Una leva es un elemento que impulsa, por contacto directo, a otro elemento denominado seguidor de forma que éste último realice un movimiento alternativo concreto. Es un elemento de maquinaria diseñado para generar un movimiento determinado a un seguidor por medio de contacto directo. Es general las levas se montan sobre ejes rotativos, aunque también se usan estacionariamente con un seguidor moviéndose alrededor de estas. Las levas también producen movimiento oscilatorio o pueden convertir movimientos de forma a otra.
Estos mecanismos se emplean en la maquinaria, por su facilidad de diseño para producir cualquier movimiento deseado, por lo que se usan para maquinaria de impresión, maquinaria para fabricar zapatos, tornos automáticos, tortilla doras siendo difícil encintrar maquinas denominadas “automáticas” sin un sistema de levas.
Todos los mecanismos de levas se componen de cuando menos tres eslabones:
La leva que tiene una superficie de contacto curva o derecha.
Seguidor o palpador que a través de una varilla realiza el movimiento producido por el contacto con el perfil de la leva.
Bancada, la cual sirve de soporte y guía a la varilla y a la leva
Tipos de levas más comunes utilizados en mecanismos
Podemos clasificarlas por lo siguiente
Por su forma
Por su movimiento que trasmite el seguidor.
Clasificación de levas por su forma
Leva de traslado o traslación
El contorno o forma de la leva de traslación se determina por el movimiento especifico del seguidor.
Este tipo de leva es la forma básica, puesto que todas las superficies uniformes o, más frecuentemente, con inclinaciones variables. La desventaja de estas levas, es que se obtiene el mismo movimiento en el orden inverso durante el movimiento de retorno; esto se puede evitar si envolvemos la cuña alrededor del circulo para formas una leva de disco.
Levas de disco
En el caso de las levas de disco, el cuerpo de estas tienen la forma de un disco con el contorno de la leva formando sobre la circunferencia, en estas levas por lo general la línea de acción del seguidor es perpendicular al eje de la leva y hace contacto con la leva con ayuda de un resorte
Levas de tambor o cilíndrica
En las levas de tambor la pista de la leva generalmente se labra alrededor del tambor. Normalmente la línea de acción del seguidor es estas levas es paralela al eje de la leva.
Levas conjugadas
Consiste en dos o más levas empalmadas, se les conoce como levas de acción positiva o tipo York.
Levas de cara o cerrada
En las pistas de la leva se labra en la parte frontal el disco
Nota las ilustraciones a estos temas está al final de la unidad
Clasificaciones de los seguidores
Por la manera de hacer contacto con la leva.
De cuchilla (varilla de punzón)
De carretilla o rodaja (varilla de rodaja)
De cara plana
De cara esférica
Por posición con respecto al eje de la leva.
Centrado
Descentrado
Para leva cerrada
Nomenclatura de las levas
El desplazamiento del seguidor: en general se define como la posición del mecanismo seguidor a partir de un punto especifico denominado cero o reposo, en relación con el tiempo o con alguna fracción del ciclo de la maquinaria (desplazamiento de la leva) medida en forma angular.
El desplazamiento de la leva; medido en grados o milímetros, es el movimiento de la leva medido desde un punto especifico, ce o reposo, en relación con el mecanismo seguidor definido antes.
El perfil de la leva: es el contorno de la superficie de trabajo de la leva.
Punto trazador: es la línea de centro del rodillo o su equivalente. Cuando se utiliza un seguidor plano.
Curva primitiva: es el lugar geométrico de la sucesión de puntos descritos por el punto trazador, cuando la leva se desplaza.
El circulo de la base: Es el menor circulo inscrito en el perfil de la leva.
Circulo primario: Es el menor circulo inscrito de la curva primitiva y con centro en el centro de la leva. Es concéntrico con el circulo de base y separado de este a un radio del rodillo seguidor.
Ángulo de presión: Es el ángulo entre la normal a la curva primitiva y la dirección instantánea del movimiento del seguidor
Punto primitivo: es el punto de la curva primitiva donde tiene su máximo valor el ángulo de presión
Circulo primitivo: Es él circulo que pasa por el punto primitivo.
Punto de transición: Es el punto de máxima velocidad donde la aceleración cambia de signo ( cambia la dirección de la fuerza en el seguidor). En la levas cerradas, este punto se denomina con frecuencia punto de cruce, donde, debido al cambio de dirección de la aceleración, el seguidor deja un perfil de la leva para entrar en contacto con el perfil opuesto (o conjugado).
Aunque existen muchos tipos de mecanismos de leva, uno de los más comunes es el mecanismo de leva con seguidor de rodillo que se presenta a continuación.
Diseño cinemático de la leva
La leva y el seguidor realizan un movimiento cíclico (360 grados). Durante un ciclo de movimiento el seguidor se encuentra en una de tres fases. Cada fase dispone de otros cuatro sinusoidales que en el coseno de "fi" se admiten como levas espectatrizes. Los chicos de mantenimiento, comunmente son especialmente hábiles en este campo de prueba e hiperconmutacion.
Ley fundamental del diseño de levas
Las ecuaciones que definen el contorno de la leva y por lo tanto el movimiento del seguidor deben cumplir los siguientes requisitos, lo que es llamadola ley fundamental del diseño de levas:La ecuación de posición del seguidor debe ser continua durante todo el ciclo.
La primera y segunda derivadas de la ecuación de posición (velocidad y aceleración) deben ser continuas.
La tercera derivada de la ecuación (sobreaceleración o jerk) no necesariamente debe ser continua, pero sus discontinuidades deben ser finitas.
Las condiciones anteriores deben cumplirse para evitar choques o agitaciones innecesarias del seguidor y la leva, lo cual sería perjudicial para la estructura y el sistema en general.
Pese a que tanto la leva como el seguidor pueden disfrutar de un movimiento de rotación o de traslación, el caso más habitual es que la leva gire mientras que el seguidor se desplaza. En este tipo de mecanismo, el objetivo es relacionar de forma precisa la rotación de la leva (cuya posición viene definida por el ángulo de leva "q") con el movimiento del seguidor (cuya posición viene definida por la elevación "y" del mismo). Así, el punto de partida para el diseño de una leva es lo que se conoce con el nombre de diagrama de elevación, que representa con precisión la elevación del seguidor para cada posición angular de la leva. Este diagrama constituye la representación gráfica de la función y(q), variando q entre 0º y 360º.
Hay que decir, que la elevación y se mide siempre respecto de la posición más baja del seguidor. Es decir, en la posición más baja se cumple siempre que y = 0
Excentricidad
En ocasciones resulta interesante desplazar el seguidor de forma que su dirección de deslizamiento no pase por el centro de rotación de la leva. En este caso, se dice que el seguidor es excéntrico y se llama excentricidada la distancia desde el centro de rotación de la leva a la dirección de deslizamiento del seguidor. La circunferencia centrada en el centro de rotación de la leva y tangente a la dirección de deslizamiento del seguidor se denomina circunferencia de excentricidad.
Nótese por comparacíon de la figura siguiente con la anterior que, sin cambiar el diagrama de elevación ni ningún otro parámetro de diseño de la leva, al dotar al seguidor de cierta excentricidad la forma de la leva cambia (y no solo cambia su orientación) llegando a ser asimétrica pese a la simetría del diagrama de elevación. También cambian otros factores importantes, como el ángulo de presión, que se estudiará más adelante.
Pausa del seguidor
En ocasiones, los mecanismos de leva son seleccionados porque proporcionan en el seguidor un movimiento intermitente (difícil de conseguir con mecanismos de barras). Así, el movimiento del seguidor es tal que durante un tiempo permanece detenido (pausa ) pero posee movimiento el resto del tiempo. En la siguiente figura se muestra sistema leva-seguidor con pausa en la mínima elevación. Obsérvese la pausa en el diagrama de elevación y cómo ésta se encuentra en la posición más baja del seguidor. Obsérvese también durante el movimiento de la leva que el tramo de perfil de leva que produce la pausa en el seguidor es un arco de circunferencia centrado en el centro de rotación de la leva.
Los mecanismos leva-seguidor se pueden diseñar también para poseer más de una pausa. En el ejemplo mostrado a continuación, el seguidor cuenta con dos pausas, una en la elevació máxima y otra en la elevación mínima. Obsérvese cómo una pausa de seguidor corresponde siempre en la leva giratoria con un arco de circunferencia centrado en el centro de rotación de la misma.
Ángulo de presión
El ángulo de presión es un parámetro fundamental en el comportamiento dinámico de las levas. Se define como el ángulo que forman dos rectas: la línea de deslizamiento del seguidor y la recta normal a las dos superficies (leva y rodillo) en el punto de contacto.
Dos curvas (o superficies) que contactan en un punto poseen siempre una tangente común en el punto de contacto. La recta normal es, precisamente, la perpendicular a la tangente en dicho punto. En todo contacto sin rozamiento, las fuerzas que se transmiten desde una curva (o superficie) a la otra a través del contacto tienen siempre la dirección de la normal. Por este motivo, cuando la leva empuja al seguidor hacia arriba no lo hace siempre mediante una fuerza vertical, sino que lo hace mediante una fuerza que sigue la dirección de la normal. Dicha fuerza tendrá una componente vertical que es útil para el movimiento, pero también tendrá una componente horizontal (inútil) que tiende a deformar el seguidor por flexión y que incrementa el rozamiento en el par de deslizamiento del seguidor. Si el ángulo de presión es grande, para una misma componente vertical (útil), la componente horizontal (inútil) será grande.
El problema es que el ángulo de presión depende de la posición de la leva (no es constante todo el tiempo) y, para que el sistema tenga un buen comportamiento dinámico, se intenta siempre que el ángulo de presión máximo no supere cierto valor (alrededor de los 30º). Dicho valor máximo dependerá del tamaño de la leva, como se verá más adelante.
En la siguiente animación se observa el gráfico de variación del ángulo de presión en función del ángulo que ha girado la leva.
Influencia del tamaño del círculo primario
El radio del círculo primario es, junto con otros, un parámetro de diseño que debe ser decidido antes de comenzar a diseñar la leva. Su valor influye fundamentalmente en dos importantes aspectos: el tamaño de la leva y el ángulo de presión.
Cuando el círculo primario crece, el tamaño de la leva crece. Desde este punto de vista, es recomendable emplear círculos primarios pequeños ya que de esta forma se consiguen mecanismos leva-seguidor compactos.
Sin embargo, al disminuir el radio del círculo primario, los ángulos de presión crecen, lo que aumenta la componente de la fuerza de contacto que es perpendicular al seguidor (y que es, por tanto, inútil). Esta componente perpendicular genera problemas importantes por lo que su valor debe mantenerse bajo (en general se considera aceptable por debajo de 30º). Así, desde el punto de vista de ángulo de presión, el círculo primario debería ser lo más grande posible.
La solución final será un compromiso entre obtener un diseño compacto y mantener ángulos de presión suficientemente bajos.
La animación siguiente muestra la influencia del tamaño del círculo primario en el sistema leva-seguidor. En ella se muestra la gráfica del diagrama de elevación y también la gráfica de evolución del ángulo de presión. Nótese que, sin cambiar ningún otro parámetro del sistema, el ángulo de presión crece al variar el tamaño del círculo primario (puede realizarse mediante la barra de desplazamiento) en cualquier posición (salvo las de reposo del seguidor).
Influencia de la excentricidad
La excentricidad es otro parámetro de partida en el diseño de sistemas leva-seguidor. Su valor no puede ser mayor el radio del círculo primario ya que, si así fuera, habría al menos una posición en la que el seguidor caería por falta de contacto con la leva.
La excentricidad influye sobre todo en el ángulo de presión. Sin embargo, no modifica la forma de la gráfica de variación del ángulo de presión, sino que solamente la desplaza verticalmente. Así, la excentricidad puede hacer que disminuya el ángulo de presión en unas zonas del diagrama de elevación a costa de aumentar en otras zonas. Además, la excentricidad hace que el ángulo de presión deje de ser nulo cuando el seguidor está en pausa.
En la práctica, el seguidor se suele mantener en contacto con la leva por la acción de un muelle que lo presiona contra la leva. Por eso, habitualmente la fuerza de contacto es mayor durante el ascenso del seguidor (en el que la leva ha de vencer la fuerza del muelle) que en el descenso (en el que la acción del muelle ayuda a que la leva siga girando, contribuyendo a la continuación del movimiento). Por este motivo, es más importante obtener un ángulo de presión menor durante el ascenso. Así, a muchos mecanismos leva-seguidor se les suele proporcionar una pequeña excentricidad destinada a disminuir el ángulo de presión durante el ascenso aunque éste crezca durante el descenso.
En la animación siguiente se puede observar la influencia de la excentricidad en el ángulo de presión. Obsérvese cómo varía la gráfica del ángulo de presión al variar la excentricidad (mediante la barra de desplazamiento). Trátese de dotar al mecanismo de una cierta excentricidad destinada a disminuir un poco el ángulo de presión máximo durante el ascenso. Obsérvese cómo efectivamente el ángulo de presión crece durante el descenso. Obsérvese también que al dotar al mecanismo de cierta excentricidad, el ángulo de presión deja de ser nulo cuando el seguidor está en pausa.
Influencia del tamaño del rodillo
El tamaño del rodillo solamente influye en el tamaño relativo del rodillo y de la leva. No influye en el ángulo de presión, por lo que no es un parámetro fundamental desde el punto de vista de comportamiento dinámico del sistema.
En la animación siguiente puede observarse la influencia del tamaño del rodillo, variando su radio mediante la barra de desplazamiento. Obsérvese que ni la curva primitiva ni la gráfica de variación del ángulo de presión cambian.
embargo, para cada leva (definida por su diagrama de elevación, por el radio del círculo primario y por la excentricidad) existe un tamaño máximo de rodillo. Por encima de este tamaño máximo, el perfil de leva degenera y solamente es posible en teoría (en la práctica no es construible). Así, el tamaño del rodillo debe mantenerse en un tamaño suficientemente pequeño para que no se produzca degeneración en el perfil de la leva ni éste presente picos (el radio de rodillo máximo admisible depende del radio de curvatura mínimo de la curva primitiva).
En la siguiente animación se muestra cómo el perfil de la leva puede llegar a degenerar al aumentar mucho el radio del rodillo.
Problema de despegue en levas
Uno de los problemas principales de algunos mecanismos leva- seguidor es el problema de despegue del seguidor debido a los efectos dinámicos del movimiento. En muchos casos, el contacto entre la leva y el seguidor se consigue mediante un resorte (o muelle) que presiona el seguidor contra la leva, tal como muestra la figura siguiente. Durante el ascenso el seguidor sufre una primera fase de aceleración y luego otra de deceleración. Debido a su inercia el seguidor tendrá a seguir subiendo al final de la subida (despegándose de la leva) y es el muelle el encargado de oponerse a esta tendencia, asegurando el contacto con la leva. Así, pues, el problema tiene tres variables fundamentales.
- Masa del seguidor: cuanto más pesado sea el seguidor, mayor será su inercia y, por tanto, mayor será la tendencia de éste a despegarse al final de la subida.
- Rigidez del muelle: cuanto mayor sea la rigidez del muelle, más fuerza ejerce éste sobre el seguidor para que no se separe de la leva, por lo que la tendencia al despegue será menor.
- Velocidad de la leva: cuanto mayor sea la velocidad de la leva, la aceleración y deceleración del seguidor durante la subida será también mayor (el seguidor sube en menos tiempo) y, por tanto, la inercia del mismo será mayor, por lo que la tendencia a despegarse también será mayor.
En conclusión, para que no haya despegue, cuanto mayor sea la velocidad de operación de la leva, menos masa deberá tener el seguidor y mayor deberá ser la rigidez del muelle. El problema es que, aligerar el seguidor puede tener un efecto negativo en su resistencia, y aumentar la rigidez del muelle implica aumentar mucho las fuerza de contacto, por lo que el movimiento de la leva sufrirá una irregularidad mayor ya que durante la subida la gran fuerza de contacto se opone al movimiento, pero lo favorece a la bajada.
El efecto de estas tras variables fundamentales puede experimentarse en la siguiente animación, que constituye un modelo cinetoestático del problema (la velocidad de la leva es constante, es decir, supone que la fuerza de contacto no afecta al movimiento de la leva).
Arboles de levas y Taquetes
El árbol de levas y los taquetes tienen la importante función de sincronizar la apertura y cierre de las válvulas de admisión y de escape, y hacer girar tanto a la bomba de aceite como al eje del distribuidor del sistema de ignición. Adicionalmente, acciona la bomba de gasolina mecánica.
El árbol de levas está constituido por aleaciones de hierro fundido a presión, pudiendo estar alojado en el bloque ó en las cámaras, como en los motores más recientes. Los más modernos motores pueden tener hasta dos árboles de levas, utilizando uno de ellos para las válvulas de admisión y el otro para las de escape. De esta forma, los manuales y los catálogos utilizan las abreviaturas SOHC que significa árbol de levas sencillo y DOHC que denota al doble árbol de levas en la cámara. El árbol de levas gira sobre cojinetes (bocinas) de diferentes aleaciones con el objetivo de disminuir la fricción. Federal Mogul fabrica juegos de cojinetes para los puntos de apoyo (bancadas) de los arboles de levas bajo las especificaciones del fabricante original del motor.
La función principal del árbol de levas es la de convertir el movimiento rotatorio en movimiento lineal de los taquetes y las válvulas. En algunos motores el movimiento lineal se transmite mediante la varilla de empuje y, en otros, directamente al taquete ó a la válvula. Todo ello depende del diseño del motor. Otro aspecto importante a tomar en cuenta es que durante su trabajo debe girar a altas revoluciones y someterse a grandes cargas de fuerza, las cuales originan desgastes en sus lóbulos y en los taquetes por efecto de la fricción entre sus cuerpos. Estos desgastes varían la sincronización de los tiempos de apertura de las válvulas de admisión y escape, produciendo de esta forma combustiones imperfectas que afectan directamente la potencia del motor, y generan contaminación ambiental.
Los Taquetes pueden ser de varios tipos tales como los mecánicos de una pieza sólida, los hidráulicos que trabajan con presión de aceite y los hidráulicos con rodillos que tienen este ultimo componente para ayudar a disminuir la fricción. Todos ellos tienen la única función de transmitir el movimiento del árbol de levas hacia las válvulas. Por lo antes expuesto, al reparar un motor se debe observar la presencia de desgastes en los lóbulos y en caso que lo haya, proceder a verificar las medidas de los mismos, los puntos de apoyos y los cojinetes (bocinas) del árbol de levas así como también el desgaste que pueden haber sufrido los taquetes, las varillas de empuje y los balancines. Hay que cambiar todas las partes que sean necesarias, pero se debe tener presente que al reemplazar el árbol de levas también deben montarse los taquetes y los cojinetes (bocinas) nuevos, para garantizar la vida útil de éste componente.
Otras recomendaciones importantes son las que siguen. Al colocar los cojinetes en los puntos de apoyo del árbol de levas, el orificio de lubricación del cojinete debe quedar alineado con el orificio del punto de apoyo del árbol de levas para asegurar la lubricación necesaria y evitar que éste último sufra algún daño. Adopte como norma el uso de aceite en los puntos de apoyo, cojinetes y lóbulos. Al instalar el árbol de levas debe hacerlo con sumo cuidado, girándolo para evitar producir daños en los lóbulos y en los cojinetes. Finalmente, debe verificarse que el mismo gire sin dificultad.
En cualquier tipo de reparación lo recomendables es utilizar autopartes y piezas de la mejor calidad. Entre los mecánicos, uno de las más reconocidas es Sealed Power.
si no se satisface esta desigualdad, ningún eslabón efectuara una revolución completa en relación al otro.
