3.7. Tutorial Leva

3.7. Tutorial Leva-Válvula.
3.7.1. Introducción
En este tutorial se explica el funcionamiento de contactos en “SolidWorks Motion”
mediante la utilización de contactos 3D y levas, así como el de los muelles. Se trata
de un modelo del funcionamiento de una válvula de un motor de combustión que es
accionada mediante una leva, correspondiente al árbol de levas. También forman
parte de este ensamblaje, además de la propia leva y de la válvula, un balancín que
une leva y válvula, y un eje que une a este balancín al soporte.
En “SolidWorks” se definirán las relaciones de posición necesarias para ensamblar
todas las piezas, para a continuación pasar a “SolidWorks Motion” y analizar el
movimiento del ensamblaje, así como las propiedades del muelle y de las fuerzas
generadas.
Figura 96. Válvulas
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3.7.2. SolidWorks
Una vez insertadas todas las piezas correspondientes al ensamblaje en un nuevo
documento, lo primero que se hará será posicionar los ejes, tanto de la leva como
del balancín en el soporte, para lo cual se hará lo siguiente:
En primer lugar, una relación de posición concéntrica entre eje y agujero (leva
agujero inferior y eje del balancín agujero superior).
A continuación, relación de posición de coincidencia, entre la cara posterior del
soporte y la de ambos ejes.
El eje del balancín debe ser fijado, ya que es una pieza fija y no se quiere que se
mueva, para lo cual, situándose encima de él, y con el botón derecho, se activa la
opción “Fijar”. Se ve que las relaciones de posición que afectan a este eje quedan
inactivas al hacerlo fijo.
El siguiente paso será colocar el balancín:
Lo primero es insertarlo en el eje que ya ha sido colocado con una relación
concéntrica (Atención a la alineación del balancín, la parte redonda debe ir del lado
de la leva).
En segundo lugar, para colocar perfectamente centrado el balancín respecto a la
leva, se medirá la distancia entre la cara exterior de la leva y la interior del bloque,
que son 20 mm., 10 del ancho de leva y 10 de separación y a continuación la
anchura de la leva que son 7,50 mm. de lo que se deduce que se debe introducir
una relación de posición distancia de 11,25 mm.
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Figura 97. Leva-Válvula 1
Ahora sólo quedan por posicionar la válvula y su guía, para ello se hará una relación
de posición paralela entre la arista del balancín que marcará la dirección de la guía,
y la propia guía, tal y como se observa en la imagen:
Figura 98. Leva-Válvula 2
Una vez ya situada la guía, se borrará esta relación, ya que solo es utilizada para
posicionar la válvula en el espacio, no tiene ningún sentido físico en la simulación.
Finalmente, para situar la guía respecto a la válvula:
Una relación de posición concéntrica entre ejes circulares
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Y otra de paralelismo entre caras de válvula y balancín, como se puede observar:
Figura 99. Leva-Válvula 2
El ensamblaje queda definido tal y como se puede observar en la siguiente imagen:
Figura 100. Leva-Válvula 3
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3.7.3. SolidWorks Motion
Una vez el ensamblaje está relacionado, el siguiente paso ahora es simular su
movimiento, para lo cual hay que situarse en “Análisis de movimiento”. Como ya se
ha comentado, lo que se va enseñar en este tutorial es como crear contactos entre
las piezas y aprender a utilizar los muelles en este entorno.
Antes de nada, se definirán los contactos entre piezas, esto es, entre leva y balancín
y entre éste y la válvula.
Para el contacto entre leva y balancín, se va a utilizar una relación de posición
mecánica, concretamente la relación “Leva”. Para ello, en el menú de relaciones de
posición, se escoge “Relaciones mecánicas” y seleccionamos la opción “Leva”. Se
seleccionan las caras de la leva por un lado, y la del balancín que está en contacto
con la leva, por otro. Aceptar el mensaje de advertencia y tanto leva como balancín
ya están “unidos”.
Figura 101. Leva-Válvula 4
A continuación, se conectará el balancín con la válvula. Para ello, en primer lugar, en
el menú de de “Análisis de movimiento” se escoge la opción “Contactar”, y en el
menú automático se definen las piezas que se quiere que estén en contacto, es
decir, el balancín y la válvula.
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Para realizar un contacto 3D también es necesario especificar el material del que
están formadas las piezas o dar las propiedades de los materiales en contacto. En
este caso, se escoge la segunda opción, dando unos valores exactos y que se ven
en la imagen inferior.
Figura 102. Leva-Válvula 5
Hay que dotar al ensamblaje de un motor que suministre un movimiento rotatorio a la
leva. Obviamente, la leva es la encargada de transmitírsele el movimiento al resto de
componentes, con lo cuál, se situará un motor rotatorio en dicha pieza. La velocidad
elegida es de 1500 rpm. Elegir la arista del eje de la leva y aceptar.
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Figura 103. Leva-Válvula 6
Si se simula el mecanismo en este momento, se observa que tanto la leva como el
balancín hacen correctamente su trabajo, pero como no hay nada que detenga a la
válvula, al entrar el balancín en contacto con ella, ésta sale disparada. Para ello, se
introducirá un muelle que frene a la válvula.
El método para introducir un muelle consta de los siguientes pasos:
En primer lugar, se debe seleccionar la opción “Muelles” en el menú de “Análisis de
moviendo”.
Una vez en el menú automático, hay que elegir dónde se quiere posicionar el muelle.
En este caso, seleccionar la arista superior de la válvula y la inferior de la guía, como
se puede ver.
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Figura 104. Leva-Válvula 7
Por último hay que seleccionar los parámetros propios del muelle: Los parámetros
iniciales son K=10 N/mm y Longitud 50 mm.
Antes de seleccionar el tiempo y los parámetros de simulación, recordar activar la
fuerza de la gravedad, fijándose en los ejes principales se escoge la dirección Y.
El último paso es simular el mecanismo. Debido a la existencia de contactos y
muelles y que además se va simular el mecanismo a una velocidad de 1500 rpm
esto va a consumir muchos recursos en el ordenador, por lo que se deberán retocar
parámetros de la simulación para que el integrador no de problemas. En el menú de
“Motion”, se selecciona “Propiedades del estudio de movimiento”, y en la pestaña
“Análisis de movimiento” se dejan los parámetros lo más próximo posible a como se
puede observar en la imagen:
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Figura 105. Menú propiedades estudio movimiento
Una vez seleccionados los parámetros adecuados, pulsar “Calcular” y esperar a que
el proceso concluya, lo cual puede ser más o menos en función del equipo que se
utilice.
Cuando el cálculo haya finalizado, ya se podrá observar los resultados. En este
caso, lo que interesa son las fuerzas en los contactos, así como en el muelle.
En primer lugar, se observará la fuerza ejercida por la leva sobre el balancín. Para
analizar esta fuerza, se debe ir al apartado de “Resultados”, y dentro del menú
automático debemos seleccionar “Fuerzas”, “Fuerzas de Reacción” para ver la
reacción provocada por la leva sobre el balancín. En el momento de seleccionar
entidades, es sencillo, debemos seleccionar por una parte la relación de posición
que nos afecta, en este caso, la relación de posición mecánica de leva, y por otro
lado, la cara sobre la que se quiere saber la reacción, es decir, la cara del balancín
en contacto con la leva.
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Figura 106. Leva-Válvula 8
El resultado obtenido es el siguiente:
Figura 107. Resultados 1
La máxima fuerza de reacción en el balancín se da en el instante en el que la leva
impacta en el balancín por primera vez y lo arrastra. Se ve que la fuerza máxima que
la leva ejerce sobre el balancín a 1500 rpm es de 873 Newtons.
A continuación, se observará la fuerza que el balancín ejerce sobre la válvula y que
será transmitida al muelle. Para ello, en el menú de “Análisis de movimiento”
escoger “Resultados” y como se trata de un contacto entre dos piezas se elige
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“Fuerza de contacto”, seleccionando posteriormente las piezas en contacto, como se
observa.
Figura 108. Leva-Válvula 9
El resultado de este análisis es el siguiente:
Figura 109. Resultados 2
Se puede ver que nuevamente la máxima fuerza se produce en el momento del
impacto. Si se observa la barra de tiempos y concretamente ese instante, es,
lógicamente el momento en el que el balancín contacta con la válvula. La fuerza en
este caso es inferior a la producida entre leva y balancín siendo de 473 Newtons.
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