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MECANISMOS 

OBJETIVO GENERAL DEL CURSO. el alumno se apropiará de los principios y conceptos fundamentales que le permitan abordar con suficiencia, el estudio de los mecanismos empleados en los sistemas mecánicos.

Ing. Jose Luis Martinez

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Las competencias específicas a desarrollar son: Introducción a los sistemas mecánicos, Análisis cinemático de mecanismos planos, Síntesis de mecanismos bidimensionales y Engranes, trenes de engranajes y diseño de levas. En el campo de aplicación de la ingeniería los mecanismos son los elementos de transformación y transmisión de movimiento en una diversidad de máquinas usadas en procesos industriales por lo que el dominio del conocimiento de ellos conduce a elevar la eficiencia de procesos en donde se encuentren involucrados. Es conveniente que el ingeniero mecánico y mecatrónico analice sistemas mecánicos a través de los métodos convencionales, pero también por medio de tecnologías avanzadas (software).

INTRODUCCION En el estudio de los sistemas mecánicos el diseño y el análisis son dos aspectos completamente distintos. El concepto comprendido en el término “diseño” podría llamarse más propiamente “síntesis” o sea, el proceso de idear un patrón o método para lograr un propósito dado.  Diseño es el proceso de establecer tamaños, formas, composiciones de los materiales y disposiciones de las piezas de tal modo que la máquina resultante desempeñe las tareas prescritas. 

“análisis”. Se trata de técnicas que permiten que el diseñador examine en forma crítica un diseño ya existente o propuesto con el fin de determinar si es adecuado para el trabajo de que se trate. Por ende, el análisis, por sí solo, no es una ciencia creativa sino más bien de evaluación y clasificación de cosas ya concebidas.  “Análisis de mecanismos”: Es el procedimiento que determina la Trayectoria, Velocidad y la Aceleración de un punto P, conociendo la geometría del mecanismo.  El diseño de ingeniería se ha definido como el proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el propósito de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficientes detalles que permitan su realización. 

BIBLIOGRAFÍA 1.-NORTON, Robert L.: Diseño de maquinaría. 4ta Ed. McGraw Hill. 2009.  2.-SHIGLEY, Joseph Edward: Teoría de Máquinas y Mecanismos. McGraw Hill. 1999.  3.-MISZKA, David H.: Máquinas y Mecanismos. 4ta Ed. Pearson. 2012.  4.-HAMILTON H. MABIE. Fred, OCVIRK W.: Mecanismos y Dinámica de Maquinaria. Editorial Limusa. 1999.  5.-ERDMAN ARTHUR G.: Diseño de Mecanismos, Análisis y Síntesis. 3ra Ed. Pearson. 1998. 

TEMA 1.- Introducción a los mecanismos 1.1 Generalidades de mecanismos.  1.2 Conceptos básicos:  1.2.1 Eslabones y pares cinemáticos.  1.2.2 Nodos.  1.2.3 Cadenas cinemáticas.  1.3 Grados de libertad.  1.4 Inversión cinemática.  1.5 Criterio de Grüebler y sus excepciones. 

TEMA 2.- Análisis cinemático de mecanismos planos 2.1 Análisis de posición de mecanismos planos  por métodos gráfico y analítico.  2.2. Análisis de velocidad de mecanismos  planos por métodos gráfico y analítico.  2.3 Análisis de aceleración de mecanismos  planos por métodos gráfico y analítico.  2.4 Teorema de Kennedy.  2.5 Análisis de posición, velocidad y  aceleración por medio de software. 

TEMA 3.- Levas 3.1 Nomenclatura, clasificación y aplicación de  levas y seguidores.  3.2 Análisis de diagramas y curvas de  desplazamiento, velocidad y aceleración  para el seguidor.  3.3 Diseño grafico y analítico del perfil de levas  planas (con seguidor radial, descentrado y  de movimiento oscilatorio).  3.4 Diseño de levas planas con la aplicación de  Software 

TEMA 4.- Engranes y trenes de engranajes

4.1 Nomenclatura, clasificación y aplicación de  los engranes (rectos, cónicos y  helicoidales).  4.2 Diseño de engranes (rectos, cónicos y  helicoidales).  4.3 Estandarización y Normalización de  engranes.  4.4 Análisis cinemático de trenes de engranes  (simples, compuestos y planetarios).  4.5 Diseño de engranes por medio de software. 

TEMA 5.- Síntesis de mecanismos 5.1 Introducción a la síntesis de mecanismos.  5.2 Espaciamiento de los puntos de precisión  para la generación de funciones.  5.3 Diseño grafico y analítico de un  mecanismos de cuatro barras articuladas  como un generador de funciones.  5.4 Síntesis analítica empleando números  complejos.  5.5 Aplicación de software en la síntesis de  mecanismos. 

1.1 Generalidades de mecanismos Mecanismo:  Conjunto de elementos que transmiten movimiento, desarrollan fuerzas de muy baja intensidad y transmiten poca potencia.  Combinación de cuerpos resistentes conectados por medio de articulaciones móviles para formar una cadena cinemática cerrada con un eslabón fijo, y cuyo propósito es transformar el movimiento. Reuleaux 

Máquina:  Conjunto de mecanismos que transforman la energía en trabajo útil. Contienen mecanismos que aportan fuerzas importantes y transmiten potencia.  Combinación de cuerpos resistentes, de tal manera que, por medio de ello las fuerzas mecánicas de la naturaleza, de puede encauzar, para realizar un trabajo acompañado de movimientos determinados. Un dispositivo para aplicar potencia o cambiar de dirección – Reuleaux. 

MOVIMIENTOS PRESENTES EN LOS MECANISMOS Rectilínea Traslación Curvilínea Bidimensional (Plano)

Rotación

Traslación.- Rotación

MOVIMIENTO

Helicoidal Tridimensional Esférico

MOVIMIENTO PLANO (Bidimencional) TRASLACIÓN. Cuando un cuerpo rígido se mueve en tal forma que la posición

de cada línea recta del cuerpo es paralela a todas sus otras posiciones, el cuerpo tiene movimiento de traslación, teniendo: Traslación rectilínea

Se dice que un cuerpo rígido tiene movimiento de traslación, cuando este se mueve de tal manera que cualquier línea recta dentro del cuerpo conserva la misma dirección durante el movimiento.

Traslación curvilínea

Se tiene cuando las trayectorias de las partículas de un cuerpo son curvas idénticas paralelas al plano fijo.

ROTACIÓN

Se tiene movimiento de rotación, si cada punto del cuerpo permanece a una distancia constante del eje fijo, perpendicular al plano de movimiento.

ROTACIÓN Y TRASLACIÓN

Es la combinación de los movimientos anteriores.

MOVIMIENTO TRIDIMENSIONAL Movimiento helicoidal

Cuando un cuerpo se mueve de tal manera que cada punto del cuerpo tiene movimiento de rotación alrededor de un eje fijo, y al mismo tiempo de movimiento de traslación paralelo al eje.

Movimiento esférico

Cuando un cuerpo se mueve de tal forma que cada punto tiene alrededor un punto fijo mientras permanece a una distancia de él, su movimiento es esférico.

EJEMPLOS DE MECANISMOS

1.2 CONCEPTOS BASICOS: Elementos de enlace: forma geométrica que adoptan las barras para conectarse entre ellas.  Par cinemático o junta: Unión entre las barras que permite movimiento relativo entre ellas.  Nodo: Punto donde se interconectan las barras mediante uno o más pares cinemáticos. 

SIMBOLOGIA

CLASIFICACION DE LAS BARRAS O ESLABONES

Clasificación de los pares cinemáticos.   

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1.-Por el número de barras y/o eslabones conectados: Par n-ario 2.- Por el tipo de contacto entre las barras, línea, punto; o superficie: Superiores e Inferiores 3.-Por el número de grados de libertad permitidos en el par cinemático: Clase I, II, III, IV, V 4.-Por el tipo de cierre del par: de FUERZA, de FORMA

PAR SUPERIOR. Es la conexión entre los dos miembros donde tiene lugar un contacto que se presenta en un punto o a lo largo de una línea recta.

PAR INFERIOR Son aquellos cuya superficie de contacto permite un movimiento relativo entre eslabones conectados entre si. Generando variables de movimiento, lineales o angulares.

Par giratorio (REVOLUTA). Sólo permite un movimiento de rotación relativa entre los dos eslabones. Ya que este movimiento queda definido únicamente mediante un ángulo de rotación, este par sólo tienen un grado de libertad (GDL).

Par prismático. Sólo permite un movimiento relativo de deslizamiento entre los eslabones. Tiene un GDL, ya que la posición relativa queda definida por la distancia recorrida.

Par helicoidal o de tornillo. Aquí son posibles un movimiento de rotación y otro de traslación, que están relacionados entre sí por el paso de la rosca. En consecuencia, aunque el movimiento relativo queda definido por dos parámetros, sólo tienen un GDL.

Par cilíndrico. Aunque también hay un movimiento de rotación y otro de traslación, son independientes uno del otro, por lo que tiene dos GDL.

Par esférico. Se llama también articulación de rótula. Permite la rotación alrededor de cada uno de los tres ejes coordenados, por lo que tienen tres grados de libertad.

Par plano. Es poco frecuente en mecanismos. Tiene tres GDL, que corresponden a dos desplazamientos lineales y un giro.

Tipos de Cadenas cinemáticas 

Cerradas: Cuando sus barras están conectada como mínimo a otras dos del sistema.

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Abiertas: cuando no son cerradas

Identificación de una cadena cinemática

11 eslabones (contando al eslabón fijo) 7 Barras binarias [2,3,4,5,6,8,10] 2 Barras Terciarias [1,9] (placa) 1 Barras Cuaternarias (7) (placa) 10 Pares binarios [A,B,C,D,G,H,I,J,K,L] 2 Pares Terciarios [E,F] Todos los pares inferiores

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Cadena cinemática de 3 eslabones 2 pares inferiores y un par superior Cadena cinemática de 5 eslabones y 6 pares: 1 y 4 ternarios y 2, 3 y 5 binarios

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Esquema cinemático (Diagrama) Con el fin de simplificar el estudio de los mecanismos, nunca se dibujan estos en su totalidad con la forma y las dimensiones de cada uno de los eslabones y pares, sino que se sustituye el mecanismo por un esquema o diagrama simplificado

EJERCICIOS DIAGRAMAS CINEMATICOS 1.- Identifique la bancada  2.- Identifique todos los demás eslabones  3.- Identifique las uniones  4.- Identifique los puntos de interés  5.- Dibuje el diagrama cinemático 

1.3 GRADOS DE LIBERTAD (Movilidad) El grado de libertad es el mínimo número de parámetros independientes necesarios para definir la configuración geométrica del mecanismo.  Numero de entradas independientes requeridas para determinar la posición de todos los eslabones del mecanismo respecto a tierra. 

Movilidad

1.4 INVERSION CINEMATICA El movimiento absoluto se mide con respecto a una bancada estacionaria. El movimiento relativo de un punto o de un eslabón se mide con respecto a otro eslabón. Para dibujar un diagrama cinemático, primero se selección la bancada, pero hay casos que esta bancada puede ser arbitraria; cuando se seleccionan diferentes eslabones como bancada, no se altera el movimiento relativo de los eslabones, pero el movimiento absoluto puede ser significativamente diferente. El uso de eslabones alternos como eslabones fijos se conoce como inversión cinemática