contenido - bib.ufro.cl · mecanismo de retorno rápido de ... diseño óptimo de mecanismos de...

.,..¡

CONTENIDOPrefaciode la cuarta edición ...................................................Prefaciode la primera edición """"""" '...........

PARTEI CINEMÁTICADEMECANISMOS .

Capítulo1 Introducción........................................1.0 Propósito............................................................1.1 Cinemáticaycinética................................................1.2 Mecanismosymáquinas """"'"

1.3 Unabrevehistoriadelacinemática.....................................1.4 Aplicacionesdelacinemática.........................................1.5 Elproceso de diseño .................................................

Diseño,invención creatividad. ........Identificacióndelanecesidad..........................................Investigaciónpreliminar................................................Planteamientodeobjetivos... ........Especificacionesdedesempeño .......Ideacióneinvención..................................................Análisis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Selección............................................................Diseñodetallado......................................................Creacióndeprototiposypruebas... ......Producción..........................................................

1.6 Otrosenfoquesaldiseño..............................................Diseñoaxiomático....................................................

1.7 Solucionesmúltiples..................................................1.8 Factoreshumanosenlaingeniería......................................1.9 Elreporteeningeniería................................................1.10 Unidades...........................................................1.11 Unestudiodecasodediseño..........................................

Educaciónparalacreatividadeningeniería .1.12 Loqueviene........................................................1.13 Recursosqueacompañaneltexto......................................

Programas...........................................................Videos.................._...........................................

1.14 Referencias.........................................................1.15 Bibliografía..........................................................

Capítulo2 Fundamentos de cinemática ..........................2.0 Introducción........................................................2.1 Gradosdelibertad(gdl)omovilidad '..

2.2 Tiposdemovimiento..................................................2.3 Eslabones,juntasycadenascinemáticas................................2.4 Dibujodediagramascinemáticos......................................2.5 Determinación del grado de libertado movilidad.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Grado de libertad (movilidad) en mecanismos planos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Grado de libertad (movilidad) en mecanismos espaciales. . . . : . . . . . . . . . . . . .

2.6 Mecanismosyestructuras.............................................2.7 Síntesisdenúmero...................................................2.8 Paradojas...........................................................2.9 Isómeros............................................................2.10 Transformacióndeeslabonamientos....................................2.11 Movimientointermitente...............................................2.12 Inversión............................................................2.13 LacondicióndeGrashof..............................................

Clasificación del eslabonamiento de cuatro barras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIXXXI

1

3

334467788899

10111112121313131414151717212122222223

27

2727282932333436363841414546474953

XI

CONTENIDO

2.14 Eslabonamientosdemásdecuatrobarras...............................Eslabonamientosde cinco barrasengranados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Eslabonamientosdeseisbarras... ...............Criteriosde rotatibilidadtipoGrashofpara eslabonamientos de orden alto. . . . .

2.15 Losresortescomoeslabones...........................................2.16 Mecanismosflexibles.................................................2.17 Sistemas microelectromecánicos (MEMS.por sus siglas en inglés) . . . . . . . . . . . .2.18 Consideraciones prácticas ............................................

Juntas de pasador contracorrederasy semijuntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .¿Envoladizooendoblevoladizo? .Eslabonescortos......................................................Relacióndeapoyo ,...Correderascomerciales ..............Eslabonamientoscontralevas .................

2.19 Motoresypropulsores.................................................Motoreseléctricos.....................................................Motoresneumáticosehidráulicos. ...Cilindrosneumáticosehidráulicos... ...............Solenoides...........................................................

2.20 Referencias ...............................-..........................2.21 Problemas...........................................................

Capítulo 3 Síntesis gráfica de eslabonamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.0 Introducción ,.........3.1 Síntesis ,....3.2 Generación de función, trayectoria y movimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3 Condiciones límite ..............3.4 Síntesis dimensional ,......

Síntesis dedos posiciones ...............Síntesis de tres posiciones con pivotes móviles especificados. . . . . . . . . . . . . . . . .Síntesis de tres posiciones con los pivotes móviles alternas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Síntesis de tres posiciones con pivotes fijosespecificados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Síntesis de posición para más de tres posiciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5 Mecanismosderetornorápido.........................................Mecanismo de retorno rápido de cuatro barras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mecanismoderetornorápidodeseisbarras .

3.6 Curvasdelacoplador ,....3.7 Cognados..........................................................

Movimientoparalelo...................................................Cognados de cinco barras engranados del mecanismo de cuatro barras. . . . .

3.8 Mecanismosdelínearecta ,..Diseño óptimo de mecanismos de cuatro barras de línea recta. . . . . . . . . . . . . .

3.9 Mecanismoscondetenimiento.........................................Mecanismoscondetenimientosimple. ...Mecanismoscondobledetenimiento ............

3.10 Otrosmecanismosútiles...............................................Movimientos del pistón de velocidad constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Movimientodebalancínconexcursiónangulargrande .Movimientocircularconcentroremoto .

3.11 Referencias..........................................................3.12 Bibliografía..........................................................3.13 Problemas..........................................................3.14 Proyectos...........................................................

Capítulo4 Análisisdeposición..................................4.0 Introducción........................................................4.1 Sistemas de coordenadas ............4.2 Posiciónydesplazamiento ,....

Posición ,......Transformacióndecoordenadas .Desplazamiento...'...................................................

4.3 Traslación,rotación y movimientocomplejo ,.............

COt.

555556565858606161636464646566667070717172

87

87878990 e93939899

101105105105107110118122124125128131131133134135137137139140141152

155

155156157157157157159

~

CONTENIDO

Traslación 159Rotación 159Movimientocomplejo 160Teoremas 161

4.4 Análisisgráficodelaposicióndemecanismosarticulados : 1614.5 Análisis algebraico de posición de mecanismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Representación en configuración de lazo vectorial de mecanismos. . . . , . . . . . . 163Númeroscomplejoscomovectores 164Ecuación de lazo vectorial para un mecanismo de cuatro barras. . . . . . . . . . . . . 165

Solución de posición de un mecanismo de cuatro barras de manivela-corredera 168Solución de posición de un mecanismo de manivela-corredera invertido. . . . . 170Mecanismosdemásdecuatrobarras 172

Mecanismodecincobarrasengranado 172Mecanismosdeseisbarras 174

4.9 Posición de cualquier punto en un mecanismo. . . . . . . . .0.. . . . . . . . . . . . . . . . . 1754.10 Ángulosde transmisión """"""""""""""""""""""'" 176

Valoresextremosdelángulodetransmisión 1774.11 Posicionesdeagarrotamiento 1784.12 Circuitosyramas~nmecanismos 1804.13 Método de solución de Newton-Raphson 180

Determinaciónde una raízunidimensional(método de Newton) . . . . . . . . . . . . . 181Determinaciónde raícesmultidimensionales(método de Newton-Raphson).. . . 182Soluciónde Newton-Raphsonpara el mecanismo de cuatrobarras. . . . . . . . . . . 183Resolvedoresdeecuaciones 184

4.14 Referencias 1844.15 Problemas 185

4.64.74.8

Capítulo 5 Síntesis analítica de mecanismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.0 Introducción........................................................5.1 Tiposdesíntesiscinemática ,....5.2 Síntesisde dos posiciones para salida de balancín. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.3 Puntosde precisión .............5.4 Generación de movimientode dos posiciones mediante síntesisanalítica. . . . .5.5 Comparación de síntesisanalítica y gráfica de dos posiciones. . . . . . . . . . . . . .5.6 Solucióndeecuacionessimultáneas....................................5.7 Generación de movimiento de tres posiciones mediante síntesisanalítica. . . . .5.8 Comparación de síntesisanalítica y gráfica de tres posiciones. . . . . . . . . . . . . .5.9 Síntesispara la localización de un pivote fijoespecificado. . . . . . . . . . . . . . . . . .5.10 Círculoscon punto en el círculo y punto en el centro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.11 Síntesisanalítica de cuatro y cinco posiciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.12 Síntesisanalítica de un generador de trayectoria con temporización prescrita.5.13 Síntesisanalítica de un generador de función de cuatro barras. . . . . . . . . . . . . .5.14 Otrosmétodos de síntesisde mecanismos ...............................

Métodosde puntos de precisión ........................................Métodosdeecuacióndecurvadelacoplador .Métodosdeoptimización ..............................................

5.15 Referencias .........................................................5.16 Problemas..........................................................

(o

Capítulo6 Análisisdelavelocidad...............................

6.0 Introducción """""','6.1 Definicióndevelocidad...............................................6.2 Análisisgráficodelavelocidad.........................................6.3 Centros instantáneos de velocidad .....................................6.4 Análisisde velocidad con centros instantáneos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Relacióndevelocidadangular ....Ventajamecánica .............Utilizaciónde loscentros instantáneosen el diseño de mecanismos. . . . . . . . . . .

6.5 Centrodas..........................................................Mecanismo"sineslabonesU.............................................Cúspides............................................................

6.6 Velocidad de deslizamiento ...............

197197197198199200205207209213217222224225225228230231232234236

245

245245247251257259260262264266267268

.CONTENIDO

6.7 Soluciones analíticas para el análisis de velocidad. . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . .Mecanismo de cuatrobarrascon juntas de pasador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Manivela-correderadecuatrobarras .Mecanismo de cuatrobarrasmanivela-correderainvertido. . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.8 Análisisde velocidad del mecanismo de cinco barras engranado. . . . . . . . . . .6.9 Velocidad de cualquier punto de un mecanismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.10 Referencias .........................................................6.11 Problemas..........................................................

Capítulo7 Análisisdelaaceleración.............................7.0 Introducción ........................................................7.1 Definicióndelaaceleración...........................................7.2 Análisisgráficodelaaceleración.......................................7.3 Soluciones analítieas para el análisis de la aceleración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Mecanismo de cuatrobarrascon juntas de pasador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mecanismo de cuatrobarrasmanivela-corredera.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .AceleracióndeCoriolis................................................Mecanismo de cuatrobarrasmanivela-correderainvertido. . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.4 Análisisde aceleración del mecanismo de ciñco barras engranado. . . . . . . . .7.5 Aceleración de cualquier punto de un mecanismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.6 Toleranciahumanaalaaceleración ,........7.7 Sacudimiento.......................................................7.8 Mecanismosdenbarras..............................................7.9 Referencias.........................................................7.10 Problemas..........................................................7.11 Laboratoriovirtual....................................................

Capítulo8 Diseño de levas .....................................8.0 Introducción ........................................................8.1 Terminologíadelevas.................................................

Tipodemovimientodelseguidor.. .......Tipodecierredejunta.................................................Tipodeseguidor......................................................Tipodeleva ;...................Tipode restriccionesde movimiento .....................................Tipode programa de movimiento .......................................

8.2 DiagramasSVAJ.....................................................8.3 Diseño de levas con doble detenimiento: selección de las funciones S VA J . . . .

Leyfundamentaldediseñodelevas .'......................Movimientoarmónicosimple (MAS) """""""""""""""""'"

Desplazamientocicloidal...............................................Funcionescombinadas .FamiliaSCCA de funciones de doble detenimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Funcionespolinomiales................................................Aplicaciones de polinomios con doble detenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4 Diseño de una leva con detenimiento simple: selección de las funciones S VA J. Aplicacionesde polinomiosa detenimiento simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Efecto de la asimetría en la solución polinomial al caso de subida-bajada. . . . .8.5 Movimiento de trayectoria crítica (CPM) .................................

Polinomios utilizados para movimiento de trayectoria crítica. . . . . . . . . . . . . . . . . .8.6 Dimensionamiento de la leva: ángulo de presión y radio de curvatura. . . . . . . .

Ángulo de presión: seguidores de rodillo trasladantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Selección del radio de un círculo primario .Momento de volteo: seguidor de cara plana trasladante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Radio de curvatura: seguidor de rodillotrasladante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Radio de curvatura: seguidor de cara plana trasladante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.7 Consideraciones prácticas de diseño ,.........¿Seguidortrasladanteuoscilante?......................................¿Con cierre de forma o de fuerza? .¿Levaradialoaxial? """"""'"¿Seguidorderodilloodecaraplana? .¿Con detenimientoosin detenimiento? ..................................

271271273274276277279279

301

301301304308308310312314316317319321323323323342

343

343344344345346347348348349349352353354357361368369372375376380381387388390391392396400400400401401402

.,..

CONTENIDO

¿Rectificaronorectificar?.............................................¿Lubricaronolubricar?...............................................

8.8 Referencias.........................................................8.9 Problemas..........................................................8.10 Laboratoriovirtual....................................................8.11 Proyectos...........................................................

Capítulo9 Trenesde engranes ..................................

9.0 Introducción........................................................9.1 Cilindrosrodantes....................................................

9.2 Leyfundamentaldeengranaje.........................................

Laformadeinvolutaendientesdeengrane .Ángulo depresión ....................................................Cambio de la distancia entre centros ...

Juegoentredientes...................................................

9.3 Nomenclaturadedientedeengrane....................................

9.4 Interferenciaysocavado..............................................

Formasdedientedecabezadesigual.. ......9.5 Relacióndecontacto.................................................

9.6 Tiposdeengranes....................................................

Engranes rectos, helicoidales y de espina de pescado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tornillossinffnyengranesdetornillosinffn.................................

Cremalleraypiñón....................................................

Engranescónicosehipoidales.. ...,.. .......Engranesnocirculares.................................................

Transmisionesde banda y cadena ......................................

9.7 Trenesdeengranessimples............................................

9.8 Trenesdeengranescompuestos........................................Diseñodetrenescompuestos... .......

Diseñodetrenescompuestosrevertidos .Un algoritmo para el diseño de trenes de engranes compuestos. ............

9.9 Trenes de engranes epicíclicos o planetarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Métodotabular.......................................................

Métododelafórmula..................................................

9.10 Eficienciadelostrenesdeengranes.....................................9.11 Transmisiones........................................................

9.12 Diferenciales........................................................

9.13 Referencias .........................................................

9.14 Bibliografía..........................................................9.15 Problemas..........................................................

PARTE11 DINÁMICADEMAQUINARIA..............................

Capítulo 10 Fundamentosdedinámica...........................10.0 Introducción........................................................

10.1 Leyes del movimiento de Newton .......................................10.2 Modelosdinámicos..................................................

10.3 Masa..............................................................

10.4 Momentodemasaycentrodegravedad................................

10.5 Momento de inercia de masa (segundo momento de masa) . . . . . . . . . . . :. . .

10.6 Teorema de ejes paralelos (teorema de transferencia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.7 Determinacióndelmomento de inerciade masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Métodosanalíticos ,"......................................Métodosexperimentales...............................................

10.8 Radiodegiro........................................................10.9 Modeladodeeslabonesrotatorios......................................10.10 Centrodepercusión..................................................10.11 Modelos dinámicos con parámetros concentrados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Constantederesorte..................................................Amortiguamiento.....................................................

413

413413415416417418419420422423423426426427427428429430431432433434437438441446447450454456457457

467

402402403403407408

469

469469470470471473474474475475476476477479480480

~

CONTENIDO COI

10.12 Sistemasequivalentes.................................................

Amortiguadorescombinados .Combinación de resortes ..............................................Combinacióndemasas...............................................Relacionesdepalancayengranes .

10.13 Métodos de solución .................................................10.14 Principioded'Alembert """""""

10.15 Métpdosdeenergía:trabajovirtual.....................................10.16 Referencias """""""""""""""""""""""""""...10.17 Problemas..........................................................

Capítulo 11 Análisis de fuerzas dinámicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.0 Introducción........................................................11.1 Métododesoluciónnewtoniano .......................................11.2 Unsoloeslabónenrotaciónpura.......................................11.3 Análisisde fuerzas de un mecanismo articulado de tres barras de

manivela-corredera...................................................11.4 Análisisde fuerzas de un mecanismo de cuatro barras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.5 Análisisde fuerzas de un mecanismo de cuatro barras de manivela-corredera11.6 Análisisde fuerzas del mecanismo de manivela-corredera invertido. . . . . . . . . .11.7 Análisisde fuerzas: mecanismos con más de cuatro barras. . . . . . . . . . . . . . . . .11.8 Fuerza y momento de sacudimiento ....................................11.9 Programas FOURBAR,FIVEBAR,SIXBARySUDER"""""""""""""""'"

11.10 Análisis de fuerzas en mecanismos mediante métodos de energía. ..........

11.11 Control del par de torsión de entrada: volantes ...........................11.12 índice de transmisión de fuerza en un mecanismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.13 Consideraciones prácticas '.............11.14 Referencias .........................................................11.15 Problemas ..........................................................11.16 Laboratoriovirtual....................................................

11.17 Proyectos...........................................................

Capítulo12 Balanceo .........................................12.0 Introducción........................................................12.1 Balanceoestático....................................................12.2 Balanceodinámico """"""12.3 Balanceosdemecanismosarticulados..................................

Balanceo completo de fuerzas de mecanismos articulados. . . . . . . . . . . . . . . . .12.4 Efecto del balanceo en fuerzas de sacudimiento y fuerzas en pasadores. . . . . .12.5 Efecto del balanceo en el par de torsión de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.6 Balanceo del momento de sacudimiento en mecanismos. . . . . . . . . . . . . . . . . .12.7 Mediciónycorreccióndeldesbalanceo """"""

12.8 Referencias..........................................................12.9 Problemas..........................................................12.10 Laboratoriovirtual....................................................

Capítulo13 Dinámica de motores ...............................

13.0 Introducción........................................................

13.1 Diseñodelmotor :.............

13.2 Cinemática del mecanismo de manivela-corredera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.3 Fuerzasdelgasyparesdetorsióndegas ;.............

13.4 Masasequivalentes..................................................

13.5 Fuerzasdeinerciaydesacudimiento ..:.................................13.6 Paresdetorsióndeinerciaydesacudimiento..., ;..............13.7 Pardetorsióntotaldelmotor...........................................13.8 Volantes """""""

13.9 Fuerzas de pasador en un motor de un cilindro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13.10 Balanceodelmotordeuncilindro......................................

Efecto del balanceo del cigüeñal en las fuerzas de los pasador es ............

13.11 Cambiosyrelacionesdediseño........................................

482483483484484489490492493494

Cc

499

499499500

502507513515518518519520521527528529529540541

(

543

543543546550551554555556559561562568

569

569569575580582585588589589591597600601

~

CONTENIDO

Relaciónbiela/manivela...............................................

Relacióndiámetrointernodel cilindro/carrera.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Materiales...........................................................

13.12 Bibliografía..........................................................13.13 Problemas..........................................................13.14 Proyectos...........................................................

Capítulo14 Motoresmu!ticilindros.".."..,..,.".."..".".."14.0 Introducción........................................................14.1 Diseñosdemotoresmulticilindros.......................................14.2 Diagramadefasedemanivelas........................................14.3 Fuerzasde sacudimiento en motores en línea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.4 Pardetorsióndeinerciaenmotoresenlínea.............................14.5 Momento de sacudimiento en motores en línea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14.6 Encendidouniforme..................................................

Motorconunciclodedostiempos.. .........Motordecuatrotiempos...............................................

Configuraciones de motores en V ..........Configuraciones de motores opuestas ...........Balanceodemotoresmulticilindros .....................................

Balanceosecundario en motoresde cuatrocilindrosen línea. . . . . . . . . . . . . . . .Motorde dos cilindrosperfectamente balanceado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.10 Referencias .........................................................14.11 Bibliografía..........................................................14.12 Problemas...........................................................

14.13 Proyectos ~.......................

14.714.814.9

Capítulo15 Dinámicadelevas." "..,..,...................

15.0 Introducción........................................................15.1 Análisisde fuerzas dinámicas del sistema leva-seguidor con cierre de fuerza. . .

Respuestanoamortiguada.. ...Respuestaamortiguada...............................................

Resonancia.........................................................Análisisde fuerzas cinetostáticas del sistema seguidor-leva con cierre de fuerzaAnálsisisde fuerzas cinetostáticas del sistema de leva-seguidor con cierredeforma ...........................................................

15.5 Parde torsión cinetostático en un árbol de levas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.6 Mediciónde fuerzas dinámicas y aceleraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15.7 Consideraciones prácticas ,.....................................15.8 Referencias ":"......................................15.9 Bibliografía..........................................................15.10 Problemas..........................................................15.11 Laboratoriovirtual....................................................

15.2

15.3

15.4

Apéndice A Programas de computadora. . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . .

ApéndiceB Propiedadesdemateriales...........................

ApéndiceC Propiedadesgeométricas............................

Apéndice D Características de resortes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~ .

ApéndiceE Atlasdecurvasdeacoplador.........................

Apéndice F Respuestas de problemas seleccionados. . . . . . . . . . . . . . .

Apéndice G Ecuaciones para motores multicilindrossubbalanceadososobrebalanceados ...........................................

índicetemático................................................

CatálogodeIDVD., , ,..........

609

609609612616617618620621622630638638642644644645645647

649

649649650652658660

601601602602603607

663666670672672672673676

677

679

683

685

689

691

705

709

722