Leva (mecánica)

Una leva es una pieza giratoria o deslizante en un enlace mecánico que se utiliza especialmente para transformar el movimiento giratorio en movimiento lineal. A menudo es una parte de una rueda giratoria (p. ej., una rueda excéntrica) o un eje (p. ej., un cilindro con forma irregular) que golpea una palanca en uno o más puntos de su trayectoria circular. La leva puede ser un diente simple, como el que se usa para entregar pulsos de potencia a un martillo de vapor, por ejemplo, o un disco excéntrico u otra forma que produzca un movimiento alternativo suave (hacia adelante y hacia atrás) en el seguidor., que es una palanca que hace contacto con la leva. Un temporizador de leva es similar y se usó ampliamente para el control de máquinas eléctricas (un temporizador electromecánico en una lavadora es un ejemplo común) antes de la llegada de la electrónica económica, los microcontroladores, los circuitos integrados, los controladores lógicos programables y el control digital.

Árbol de levas

La leva puede verse como un dispositivo que convierte el movimiento de rotación en movimiento alternativo (o, a veces, oscilante). Un ejemplo común es el árbol de levas de un automóvil, que toma el movimiento giratorio del motor y lo convierte en el movimiento alternativo necesario para operar las válvulas de admisión y escape de los cilindros.

Diagrama de desplazamiento

Las levas se pueden caracterizar por sus diagramas de desplazamiento, que reflejan el cambio de posición que haría un seguidor cuando la superficie de la leva se mueve en contacto con el seguidor. En el ejemplo que se muestra, la leva gira alrededor de un eje. Estos diagramas relacionan la posición angular, generalmente en grados, con el desplazamiento radial experimentado en esa posición. Los diagramas de desplazamiento se presentan tradicionalmente como gráficos con valores no negativos. Un diagrama de desplazamiento simple ilustra el movimiento del seguidor con un aumento de velocidad constante seguido de un retorno similar con un intervalo intermedio como se muestra en la figura 2. El aumento es el movimiento del seguidor alejándose del centro de la leva, el intervalo es el movimiento donde el seguidor está en reposo y el retorno es el movimiento del seguidor hacia el centro de la leva.

Un tipo común está en los actuadores de válvulas en motores de combustión interna. Aquí, el perfil de la leva es comúnmente simétrico y, a las velocidades de rotación que generalmente se alcanzan, se desarrollan fuerzas de aceleración muy altas. Idealmente, una curva convexa entre el inicio y la posición máxima de elevación reduce la aceleración, pero esto requiere diámetros de eje muy grandes en relación con la elevación. Así, en la práctica, los puntos en los que comienza y termina la sustentación hacen que en el perfil aparezca una tangente al círculo base. Esto es continuo con una tangente al círculo de la punta. Al diseñar la leva, se dan la sustentación y el ángulo de permanencia θ. Si el perfil se trata como un círculo de base grande y un círculo de punta pequeño, unidos por una tangente común, dando elevación L, la relación se puede calcular, dado el ángulo φentre una tangente y el eje de simetría (siendo φπ/2−θ/2), mientras que C es la distancia entre los centros de los círculos (obligatorio), R es el radio de la base (dado) y r el de la punta del círculo (obligatorio):C =L/1 − sen φy r = R - L pecado φ/1 − sen φ

Leva de disco o placa

La leva más utilizada es la placa de leva (también conocida como leva de disco o leva radial) que se corta de una pieza plana de metal o placa. Aquí, el seguidor se mueve en un plano perpendicular al eje de rotación del árbol de levas. Varios términos clave son relevantes en tal construcción de levas de placa: círculo base, círculo principal (con radio igual a la suma del radio del seguidor y el radio del círculo base), curva de paso que es la curva radial trazada aplicando los desplazamientos radiales lejos del círculo principal en todos los ángulos, y el ángulo de separación del lóbulo (LSA: el ángulo entre dos lóbulos de leva de admisión y escape adyacentes).

El círculo base es el círculo más pequeño que se puede dibujar en el perfil de la leva.

Una aplicación que alguna vez fue común, pero ahora obsoleta, de este tipo de leva fue la leva de programación automática de máquinas herramienta. Cada movimiento u operación de la herramienta estaba controlado directamente por una o más levas. Las instrucciones para producir levas de programación y datos de generación de levas para las marcas de máquinas más comunes se incluyeron en las referencias de ingeniería hasta bien entrada la era moderna de CNC.

Este tipo de leva se usa en muchos controladores de aparatos electromecánicos simples, como lavavajillas y lavadoras de ropa, para accionar interruptores mecánicos que controlan las diversas partes.

Leva cilíndrica

Una leva cilíndrica o leva de barril es una leva en la que el seguidor se desplaza sobre la superficie de un cilindro. En el tipo más común, el seguidor se desplaza en una ranura cortada en la superficie de un cilindro. Estas levas se utilizan principalmente para convertir el movimiento de rotación en un movimiento lineal paralelo al eje de rotación del cilindro. Un cilindro puede tener varios surcos cortados en la superficie y accionar varios seguidores. Las levas cilíndricas pueden proporcionar movimientos que implican más de una sola rotación del cilindro y, en general, proporcionan un posicionamiento positivo, eliminando la necesidad de un resorte u otra disposición para mantener el seguidor en contacto con la superficie de control.

Las aplicaciones incluyen accionamientos de máquinas herramienta, como sierras recíprocas, y barriles de control de cambios en transmisiones secuenciales, como en la mayoría de las motocicletas modernas.

Un caso especial de esta leva es un avance constante, donde la posición del seguidor es lineal con la rotación, como en un tornillo de avance. El propósito y el detalle de la implementación influyen en si esta aplicación se llama leva o rosca de tornillo, pero en algunos casos, la nomenclatura puede ser ambigua.

Las levas cilíndricas también pueden usarse para referenciar una salida a dos entradas, donde una entrada es la rotación del cilindro y la otra es la posición del seguidor a lo largo de la leva. La salida es radial al cilindro. Estos fueron una vez comunes para funciones especiales en los sistemas de control, como los mecanismos de control de fuego para armas en buques de guerra y computadoras analógicas mecánicas.

Un torno de duplicación proporciona un ejemplo de una leva cilíndrica con dos entradas, un ejemplo del cual es el torno de mango de hacha Klotz, que corta el mango de un hacha en una forma controlada por un patrón que actúa como una leva para el mecanismo del torno.

Cámara facial

Una cámara frontal produce movimiento mediante el uso de un seguidor montado en la cara de un disco. El tipo más común tiene el seguidor montado en una ranura para que el seguidor cautivo produzca un movimiento radial con posicionamiento positivo sin necesidad de un resorte u otro mecanismo para mantener el seguidor en contacto con la superficie de control. Una cámara frontal de este tipo generalmente tiene solo una ranura para un seguidor en cada cara. En algunas aplicaciones, un solo elemento, como un engranaje, una leva cilíndrica u otro elemento giratorio con una cara plana, puede funcionar como una leva frontal además de otros fines.

Las levas frontales pueden proporcionar un movimiento repetitivo con un surco que forma una curva cerrada o pueden generar funciones con un surco detenido. Las levas utilizadas para la generación de funciones pueden tener ranuras que requieran varias revoluciones para cubrir la función completa y, en este caso, la función generalmente debe ser invertible para que la ranura no se intersecte sola, y el valor de salida de la función debe diferir lo suficiente en las rotaciones correspondientes. que haya suficiente material separando los segmentos de ranura adyacentes. Una forma común es la leva de avance constante, donde el desplazamiento del seguidor es lineal con la rotación, como la placa de desplazamiento en un mandril de desplazamiento. Las funciones no invertibles, que requieren que la ranura se intersecte a sí misma, se pueden implementar utilizando diseños de seguidores especiales.

Una variante de la leva frontal proporciona un movimiento paralelo al eje de rotación de la leva. Un ejemplo común es la cerradura de ventana de guillotina tradicional, donde la leva está montada en la parte superior de la guillotina inferior y el seguidor es el gancho en la guillotina superior. En esta aplicación, la leva se utiliza para proporcionar una ventaja mecánica al forzar el cierre de la ventana y también proporciona una acción de autobloqueo, como algunos engranajes helicoidales, debido a la fricción.

Las levas frontales también se pueden usar para referenciar una sola salida a dos entradas, normalmente donde una entrada es la rotación de la leva y la otra es la posición radial del seguidor. La salida es paralela al eje de la leva. Estos fueron una vez comunes es el cálculo analógico mecánico y funciones especiales en los sistemas de control.

Una cámara frontal que implementa tres salidas para una sola entrada rotatoria es el fonógrafo estéreo, donde un surco principal relativamente constante guía el lápiz óptico y la unidad del brazo fonocaptor, actuando como un seguidor de tipo balancín (brazo fonocaptor) o lineal (tocadiscos de seguimiento lineal), y el lápiz solo actúa como seguidor de dos salidas ortogonales para representar las señales de audio. Estos movimientos son en un plano radial a la rotación del disco y en ángulos de 45 grados al plano del disco (normal a las caras de las ranuras). Algunos tocadiscos utilizaron la posición del brazo de lectura como entrada de control, por ejemplo, para apagar la unidad o cargar el siguiente disco en una pila, pero se ignoró en unidades simples.

Cámara en forma de corazón

Este tipo de leva, en forma de corazón simétrico, se utiliza para devolver un eje que sujeta la leva a una posición establecida mediante la presión de un rodillo. Se utilizaron en los primeros modelos de relojes maestros de oficina de correos para sincronizar la hora del reloj con la hora del meridiano de Greenwich cuando el seguidor de activación se presionaba en la cámara automáticamente a través de una señal de una fuente de tiempo precisa.

Cámara de caída de caracol

Este tipo de leva se usó, por ejemplo, en relojes mecánicos de cronometraje para accionar el mecanismo de avance del día exactamente a la medianoche y consistía en que la leva elevaba un seguidor durante 24 horas en una trayectoria en espiral que terminaba en un corte agudo en el que el seguidor se desplegaría y activaría el avance del día. Cuando se requiere precisión de tiempo, como en los relojes de fichaje, estos se dispusieron de manera ingeniosa para tener un seguidor de leva de rodillos para elevar el peso de caída durante la mayor parte de su recorrido hasta casi su altura máxima, y ​​solo durante la última parte de su recorrido para el peso. para ser tomado y sostenido por un seguidor sólido con un borde afilado. Esto aseguró que el peso cayera en un momento preciso, lo que permitió una sincronización precisa.Esto se logró mediante el uso de dos levas de caracol montadas coaxialmente con el rodillo descansando inicialmente sobre una leva y el seguidor sólido final sobre la otra, pero sin estar en contacto con su perfil de leva. Por lo tanto, la leva del rodillo inicialmente llevó el peso, hasta que en la parte final del recorrido el perfil de la leva sin rodillo se elevó más que el otro, lo que provocó que el seguidor sólido soportara el peso.

Leva lineal

Una leva lineal es aquella en la que el elemento de leva se mueve en línea recta en lugar de rotar. El elemento de leva suele ser una placa o un bloque, pero puede tener cualquier sección transversal. La característica clave es que la entrada es un movimiento lineal en lugar de rotacional. El perfil de leva se puede cortar en uno o más bordes de una placa o bloque, puede ser una o más ranuras o surcos en la cara de un elemento, o incluso puede ser un perfil de superficie para una leva con más de una entrada. El desarrollo de una leva lineal es similar, pero no idéntico, al de una leva giratoria.

Un ejemplo común de una leva lineal es una llave para una cerradura de pestillo. Los pines actúan como seguidores. Este comportamiento se ejemplifica cuando la llave se duplica en una máquina duplicadora de llaves, donde la llave original actúa como una leva de control para cortar la llave nueva.

Historia

Los mecanismos de leva aparecieron en China alrededor del año 600 a. C. en forma de un mecanismo de gatillo de ballesta con un brazo oscilante en forma de leva. Sin embargo, el mecanismo de activación no giraba alrededor de su propio eje y la tecnología china tradicional generalmente hacía poco uso de las levas de rotación continua. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que tales mecanismos de levas, de hecho, giraban alrededor de su propio eje. Del mismo modo, investigaciones más recientes indican que las levas se utilizaron en martillos perforadores accionados por agua en la segunda mitad de la dinastía Han occidental (206 a. C. - 8 d. C.), según consta en el Huan Zi Xin Lun. Los morteros complejos también se mencionaron en registros posteriores, como el Jin Zhu Gong Zan y el Tian Gong Kai Wu, entre muchos otros registros de morteros accionados por agua.Durante la dinastía Tang, el reloj de madera dentro del dispositivo astronómico impulsado por agua, las espuelas dentro de una esfera armilar impulsada por agua, la alarma automática dentro de un reloj de cinco ruedas impulsado por arena, figuritas de papel artificial dentro de una linterna giratoria, todas utilizadas cámara mecanismos. El odómetro chino que utilizaba un mecanismo de campana y gong también es una leva, como se describe en el Song Shi. En el libro Nongshu, la rueda vertical de una caja de viento impulsada por agua también es una leva. De estos ejemplos, la mano de mortero impulsada por agua y la caja de viento impulsada por agua tienen dos mecanismos de leva en su interior. Las levas que giraban continuamente y funcionaban como elementos integrales de la máquina se incorporaron en los autómatas helenísticos impulsados ​​por agua del siglo III a.La leva y el árbol de levas aparecieron más tarde en los mecanismos de Al-Jazari y Shooshtari, quienes los utilizaron en sus autómatas, descritos en 1206. La leva y el árbol de levas aparecieron en los mecanismos europeos a partir del siglo XIV. Waldo J Kelleigh de Electrical Apparatus Company patentó la leva ajustable en los Estados Unidos en 1956 para su uso en ingeniería mecánica y armamento.