Leva (mecanismo)

Una leva es una pieza giratoria o deslizante en un enlace mecánico que se utiliza especialmente para transformar el movimiento giratorio en movimiento lineal. ^{[1] [2]} A menudo es una parte de una rueda giratoria (por ejemplo, una rueda excéntrica) o un eje (por ejemplo, un cilindro con una 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 utiliza para entregar pulsos de potencia a un martillo de vapor , por ejemplo, o un disco excéntrico u otra forma que produce un movimiento alternativo suave (de ida y vuelta) en el seguidor , que es una palanca que hace contacto con la leva. Un temporizador de leva es similar y se usaba 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 .

La leva puede verse como un dispositivo que convierte el movimiento rotacional en movimiento alternativo (o a veces oscilante). ^{[ aclaración necesaria ] [3]} Un ejemplo común es el árbol de levas de un automóvil , que toma el movimiento rotatorio del motor y lo convierte en el movimiento alternativo necesario para operar las válvulas de admisión y escape de los cilindros .

Las levas se pueden caracterizar por sus diagramas de desplazamiento, que reflejan el cambio de posición que realizaría un seguidor a medida que la superficie de la leva se mueve en contacto con el seguidor. En el ejemplo mostrado, la leva gira sobre 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 tiempo de espera intermedio, como se muestra en la figura 2. ^[4] El aumento es el movimiento del seguidor alejándose del centro de la leva, el tiempo de espera es el movimiento donde el seguidor está en reposo y el retorno es el movimiento del seguidor hacia el centro de la leva. ^[5]

Un tipo común se encuentra en los actuadores de válvulas en motores de combustión interna. Aquí, el perfil de leva es comúnmente simétrico y a las velocidades de rotación que generalmente se encuentran, se desarrollan fuerzas de aceleración muy altas. Idealmente, una curva convexa entre la posición de inicio y máxima de sustentación reduce la aceleración, pero esto requiere diámetros de eje imprácticamente grandes en relación con la sustentación. Por lo tanto, en la práctica, los puntos en los que la sustentación comienza y termina significan que aparece una tangente al círculo base en el perfil. Esto es continuo con una tangente al círculo de la punta. Al diseñar la leva, se dan la sustentación y el ángulo de parada θ . Si el perfil se trata como un círculo base grande y un círculo de punta pequeño, unidos por una tangente común, dando la sustentación L , la relación se puede calcular, dado el ángulo φ entre una tangente y el eje de simetría ( siendo φ ⁠π/2⁠ − ⁠θ/2⁠ ), donde C es la distancia entre los centros de los círculos (requerido), y R es el radio de la base (dado) y r el del círculo de la punta (requerido):

C = ⁠yo/1 − sen φ⁠ y r = R − L ⁠pecado φ/1 − sen φ⁠

La leva más comúnmente utilizada es la leva de placa (también conocida como leva de disco o leva radial ^[6] ) que se corta de una pieza de metal o placa plana. ^[7] Aquí, el seguidor se mueve en un plano perpendicular al eje de rotación del árbol de levas. ^[8] 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 de lóbulos ( 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 que ahora está obsoleta, de este tipo de levas eran las levas de programación automática de máquinas herramienta. Cada movimiento u operación de la herramienta era controlado directamente por una o más levas. Las instrucciones para producir levas de programación y datos de generación de levas para las marcas más comunes de máquinas se incluyeron en las referencias de ingeniería hasta bien entrada la era moderna del CNC . ^[9]

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

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 sobre una ranura cortada en la superficie de un cilindro. Estas levas se utilizan principalmente para convertir el movimiento rotatorio en movimiento lineal perpendicular al eje rotatorio del cilindro. Un cilindro puede tener varias ranuras cortadas en la superficie y accionar varios seguidores. Las levas cilíndricas pueden proporcionar movimientos que implican más de una sola rotación del cilindro y, por lo general, proporcionan un posicionamiento positivo, eliminando la necesidad de un resorte u otro dispositivo para mantener el seguidor en contacto con la superficie de control.

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

Un caso especial de esta leva es una leva de avance constante , en la que 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 se pueden utilizar para hacer referencia a una salida con 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. En el pasado, estas levas eran comunes para funciones especiales en sistemas de control, como mecanismos de control de fuego para armas en buques de guerra ^[10] y computadoras analógicas mecánicas. ^[11]

Un ejemplo de una leva cilíndrica con dos entradas lo proporciona un torno duplicador , un ejemplo del cual es el torno de mango de hacha Klotz, ^[12] que corta un mango de hacha en una forma controlada por un patrón que actúa como leva para el mecanismo del torno.

Una leva frontal produce movimiento mediante un seguidor que se desplaza sobre la cara de un disco. El tipo más común tiene el seguidor que se desplaza sobre una ranura de modo que el seguidor cautivo produce un movimiento radial con posicionamiento positivo sin la necesidad de un resorte u otro mecanismo para mantener el seguidor en contacto con la superficie de control. Una leva 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 cumplir la función de leva frontal además de otros propósitos.

Las levas frontales pueden proporcionar un movimiento repetitivo con una ranura que forma una curva cerrada o pueden proporcionar la generación de funciones con una ranura detenida. Las levas utilizadas para la generación de funciones pueden tener ranuras que requieren varias revoluciones para cubrir la función completa y, en este caso, la función generalmente debe ser invertible para que la ranura no se autointersecte, y el valor de salida de la función debe diferir lo suficiente en las rotaciones correspondientes para que haya suficiente material que separe 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 plato de desplazamiento . Las funciones no invertibles, que requieren que la ranura se autointersecte, 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 hoja inferior y el seguidor es el gancho de la hoja 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 utilizar para hacer referencia a una única salida con 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. En el pasado, eran comunes en el cálculo analógico mecánico y en las funciones especiales de los sistemas de control. ^[13]

Una leva frontal que implementa tres salidas para una sola entrada rotatoria es el fonógrafo estéreo , donde un surco guía relativamente constante guía la unidad de aguja y brazo, actuando como un seguidor de tipo balancín (brazo) o lineal (plato giratorio de seguimiento lineal), y la aguja sola 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 la ranura). La posición del brazo era utilizada por algunos tocadiscos como una entrada de control, como para apagar la unidad o cargar el siguiente disco en una pila, pero se ignoraba en unidades simples.

Este tipo de leva, en forma de corazón simétrico, se utiliza para devolver un eje que sujeta la leva a una posición determinada mediante la presión de un rodillo. Se utilizaban en los primeros modelos de relojes maestros de correos para sincronizar la hora del reloj con la hora media de Greenwich cuando el seguidor activador se presionaba sobre la leva automáticamente a través de una señal procedente de una fuente de tiempo precisa. ^[14]

Este tipo de leva se utilizaba, por ejemplo, en los relojes mecánicos de control del tiempo para accionar el mecanismo de avance del día exactamente a medianoche y consistía en un seguidor que se elevaba durante 24 horas mediante la leva en una trayectoria en espiral que terminaba en un corte brusco en el que el seguidor descendía y activaba el avance del día. Cuando se requiere precisión en el cronometraje, como en los relojes de control de entrada, estos se disponían ingeniosamente para tener un seguidor de leva de rodillo 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 el peso era asumido y soportado por un seguidor sólido con un borde afilado. Esto garantizaba que el peso cayera en un momento preciso, lo que permitía un cronometraje preciso. ^[15] Esto se logró mediante el uso de dos levas de caracol montadas coaxialmente con el rodillo inicialmente apoyado en una leva y el seguidor sólido final en la otra, pero sin entrar en contacto con su perfil de leva. De esta manera, la leva de rodillos inicialmente soportaba el peso, hasta que en la parte final del recorrido el perfil de la leva sin rodillos se elevaba más que el otro, haciendo que el seguidor sólido soportara el peso.

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. ^[16] La característica clave es que la entrada es un movimiento lineal en lugar de rotatorio. El perfil de la leva puede estar cortado en uno o más bordes de una placa o un 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. ^[17]

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

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. ^[18] Sin embargo, el mecanismo de gatillo no giraba sobre su propio eje y la tecnología tradicional china generalmente hacía poco uso de levas que rotaban continuamente. ^[19] Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que tales mecanismos de leva, de hecho, giraban sobre su propio eje. ^[20] Asimismo, investigaciones más recientes indican que las levas se usaban en martillos de viaje accionados por agua en la segunda mitad de la dinastía Han occidental (206 a. C. - 8 d. C.), como se registra en el Huan Zi Xin Lun. También se mencionan morteros complejos en registros posteriores, como el Jin Zhu Gong Zan y el Tian Gong Kai Wu, entre muchos otros registros de morteros accionados por agua. ^[21] 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 arena de cinco ruedas, las figurillas de papel artificiales dentro de una linterna giratoria, todos utilizaban mecanismos de leva. ^[22] El hodómetro 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. ^[23] De estos ejemplos, el mortero impulsado por agua y la caja de viento impulsada por agua tienen dos mecanismos de leva en su interior. ^[24] Las levas que giraban continuamente y funcionaban como elementos integrales de la máquina se incorporaron a los autómatas helenísticos impulsados ​​por agua desde el siglo III a. C. ^[25]

La leva y el árbol de levas aparecieron más tarde en mecanismos de Al-Jazari , quien los utilizó en sus autómatas, descritos en 1206. ^[26] La leva y el árbol de levas aparecieron en mecanismos europeos a partir del siglo XIV. ^[27] Waldo J Kelleigh de Electrical Apparatus Company patentó la leva ajustable ^[28] en los Estados Unidos en 1956 para su uso en ingeniería mecánica y armamento.

• Movimiento alternativo  : movimiento lineal repetitivo de ida y vuelta.
• Motor de levas  : motor alternativo en el que los pistones impulsan un eje accionado por levas.
• Plato cíclico  : mecanismo para convertir entre movimiento alternativo y rotatorio
• Manivela (mecanismo)  : máquina simple que transfiere movimiento hacia o desde un eje giratorio a una distancia de la línea central.
• Excéntrico (mecanismo)  : Disco circular fijado rígidamente a un eje giratorio con su centro desplazado respecto del eje.

• Páginas de diseño de levas Crea levas animadas para movimientos de seguidores específicos.
• Biblioteca digital de modelos cinemáticos para el diseño (KMODDL): películas y fotografías de cientos de modelos de sistemas mecánicos en funcionamiento en la Universidad de Cornell. También incluye una biblioteca de libros electrónicos con textos clásicos sobre diseño mecánico e ingeniería.
• Introducción a los mecanismos: levas Clasificación, nomenclatura, movimiento y diseño de levas; información para el curso Introducción a los mecanismos, en la Universidad Carnegie Mellon.
• Función de leva polinómica con archivo VBA de Excel para demostrar su movimiento