UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”
- FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA FORMATO DE PROYECTOS DE GRADO Nº DE RADICACIÓN: ______________ INFORMACIÓN EJECUTORES
Ejecutor 1 Nombre (s): Jhon Edinson Apellido (s): Galeano Hernández Hernández Código: 20112074073 E-mail:
[email protected] Teléfono fijo: Celular: 3115779422 Ejecutor 2 Nombre (s): Apellido (s): Código: E-mail: Teléfono fijo: Celular: INFORMACIÓN DEL PROYECTO Análisis cinemático de cuatro mecanismos para la transformación de movimiento angular alternativo en movimiento circular de sentido de giro Título del Proyecto: único y permanente. Duración (estimada): Tipo de Proyecto: (Marqué con una “x”)
Modalidad del Trabajo de Grado: Línea de Investigación de la Facultad: Línea de Investigación del Proyecto Curricular: Grupo de Investigación: Investigación: Proyecto de Investigación: Áreas del conocimiento conocimiento que involucra:
4 meses Innovación y Desarrollo Tecnológico Prestación y Servicios Tecnológicos Otro Monografía Desarrollo tecnológico local, conversión de energías. Diseño de ingeniería mecánica SIMEC
Física, dinámica, mecanismos, oscilaciones y ondas.
INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA Director: (Vo. Bo.) Proyecto de Pasantía: (Tutor): (Vo. Bo.) Formulación Proyecto de Grado: (Profesor): (Vo. Bo.)
Henry Moreno Acosta
X
Bogotá,
Señores(as): CONSEJO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA MECÁNICA Facultad Tecnológica Universidad Distrital “Francisco José de Caldas”
Ciudad.
Asunto: Radicación del anteproyecto para realizar trabajo de grado.
Respetados señores(as):
Por medio de la presente hacemos entrega del documento de anteproyecto de grado, titulado: Análisis cinemático de cuatro mecanismos para la transformación de movimiento angular alternativo en movimiento circular de sentido de giro único y permanente, con la finalidad de cumplir con el requisito que exige la universidad para optar al título de Tecnólogo Mecánico, como lo estipula el CAPÍTULO VII en el artículo 70 del Estatuto Estudiantil.
Agradecemos la atención prestada:
Cordialmente,
JHON EDINSON GALEANO H. C.C. 1098171212 Código: 20112074073
CONTENIDO Y PRESENTACIÓN DEL DOCUMENTO DE PROYECTO DE GRADO
PRELIMINARES
Resumen Este proyecto trata de definir los aspectos geométricos y cinemáticos, involucrados a la transformación del movimiento giratorio alternativo (oscilante) en movimiento giratorio de sentido único y permanente. Para esto se analiza las variables cinemáticas y las diferentes configuraciones geométricas del sistema como tal. En definitiva a lo que lleva el desarrollo de este proyecto, es al estudio de las técnicas de transformación de movimiento rotacional alternativo en movimiento rotacional de sentido de giro único y permanente, necesarios en sistemas mecánicos que presentan movimientos pendulares en el plano de oscilación vertical.
0. Introducción La orientación de este proyecto se enfoca a realizar un estudio cinemático de mecanismos de transformación de movimiento rotacional alternativo a rotación de sentido de giro único y permanente. Estos mecanismos son requeridos en sistemas mecánicos donde el movimiento de entrada es un movimiento pendular o movimiento rotacional alternativo, que debe ser transformado en un movimiento de salida de tipo circular de sentido de giro único y permanente, con el cual se realiza alguna aplicación relacionada con procesos de generación o transformación de energía o procesamientos de materiales. Por lo tanto, se realizara un estudio de los mecanismos que cumplen con estas transformaciones de movimiento y de las cuales se encuentra información (generalmente escasa) en internet y en artículos técnicos o científicos.
Alcance: Los estudios que se realizaran son de tipo cinemático (análisis de posición, velocidad y aceleración) tanto teóricos como computacionales, orientados a brindar conocimiento tanto descriptivo como predictivo de estos mecanismos que faciliten mejores aplicaciones en otros proyectos. Pero no estará orientado al estudio de ninguna de ellas, como lo son las fuerzas involucradas o al estudio cinético o eficiencias, porque no se considerará el estudio de alguna aplicación en particular, por lo que la utilidad de este proyecto estará en el conocimiento que se obtiene sobre el mecanismo propiamente dicho.
1. Planteamiento del problema La transformación del movimiento rotacional alternativo (cambio regular del sentido de giro) a movimiento rotacional de sentido de giro único y permanente (no intermitente) requiere de la aplicación de mecanismos específicos o particulares, cuyo planteamiento, análisis y diseño no se encuentran en los textos especializados de mecanismos. Se carece de información ordenada y detallada sobre las características constructivas y de
desempeño o comportamiento cinemático que faciliten la mejor selección y aplicación de estos mecanismos. Se encuentran propuestas puntuales especialmente en internet, pero parece que estudios descriptivos y predictivos que faciliten su aplicación.
2. Estado del Arte El estudio y el conocimiento sobre mecanismos de transformación de movimiento rotacional alternativo a rotación de sentido de giro único y permanente es escaso, aun así estos mecanismos hacen uso de o integran mecanismos mecánicos más simples como los engranes, los mecanismos de poleas y correas, ruedas dentadas y cadenas, ruedas de fricción, mecanismos de barras y mecanismos de cuerdas. El estudio de mecanismos propuestos en este proyecto demanda conocimientos sobre los siguientes mecanismos:
1. Mecanismos de engranes. Permite transmitir un movimiento giratorio de un eje a otro, pudiendo modificar las características de velocidad y sentido de giro. Estos ejes pueden ser paralelos, coincidentes o cruzados. El sistema de engranajes es similar al de ruedas de fricción. La diferencia estriba en que la transmisión simple de engranajes consta de una rueda motriz con dientes en su periferia exterior, que engrana sobre otra similar, lo que evita el deslizamiento entre las ruedas. Al engranaje de mayor tamaño se le denomina rueda y al de menor piñón.
2. Mecanismos poleas y correas. Transmite un movimiento giratorio de un eje a otro, pudiendo modificar sus características de velocidad y sentido. Normalmente los ejes tienen que ser paralelos, pero el sistema también puede emplearse con ejes que se cruzan a 90º. El sistema se compone, básicamente, de dos ejes (conductor y conducido), dos poleas (conductora y conducida) y una correa; a los que se les puede añadir otros operadores como poleas locas o tensores cuya finalidad es mejorar el comportamiento del sistema.
3. Mecanismos ruedas dentadas y cadenas. Transmite un movimiento giratorio entre ejes paralelos, pudiendo modificar la velocidad, pero no el sentido de giro. Este sistema consta de una cadena sin fin (cerrada) cuyos eslabones engranan con ruedas dentadas (piñones) que están unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido.
4. Mecanismos de barras. Es un mecanismo que transforma el movimiento en un patrón deseable, dentro de estos se pueden encontrar la transformación de movimiento oscilante en uno giratorio; sistema excéntrica-biela-palanca (pedal), este permite obtener un movimiento giratorio continuo a partir de uno oscilante. Este mecanismo está formado por una excéntrica (o manivela), una biela y una palanca. Cuando transformamos oscilante en giratorio, el mecanismo biela-manivela es la resistencia y el pie de biela es el punto de aplicación de la resistencia. La palanca puede ser de cualquier orden (1º, 2º o 3º) y su elección estará en función de la utilidad que se le quiera dar a la máquina. Cuando la máquina produce movimiento giratorio a partir de uno oscilante es frecuente emplear una palanca de tercer grado, así el movimiento de la potencia (normalmente el pie) es pequeño en relación al de la resistencia (pie de biela) y se pueden alcanzar mayores velocidades de giro.
3. Justificación A través de la realización de este proyecto se obtendrá un estudio de los mecanismos de transformación de movimiento rotacional alternativo a rotación de sentido de giro único y permanente, que caracterizara sus aspectos constructivos geométricos y de desempeño cinemático (análisis de posición, velocidad y aceleración) para lograr con este conocimiento mejores resultados en su aplicación.
4. Objetivos 4.1
Objetivo general
4.2
Realizar el análisis cinemático de cuatro mecanismos para la transformación de movimiento angular alternativo en movimiento circular de sentido de giro único y permanente.
Objetivos específicos 1. Definir cuatro mecanismos para la transformación de movimiento de angular alternativo en movimiento circular de sentido de giro único y permanente. 2. Describir los cuatro mecanismos definidos. 3. Realizar el análisis cinemático de cada uno de los cuatro mecanismos. 4. Elaborar los modelos gráficos y simulaciones cinemáticas computacionales de cada uno de los cuatro mecanismos. 5. Construir el modelo físico funcional de uno de los cuatro mecanismos.
5. Marco Teórico 5.1 DEFINICIÓN DE MECANISMOS Y MÁQUINAS Un mecanismo es un dispositivo que transforma el movimiento en un patrón deseable, y por lo general desarrolla fuerzas muy bajas y transmite poca potencia. Una máquina, en general, contiene mecanismos que están diseñados para producir y transmitir fuerzas significativas
Imagen 1. Filtrado de agua.
5.2 APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA La cinemática es la rama de la mecánica clásica que se ocupa del estudio de las leyes del movimiento de los cuerpos, independientemente y sin tener en cuenta aquellas causas que lo producen, es decir, la cinemática, se centra y limita a estudiar la trayectoria de un cuerpo en función del tiempo. Una de las primeras tareas al resolver cualquier problema de diseño de máquinas es determinar la configuración cinemática necesaria para producir los movimientos deseados. En general, los análisis de fuerzas y esfuerzos no pueden ser realizados hasta que los problemas cinemáticos hayan sido resueltos.
5.3 TIPOS DE MOVIMIENTO Un cuerpo rígido libre de moverse dentro de un marco de referencia, en el caso general, tendrá movimiento complejo, el cual es una combinación simultánea de rotación y traslación. En el espacio tridimensional, puede haber rotación alrededor de un eje (cualquier eje oblicuo o uno de los tres ejes principales) y también traslación simultanea que se puede resolver en elementos a lo largo de tres ejes. En un plano, o espacio bidimensional, el movimiento complejo se vuelve una combinación de rotación simultánea alrededor de un eje (perpendicular al plano) así como traslación descompuesta en elementos a lo largo de dos ejes en el plano. Para simplificar, se limitara este análisis al caso de sistemas cinemáticos planos (2-D). Para este propósito, se definirán estos términos en movimiento plano como sigue:
Rotación pura El cuerpo posee un punto (centro de rotación) que no tiene movimiento con respecto al marco de referencia “estacionario”. Todos los demás puntos del cuerpo describen arcos
alrededor del centro. Una línea de referencia trazada en el cuerpo a través del centro cambia sólo su orientación angular.
Traslación pura Todos los puntos del cuerpo describen trayectorias paralelas (curvilíneas o rectilíneas). Una línea de referencia trazada en el cuerpo cambia su posición lineal pero no su orientación angular.
Movimiento complejo Una combinación simultánea de rotación y traslación. Cualquier línea de referencia trazada en el cuerpo cambiará tanto su posición lineal como su orientación angular. Los puntos en el cuerpo recorrerán trayectorias no paralelas, y habrá, en todo instante, un centro de rotación, el cual cambiará continuamente de ubicación . La traslación y rotación representan movimientos independientes del cuerpo. Cada uno puede presentarse sin el otro. Si se define un sistema de coordenadas 2-D los términos en x, y representan componentes de movimiento de traslación, y el termino θ la componente de rotación.
5.4 GRADO DE LIBERTAD O MOVILIDAD El concepto de grado de libertad ( GDL) es fundamental tanto para la síntesis como para el análisis de mecanismos. Es necesario ser capaz de determinar rápidamente el GDL de cualquier conjunto de eslabones o juntas que pueda ser sugerido como solución a un problema. El grado de libertad (también llamado movilidad M ) de un sistema se define como: Grado de libertad el número de entradas que se necesita proporcionar para crear una salida predecible.
O también: El número de coordenadas independientes requerido para definir su posición.
5.5 ANÁLISIS DE POSICIÓN Una vez que el diseño tentativo de un mecanismo ha sido sintetizado, debe entonces ser analizado. Un objetivo fundamental del análisis cinemático es determinar las aceleraciones de todas las partes móviles del ensamble. Las fuerzas dinámicas son proporcionales a la aceleración, según la segunda ley de Newton. Es necesario conocer las fuerzas dinámicas para calcular los esfuerzos en los componentes. El ingeniero de diseño debe garantizar que el mecanismo o máquina propuesta no fallará en condiciones de operación. Por lo tanto, los esfuerzos en los materiales deben mantenerse por debajo de los niveles permisibles. Para calcular los esfuerzos, es necesario conocer las fuerzas estáticas y dinámicas sobre las partes. Para calcular las fuerzas dinámicas se necesita conocer las aceleraciones, primero se deben localizar las
posiciones de todos los eslabones o elementos en el mecanismo por cada incremento del movimiento de entrada, y luego diferenciar las ecuaciones de posición contra el tiempo para hallar las velocidades y luego diferenciar otra vez para obtener expresiones para la aceleración. Por ejemplo, en un simple mecanismo de Grashof de cuatro barras, es probable que se desee calcular las posiciones, velocidades y aceleraciones de los eslabones de entrada (acoplador y balancín) quizá para cada dos grados (180 posiciones) de la posición de la manivela de entrada durante una revolución de ésta.
5.6 ANÁLISIS DE VELOCIDAD. Una vez que se analiza la posición, el siguiente paso es determinar las velocidades de todos los eslabones y puntos de interés en el mecanismo. Existen muchos métodos para hallar las velocidades en los mecanismos, aquí se examinaran solo algunos de ellos. Primero se desarrollan métodos gráficos manuales, que a menudo son útiles para comprobar una solución analítica más completa y precisa.
5.7 ANÁLISIS DE ACELERACIÓN. Una vez que se ha hecho el análisis de la velocidad, el siguiente paso es determinar las aceleraciones de todos los eslabones y puntos de interés en el mecanismo o máquina. Existen muchos métodos para encontrar las aceleraciones en mecanismos. Aquí sólo se examinarán algunos. Primero se desarrolla un método gráfico manual, que a menudo es útil como comprobación de la solución analítica más completa y precisa. Luego se deriva la solución analítica para las aceleraciones en los mecanismos de cuatro barras y de manivela-corredera invertidos como ejemplos de solución con la ecuación de lazo vectorial general a muchos problemas de análisis de la aceleración.
6. Metodología Para el desarrollo de este proyecto se relacionan las siguientes actividades que facilitan el proceso de este:
Actividad # 1: Documentación. Se realizará la recopilación y selección de la bibliografía en internet y en artículos, orientados a realizar la transformación de movimiento considerados en este proyecto, para entender de la mejor manera el análisis cinemático de los diferentes mecanismos que fueron seleccionados. Actividad # 2: Ordenamiento de la información. Ya que el proyecto será basado en mecanismos sencillos, en esta actividad se usaran los datos previamente recolectados para sintetizar el proyecto como tal. Actividad # 3: Selección de los mecanismos objeto a estudiar. Actividad # 4: Elaboración de los análisis cinemáticos. Necesarios, que muestren el desempeño del movimiento de estos mecanismos. Haciendo los respectivos cálculos aplicado a cada uno de los mecanismos.
Actividad # 5: Construcción de los modelos computacionales. De cada uno de los mecanismos seleccionados. Se harán a simulaciones en software para poder saber qué condiciones especiales se verán en el sistema, son varias las opciones de software para poder hacer las simulaciones, lo importante es obtener los datos más cercanos a la realidad y poder predecir posibles problemas que tenga el sistema antes de pasar con su respectiva construcción. Actividad # 6: Fabricación. Una vez hayan obtenido los cálculos cinemáticos y las simulaciones, la fabricación será el paso final del desarrollo del proyecto, la fabricación será realizada en lo posible con materiales de muy fácil acceso en el mercado, y que por sus características, faciliten el proceso de ensamble. Las técnicas de fabricación de igual manera no requerirán procesos complicados, en lo posible se hará uso de los procesos que estén disponibles, para poder ser desarrollados en los laboratorios y talleres de la universidad.
7. Cronograma
ACTIVIDADES 1
2
3
4
5
Documentación y recolección de datos Sintetizar y analizar la documentación Realizar los análisis cinemáticos Revisión y evaluación de los resultados obtenidos Elaboración de los modelos gráficos y simulaciones cinemáticas computacionales Construcción del prototipo físico Conclusiones y presentación final del documento Tabla 1. Cronogr ama de actividades del proyecto
6
SEMANAS 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
8. Presupuesto y Fuentes de Financiación Este proyecto estará financiado en su totalidad por el ejecutor.
9. Bibliografía i.
Raymond A. Serway. – Física: para ciencias e ingeniería. Séptima edición. Sergio R. Cervantes González. 2008. Pag.432.ISBN-13:978-607-481-357-9.
ii.
GRAVITATINAL ENERGY CORPORATION. Gravity Assisted Power. En línea. http://gravityassistedpower.com/index.htm citado el 17/05/15.
iii.
The Pendulum-Lever System. Practical Applications of the Two-Stage Oscillations. En línea. http://www.pendulum-lever.com/index.html citado el 17/05/15.
iv.
Física con ordenador. El péndulo simple. En línea. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/trabajo/pendulo/pendulo.htm , http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/mas/mas.htm citado el 17/05/15.
v.
Thang010146. Ratchet Mechanism. En línea. https://www.youtube.com/user/thang010146/search?query=ratchet+mechanis m+ citado el 17/05/15.
vi.
http://www.clohemovingtoys.eu/www/Home_ES/Automata_Gallery_Mechanisms_ES.htm
vii.
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/imprenta/Textos/tx_mecanismos .pdf
10. ANEXOS
