción, se pueden clasificar en
mecánicas o hidráulicas, pudiendo ser las primeras operadas manualmente, en
el caso más elemental, y con motor en la mayoría de los casos. El
funcionamiento de las prensas operadas con motor está basado en el siguiente
principio:
El motor hace girar un volante de la prensa que está unido al cigüeñal de
la misma directamente o por medio de engranes o bandas, operándose con
auxilio de un embrague de fricción; Este embrague es accionado por medio de
un pedal o una estación de botones. El embrague se desconecta
automáticamente después de cada revolución, a no ser que el operador
mantenga oprimido el pedal, en cuyo caso la prensa repite el trabajo. Después
de que el embrague desconecta al volante, un freno detiene el movimiento del
propio cigüeñal. Una biela transmite el movimiento del cigüeñal a una parte
móvil de la prensa o ariete, deslizándose éste en unas guías.
Dentro de esta clasificación se aprecian:
Las prensas manejadas con el pie generalmente son llamadas prensas de
pedal, son usadas solo para trabajos livianos.
Las prensas de manivela, son el tipo más común por su simplicidad. Son
usadas para la mayoría las operaciones de perforado, recorte y de estirado
simple. Las prensas de doble manivela están provistas de un método para
mover los soportes de discos o las matrices de acción múltiple.
Las prensas de conducción excéntrica se usan sólo donde se necesita un solo
martinete de golpe corto.
Las prensas de acción de leva están provistas de un reposo, en la parte
inferior del golpe, por esta razón a veces se usan para accionar los anillos de
sostén del disco en las prensas de estampado.
Las prensas de conducción por charnela son usadas donde se requieren
grandes adelantos mecánicos junto a una acción rápida, como puede ser en el
acuñado, cortado o en el modelado Guerin.
Las prensas de mecanismo de palanca acodillada son usados principalmente
en las prensas de estirado para accionar el soporte de discos.
CONCLUSIONES
La leva es un dispositivo muy importante y su conocimiento se remonta desde
la antigüedad.
Es uno de los mecanismos más antiguos conocidos ya por Heron de Alejandría
(siglo I a.C.) y constituye uno de los dispositivos básicos de la mecánica.
Transforma un movimiento lineal alternativo o giratorio en otro lineal o giratorio,
ambos alternativos.
El movimiento motriz, normalmente giratorio, lo efectúa la leva, que posee un
determinado perfil, y el seguidor, en contacto permanente con ésta, reproduce
linealmente el contorno de la leva.
Aprovechando estas características de las levas se ha estudiado y diseñado,
posteriormente fabricado diversas aplicaciones industriales. Tal estudio y
surgimiento de nuevas aplicaciones de levas no cesa, actualmente se pueden
observar su aplicación en los frenos de levas entre otros con control
automatizado.
BIBLIOGRAFÍA
 Norton, Robert L., Diseño de maquinaria, McGraw-Hill, México, 2005.
 http://www.geocities.com/re_mecanicos/ingenierama/disenos.htm
 Páginas de internet variadas.