Unidad 1: Introducción al estudio de los Mecanismos
Ing. Oscar Alonso Rosete Beas
Semana 25 Enero Rev:1 ciclo 2021-1
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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Horas de Clase Asistidas: 80
Horas de Clase Independientes: 80
Duración Total: 160 horas
Horario: Martes 19:00-21:00 / Jueves 19:00-22:00
Salón: 28106
DATOS DEL DOCENTE
Nombre: Oscar Alonso Rosete Beas
E-mail: oscar.rosete@cetys.mx
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Esta asignatura tiene como propósito introducir al estudiante en los conceptos fundamentales relacionados al diseño y síntesis de mecanismos.
Durante el curso se estudiará:
El estudio cinemático y diseño de levas y engranajes
La síntesis/diseño y análisis de mecanismos.
Análisis de movilidad de Gruebler
Criterio de discernimiento de Grashoff
Estudio de vibraciones y balanceo estático y dinámico de maquinaria
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Las actividades que se realicen dentro del aula serán dirigidas por el profesor y otras serán de carácter independiente para ser realizadas por los alumnos fuera del aula.
Las formas genéricas de actividades de aprendizaje que serán realizadas por los alumnos son:
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Reportes de lectura y reportes de investigación.
Prácticas de Laboratorio(*)
Presentaciones en clase.
Elaboración de prototipos.
Exámenes escritos a lo largo del curso y examen final.
Proyecto final integrador en donde se apliquen las herramientas vistas durante el curso.
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Durante el curso el alumno tendrá la oportunidad de aplicar sus conocimientos en el área de diseño mecánico, utilizar paquetes computacionales para la modelación de elementos, manipular y realizar un proyecto de Mecanismos integrado.
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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Bibliografía
Robert L. Norton. Diseño de Maquinaria Síntesis y Análisis de maquinas y Mecanismos. McGraw Hill
Mabie y Ockvirk. (Texto) Mechanisms and Dynamics of Machinery.Limusa Wiley
Shigley J. E., Uicker. Theory of Machines and Mechanisms. McGraw Hill
Hartenberg and Denavit. Kinematic Synthesis of Linkages. McGraw Hill
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Software:
Working Model, Solidworks Motion
Herramientas digitales:
Blackboard, Google suite, recursos microsoft, portafolio electronico, bases de datos.
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Concepto | Descripción | Ponderación |
---|---|---|
Examenes | Pruebas objetivas en forma de exámenes parciales y/o finales que se pueden realizar de manera individual o por equipos. |
30% |
Tareas | Resolución de ejemplos típicos, solución de problemas en Tareas individuales y en equipo. | 15% |
Prácticas (Ejercicios apoyados con software) | Diseño de elementos mecánicos por computadora. Usando un software especializado. |
10% |
Desarrollo y Exposición de prototipos de mecanismos | Elaboración de prototipos físicos de acuerdo al contenido visto en clase. | 15 % |
Proyectos. | Desarrollo y presentaciones profesionales de los proyectos | 30% |
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Profesor:
Ing. Oscar Alonso Rosete Beas
E-Mail:
oscar.rosete@cetys.mx
Pagina de facebook:
https://www.facebook.com/oscararosete
Sitio web:
https://oscarrosete.com/
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Asesorías: WhatsApp 686 264 5073
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Enlaces relevantes:
http://bibliotecadigital.cetys.mx/
http://courses.csail.mit.edu/6.S080/lectures/02_all.pdf
http://www.mekanizmalar.com/index.html
http://www.technologystudent.com/cams/camdex.htm
http://www.softintegration.com/chhtml/toolkit/mechanism/fourbar/
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Formación de equipos para presentaciones y proyecto final.
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Tarea 1. Investigue el significado de los siguientes términos:
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Tarea 1. Investigue el significado de los siguientes términos:
Nota: Toda tarea debe subirse a blackboard en un solo archivo cuyo nombre sea:
No de matricula – Tarea No
Ejemplo: 13256 Tarea 1
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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Se explora la cinemática y la dinámica de maquinaria con respecto a la síntesis de mecanismos para lograr los movimientos o tareas requeridas, así como el análisis de mecanismos para determinar su comportamiento dinámico de cuerpo rígido.
Estos temas son fundamentales en el tema más amplio de diseño de máquinas. Sobre la premisa de que no se puede analizar algo hasta que sea sintetizado dentro de su existencia, primero se explorará el tema de síntesis de mecanismos.
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Se explora la cinemática y la dinámica de maquinaria con respecto a la síntesis de mecanismos para lograr los movimientos o tareas requeridas, así como el análisis de mecanismos para determinar su comportamiento dinámico de cuerpo rígido.
Estos temas son fundamentales en el tema más amplio de diseño de máquinas.
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Un mecanismo es un sistema de elementos acomodados para transmitir movimiento de una forma predeterminada.
Por lo general desarrolla fuerzas muy bajas y transmite poca potencia.
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Una máquina, en general, contiene mecanismos que están diseñados para producir y transmitir fuerzas significativas.
Transmite movimiento y energia de forma determinada.
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No existe una clara línea divisoria entre mecanismos y máquinas. Difieren en su grado y no en su clase.
Si las fuerzas o niveles de energía en el dispositivo son significativos, se considerará como una máquina; si no es así, será considerado como un mecanismo.
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Ejemplos de mecanismos pueden ser un sacapuntas, un obturador de cámara fotográfica, un reloj análogo, una silla plegable, una lámpara de escritorio ajustable y un paraguas.
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Ejemplos de máquinas un procesador de alimentos, la puerta de la bóveda de un banco, la transmisión de un automóvil, una niveladora, un robot y un juego mecánico de un parque de diversiones.
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Cuerpo rígido
Un cuerpo rígido es teóricamente un cuerpo sólido de tamaño finito, en el que las deformaciones originadas por cualquier carga, son despreciables, de manera que la distancia entre dos puntos cualquiera en el mismo, es siempre una constante.
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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.
La traslación y rotación representan movimientos independientes del cuerpo. Cada uno puede presentarse sin el otro.
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Para simplificar, se limitará este análisis al caso de sistemas cinemáticos planos (2-D). Para este propósito, se definirán estos términos en movimiento plano como sigue:
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.
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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.
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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.
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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.
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Los eslabonamientos son los bloques de construcción básicos de todos los mecanismos.
Los eslabonamientos se componen de eslabones y juntas.
Un eslabón, es un cuerpo rígido (supuesto) que posee por lo menos dos nodos que son puntos de unión con otros eslabones.
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Un eslabón es un cuerpo rígido (supuesto) que posee por lo menos dos nodos que son puntos de unión con otros eslabones.
Eslabón binario el que tiene dos nodos.
Eslabón ternario el que tiene tres nodos.
Eslabón cuaternario el que tiene cuatro nodos.
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Otra clasificación de los mecanismos tiene que ver con el tipo de movimiento que representan. Independientemente de la forma del eslabón y(o) la función que desempeñan, estos pueden clasificarse en función del movimiento como:
1. Manivela.
2. Biela.
3. Corredera.
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La manivela es el eslabón que representa el movimiento de rotación alrededor de un nodo fijo; cuando las revoluciones no son completas, entonces específicamente se le conoce como oscilador.
Una corredera es el eslabón que representa el movimiento de translación rectilínea sobre una referencia o guía fija.
La biela representa el movimiento donde todos los nodos se encuentran en movimiento.
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Considérense los componentes del motor de combustión interna. Este mecanismo convierte el movimiento reci- procante (rectilíneo) del pistón en un movimiento circular del cigüeñal. En términos cinemáticos, los eslabones son la corredera, que representa al pistón, la manivela, que representa al cigüeñal, y la biela.
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Considérese el mecanismo utilizado en máquinas de costura.
En este caso, el mecanismo convierte el tipo de movimiento circular de la manivela en uno lineal, correspondiente a la base de la aguja, mediante un elemento intermedio llamado biela.
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Máquinas de costura antiguas para impulsar el disco excéntrico. En este mecanismo, la palanca utilizada como elemento impulsor es una manivela, específicamente un oscilador, el disco excéntrico es una manivela, mientras que el elemento que une estos dos eslabones es una biela.
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Una junta es una conexión entre dos o más eslabones (en sus nodos), la cual permite algún movimiento, o movimiento potencial, entre los eslabones conectados.
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Las juntas (también llamadas pares cinemáticos) se pueden clasificar de varias maneras:
1 Por el tipo de contacto entre los elementos, de línea, de punto o de superficie.
2 Por el número de grados de libertad permitidos en la junta.
3 Por el tipo de cierre físico de la junta: cerrada por fuerza o por forma.
4 Por el número de eslabones unidos (orden de la junta).
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Clasificación de acuerdo al tipo de contacto:
Pares inferiores
Aquellos en los que el contacto de unión entre los dos cuerpos ocurre a través de una superficie.
Pares superiores
Aquellos en los que el contacto se realiza a través de un punto o una línea.
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Los seis pares cinemáticos inferiores
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Ejemplos de pares superiores
Tienen contacto a través de un punto o una línea.
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Ejemplos de pares superiores
Tienen contacto a través de un punto o una línea.
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Tipos de juntas por grados de libertad
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Junta Revoluta (R)
1 GDL, solo movimiento de rotacion
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Junta prismática (P)
1 GDL solo movimiento traslación o deslizamiento entre los eslabones.
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Junta prismática (P)
1 GDL solo movimiento traslación o deslizamiento entre los eslabones.
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Junta helicoidal/helical (H)
1 GDL, solo movimiento rotación
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Junta cilíndrica (C)
2 GDL, traslación y rotación
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Junta esférica (S)
3 GDL, solo rotación
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Junta plana (p)
3 GDL, 2 movimientos traslación y 1 de rotación
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En equipos, seleccionen un producto o sistema mecánico que de acuerdo a los conceptos vistos en el curso pueda ser considerado mecanismo y uno que pueda ser considerado una máquina.
Deberá generarse una presentación y subirse a actividad correspondiente de blackboard.
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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En equipos, seleccionen un producto o sistema mecánico que de acuerdo a los conceptos vistos en el curso pueda ser considerado mecanismo y uno que pueda ser considerado una máquina.
Deberá generarse una presentación y subirse a actividad correspondiente de blackboard.
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Las juntas (también llamadas pares cinemáticos) se pueden clasificar de varias maneras:
1. Por el tipo de contacto entre los elementos, de línea, de punto o de superficie.
2. Por el número de grados de libertad permitidos en la junta.
3. Por el tipo de cierre físico de la junta: cerrada por fuerza o por forma.
4. Por el número de eslabones unidos (orden de la junta).
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Clasificación de acuerdo al tipo de contacto:
Pares inferiores
Aquellos en los que el contacto de unión entre los dos cuerpos ocurre a través de una superficie.
Pares superiores
Aquellos en los que el contacto se realiza a través de un punto o una línea.
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Tipos de juntas por grados de libertad
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Una junta con cierre de fuerza, un pasador en un semicojinete o una corredera sobre una superficie, requieren alguna fuerza externa para mantenerlas en contacto o cerradas.
Esta fuerza podría ser suministrada por la gravedad, un resorte o cualquier medio externo
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Una junta con cierre de forma se mantiene unida o cerrada por su geometría. Un pasador en un orificio o una corredera en una ranura de dos caras son juntas con cierre de forma.
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El orden de una junta es menor en uno que el número de eslabones unidos.
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Cadena cinemática:
Un ensamble de eslabones y juntas interconectados de modo que produzcan un movimiento controlado en respuesta a un movimiento suministrado.
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Las cadenas cinemáticas, pueden ser abiertas o cerradas.
Un cadena cerrada no tendrá pares o nodos abiertos y puede no tener grados de libertad.
Una cadena abierta siempre tendrá mas de un grado de libertad, por lo que requerirá de tantos motores o servos como grados de libertad tenga.
A una cadena cinemática abierta de dos eslabones binarios y un par se le llama díada.
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Mecanismo:
Una cadena cinemática en la cual por lo menos un eslabón se ha “fijado” o sujetado al marco de referencia (el cual por sí mismo puede estar en movimiento).
Mediante los mecanismos se pretende obtener y controlar movimientos específicos.
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Una cadena cinemática no dispone de un eslabón fijo, pero cuando se selecciona uno de sus elementos como eslabón fijo, entonces forma un mecanismo.
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Mecanismo cerrado: Un mecanismo cerrado no tendrá puntos de fijación abiertos o nodos, y puede tener uno o más grados de libertad. Se forma a partir de una cadena cerrada.
Mecanismo abierto: siempre tendrá más de un grado de libertad, por lo que requiere tantos actuadores (motores) como grados de libertad tenga.
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Ejemplo común de un mecanismo abierto es un robot industrial.
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En general se pueden obtener mecanismos planares y espaciales.
Mecanismo planar es aquel en el que el movimiento de los eslabones es paralelo a un plano de referencia.
En general los únicos pares que pueden utilizarse para construir mecanismos planos son el de revoluta y el prismático.
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Mecanismo espacial es aquel cuyos elementos pueden moverse en las tres dimensiones.
Los otros cuatro pares inferiores conocidos, se utilizan para construir mecanismos espaciales o tridimensionales.
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Una maquina es un mecanismo o conjunto de mecanismos, cuyo propósito es el de transmitir una fuerza desde una fuente, vencer las resistencias que se presenten y realizar un trabajo.
Una maquina es un mecanismo pero un mecanismo puede no ser una maquina.
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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El análisis de mecanismos requiere que se dibujen diagramas cinemáticos claros, simples y esquemáticos de los eslabones y juntas con los que están formados dichos mecanismos.
Un diagrama cinemático es la representación gráfica de un mecanismo mediante elementos simples, como líneas, rectángulos, etcétera, y solo denota la cinemática del mismo.
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Los eslabones reales pueden tener cualquier forma, pero un eslabón “cinemático”, o borde de eslabón, se define como una línea entre juntas que permite el movimiento relativo entre eslabones adyacentes.
Las juntas pueden permitir rotación, traslación o ambos movimientos entre los eslabones unidos. Los movimientos posibles de la junta deben ser claros y obvios en el diagrama cinemático.
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Para elaborar un diagrama cinemático se dispone de los siguientes componentes:
Manivela
Biela
Corredera
Rueda
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Una manivela está representada por una línea dirigida desde la articulación fija hacia el nodo de interés. Como se puede ver, en la figura se representa una manivela de dos y tres nodos.
Una biela tiene una representación similar a una manivela, con la única diferencia de que no tiene articulación fija.
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Una corredera se representa como un elemento rectangular que se desliza sobre una superficie fija.
Una rueda, aunque es un elemento con movimiento circular alrededor de un nodo fijo, no se considera como manivela, ya que la transmisión del movimiento no es por revoluta sino por contacto directo.
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La figura es de una máquina que se usa para cortar y ajustar tableros de circuitos electrónicos impresos. Elabore un diagrama cinemático
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1. Identifique la bancada.
El primer paso en la elaboración de un diagrama cinemático es decidir la parte que se diseñará como la bancada. El movimiento de todos los demás eslabones se determinará en relación con la bancada.
En algunos casos, la selección es evidente porque la bancada está firmemente sujeta en el suelo.
La base grande atornillada a la mesa se designa como la bancada.
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2. Identifique todos los demás eslabones
Una observación cuidadosa revela otras tres partes que se mueven:
Eslabón 2: Mango
Eslabón 3: Cuchilla cortante
Eslabón 4: Barra que conecta la cuchilla con el mango.
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3. Identifique las uniones
Se utilizan pernos para unir el eslabón 1 al 2, el eslabón 2 al 3 y el eslabón 3 al 4. Tales uniones se identifican con las letras A a C.
Además, el cortador se desliza hacia arriba y hacia abajo, a lo largo de la base. Esta unión de corredera conecta el eslabón 4 con el 1 y se identifica con la letra D.
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4. Identifique los puntos de interés.
Por último, se desea conocer el movimiento en el extremo del mango, que se identifica como el punto de interés X.
5. Elabore el digrama cinemático
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En equipos, seleccionen un producto o sistema mecánico que de acuerdo a los conceptos vistos en el curso pueda ser considerado mecanismo y uno que pueda ser considerado una máquina.
Deberá generarse una presentación y subirse a actividad correspondiente de blackboard.
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Considérese los siguientes mecanismos y elabore su diagrama cinemático:
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Ante el hecho de que las representaciones cinemáticas permiten representar cualquier mecanismo de n barras en una forma simple, los mecanismos se pueden clasificar en familias que representan los componentes principales de su movilidad.
1. Mecanismos de barras articuladas
2. Mecanismos de contacto directo
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Aun cuando los mecanismos de combustión interna y la máquina de costura de la parecen no tener nada en común, en términos cinemáticos son lo mismo, ya que ambos están formados por los eslabones de manivela- biela-corredera; por tanto, una representación única de ambos mecanismos y otros similares se puede observar en la figura
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En la figura se puede ver el conocido mecanismo manivela-corredera, o bien como RRRP, ya que las articulaciones O2, A y B y el contacto deslizante de la corredera 4 son Revoluta, Revoluta, Revoluta y Prisma, respectivamente.
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Los nodos móviles son asignados mediante una letra y los nodos fijos por la letra O (de origen) y un número (el correspondiente al número del eslabón que articula). Los eslabones se enumeran a partir del 2, ya que el número 1 se reserva al elemento fijo.
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Mecanismo que impulsa una bomba de agua manual
Slider-crank kinematic diagram
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Tutorial
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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El movimiento absoluto se mide con respecto a una bancada estacionaria.
El movimiento relativo de un punto o un eslabón se mide con respecto a otro eslabón.
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Cuando se seleccionan diferentes eslabones como bancada, no se altera el movimiento relativo de los eslabones sin embargo, el movimiento absoluto puede ser significativamente diferente.
El uso de eslabones alternos como eslabones fijos se conoce como inversión cinemática.
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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
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El número de entradas que se necesita proporcionar para crear una salida predecible.
El número de coordenadas independientes requerido para definir su posición.
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Para determinar el GDL global de cualquier mecanismo, se debe considerar el número de eslabones, así como las juntas y las interacciones entre ellos.
El GDL de cualquier ensamble de eslabones se puede pronosticar con una investigación de la condición de Gruebler
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Este razonamiento lleva a la ecuación de Gruebler
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Hay que observar que en cualquier mecanismo real, aun cuando mas de un eslabon de la cadena cinematica este conectado a tierra, el efecto neto sera crear un eslabon conectado a tierra de mayor orden y mas grande, ya que solo puede haber un plano de tierra. Por lo tanto, G siempre es uno y la ecuacion de Gruebler se convierte en :
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El valor de J en las ecuaciones debe reflejar el valor de todas las juntas en el mecanismo. Esto es, las semijuntas cuentan como 1/2 porque solo eliminan un GDL. Esto es menos confuso si se utiliza la modificacion de Kutzbachh de la ecuacion de Gruebler en esta foroma:
J1 (pernos o correderas) J2 (levas o engranes)
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El numero de grados de libertad del eslabonamiento o movilidad(M)
Se puede definir como el numero de actuadores necesarios para operar el mecanismo.
Un mecanismo actuador podría ser el movimiento manual de un eslabón hacia otra posición, la conexión de un motor al eje de un eslabón o el empuje del pistón de un cilindro hidráulico.
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Un grado de libertad
M=1
Mecanismo bloqueado M=1
Múltiples grados de libertad
M=2
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Considérese los siguientes mecanismos y elabore su diagrama cinemático:
Determinar su movilidad
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Considérese los siguientes mecanismos y elabore su diagrama cinemático:
Determinar su movilidad
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Síntesis el proceso de desarrollar un mecanismo a partir de un conjunto de requerimientos de desempeño
El análisis asegura que el mecanismo exhibirá movimiento que lograra el conjunto de requerimientos.
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El término síntesis de número significa la determinación del número y orden de eslabones y juntas necesarios para producir movimiento de un GDL en particular.
En este contexto orden de eslabón se refiere al número de nodos por eslabón, es decir, binario, ternario, cuaternario, etc.
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El valor de síntesis de número permite la exhaustiva determinación de todas las posibles combinaciones de
eslabones que producirán cualquier GDL elegido.
Esto equipa entonces al diseñador con un catálogo
definitivo de eslabonamientos potenciales para resolver una variedad de problemas de control de movimiento.
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Mecanismo cerrado: Un mecanismo cerrado no tendrá puntos de fijación abiertos o nodos, y puede tener uno o más grados de libertad. Se forma a partir de una cadena cerrada.
Mecanismo abierto: siempre tendrá más de un grado de libertad, por lo que requiere tantos actuadores (motores) como grados de libertad tenga.
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Un eslabón es un cuerpo rígido (supuesto) que posee por lo menos dos nodos que son puntos de unión con otros eslabones.
Eslabón binario el que tiene dos nodos.
Eslabón ternario el que tiene tres nodos.
Eslabón cuaternario el que tiene cuatro nodos.
No aplicable a bancada de mecanismos abiertos
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Un eslabón es un cuerpo rígido (supuesto) que posee movimiento relativo respecto a otro cuerpo rígido.
Eslabón unitario el que tiene un nodo.
Eslabón binario el que tiene dos nodos.
Eslabón ternario el que tiene tres nodos.
Eslabón cuaternario el que tiene cuatro nodos.
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Una junta es una conexión entre dos o más eslabones (en sus nodos), la cual permite algún movimiento relativo, o movimiento potencial, entre los eslabones conectados.
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Junta Revoluta (R)
1 GDL, solo movimiento de rotacion
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Junta prismática (P)
1 GDL solo movimiento traslación o deslizamiento entre los eslabones.
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El valor de J en las ecuaciones debe reflejar el valor de todas las juntas en el mecanismo. Esto es, las semijuntas cuentan como 1/2 porque solo eliminan un GDL. Esto es menos confuso si se utiliza la modificacion de Kutzbachh de la ecuacion de Gruebler en esta foroma:
J1 (pernos o correderas) J2 (levas o engranes)
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La movilidad es una propiedad extremadamente importante de un mecanismo ya que brinda información acerca del número de actuadores requeridos para operar un mecanismo.
Uniones coincidentes
Físicamente utilizamos un perno, por definición, una unión de perno conecta dos eslabones, se modela como dos uniones separadas.
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Uniones coincidentes
Físicamente utilizamos un perno, por definición, una unión de perno conecta dos eslabones, se modela como dos uniones separadas.
Una unión juntaría el primer y segundo, la segunda unión juntaría el segundo y tercer eslabón
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Uniones coincidentes
Físicamente utilizamos un perno, por definición, una unión de perno conecta dos eslabones, se modela como dos uniones separadas.
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Mecanismo
Existen solo tres posibilidades. Si el GDL es positivo, será un mecanismo, y los eslabones tendrán movimiento relativo.
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Estructura
Si el GDL es exactamente cero, entonces se tendrá una estructura, lo que significa que ningún movimiento es posible.
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Estructura precargada
Si el GDL es negativo, entonces se tendrá una estructura precargada, lo que significa que no será posible ningún movimiento y que algunos esfuerzos también pueden estar presentes en el momento del ensamble.
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La ecuacion de Gruebler no toma en cuenta la geometria de los eslabones, en raras ocasiones esto causa resultados erroneos.
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El eslabonamiento de la izquierda tiene cinco eslabones y seis uniones de perno, lo que nos diría cero grados de libertad. Sin embargo seria capaz de moverse con un grado de libertad. El eslabón central es redundante.
Hay varios ejemplos de mecanismos que transgreden la ecuación debido a su geometría única.
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Considérese los siguientes mecanismos y elabore su diagrama cinemático:
Determinar su movilidad
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En equipos, seleccionen un producto o sistema mecánico que de acuerdo a los conceptos vistos en el curso pueda ser considerado mecanismo y uno que pueda ser considerado una máquina.
Deberá generarse una presentación y subirse a actividad correspondiente de blackboard.
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El eslabonamiento más simple y más comun es el de cuatro barras. Una combinación de cuatro eslabones, uno designado como la bancada y conectado por cuatro uniones de perno.
Se muestra como referencia el mecanismo de un limpiador para el cristal.
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Al considerar que se encuentra integrado por cuatro barras, cuatro uniones de perno y un eslabón esta impedido para moverse.
La movilidad de un mecanismo de cuatro barras se calcula de la siguiente manera:
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Como el mecanismo de cuatro barras tiene un grado de libertad, está restringido a un solo actuador o es totalmente operado por este.
El sistema del limpiador es activado por un motor eléctrico de corriente continua.
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El eslabón impedido se elige como la bancada.
El eslabón pivote conectado al impulsor o a la fuente de potencia se conoce como eslabón de entrada.
El otro eslabón pivote, sujeto a la bancada, se designa como eslabón de salida o seguidor.
El acoplador o brazo conector "acopla" el movimiento de entrada con el del eslabón de salida.
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La condición de Grashof es una relación muy simple que predice el comportamiento de rotación o rotabilidad de las inversiones de un eslabonamiento de cuatro barras basado sólo en las longitudes de los eslabones.
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La siguiente nomenclatura se utiliza para describir la longitud de los cuatro eslabones.
s=longitud del eslabón más corto
l=longitud del eslabón más largo
p=longitud de uno de los eslabones de longitud intermedia
q=longitud del otro eslabón de longitud intermedia
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El teorema de Grashof establece que un mecanismo de cuatro barras tiene al menos un eslabón giratorio si:
s+l <= p+q
Los mecanismos que cumplen con esta condición son denominados mecanismos de Grashof
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Mecanismos de 4 barras clase I: s+l < p+q
Manivela - Balancín, Doble Manivela, Doble Balancín
Mecanismos de 4 barras clase III: s+l = p+q
Doble-Manivela o Manivela-Balancín.
Puntos de cambio/puntos muertos.
cuando todos los eslabones se vuelven colineales, se volverá indeterminado. “configuraciones inciertas”
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Mecanismos de 4 barras clase II, los tres eslabones que no están fijos solamente oscilarán si:
s+l>p+q
Los mecanismos que cumplen con esta condición no son denominados mecanismos de Grashof
Todas las inversiones obtendrán mecanismo de Doble balancín.
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Los mecanismos de cuatro barras caen en una de las cinco categorias listadas en la tabla
bancada
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bancada
Las cinco categorías se muestran en los siguientes diagramas cinemáticos
Doble manivela
Doble balancín
Triple balancín
Doble manivela- Punto de cambio
Manivela-balancín
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Las cinco categorías se muestran en los siguientes diagramas cinemáticos
Manivela-balancín
Doble manivela
Doble balancín
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El eslabón mas corto, esta opuesto al configurado como la bancada. En esta configuración, ningún eslabón conectado a la bancada podrá completar una revolución. Solamente oscilara entre ciertos limites.
El acoplador si completa una revolución.
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El eslabón mas corto del mecanismo de cuatro barras es configurado como la bancada.
Si uno de los eslabones pivote gira continuamente, el otro eslabón pivote también girará continuamente.
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La suma de dos lados es la misma que la suma de los otros dos. El tipo mas familiar del mecanismo es el eslabonamiento que forma un paralelogramo. Los cuatro eslabones se traslaparan entre si
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No tiene eslabones que logren completar una revolución completa, de modo que los tres eslabones móviles se balancean
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El eslabón mas corto gira continuamente, el eslabón de salida oscilara entre unos limites
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Para los mecanismos manivela balancín y doble balancín realizar los siguientes pasos:
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Considérese los siguientes mecanismos y elabore su diagrama cinemático:
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Considérese los siguientes mecanismos y elabore su diagrama cinemático:
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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Para los mecanismos manivela balancín y doble balancín realizar los siguientes pasos:
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En equipos, seleccionen un producto o sistema mecánico que de acuerdo a los conceptos vistos en el curso pueda ser considerado:
Mecanismo de cuatro barras
Máquina con mecanismo de 4 barras
Deberá generarse una presentación y subirse a actividad correspondiente de blackboard.
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En muchos mecanismos, el proposito del analisis es determinar unicamente la ubicacion de todos los eslabones conforme el (los) eslabon(es) impulsor(es) del mecanismo se mueve(n) hacia otra posición.
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Para integrar el "clamp" a una maquina, es esencial entender el movimiento de los eslabones, asimismo debemos considerar las tolerancias de otros componentes en la maquinaria.
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La posición se refiere a la ubicación de un objeto.
Estudiaremos la posición de puntos de interés y eslabones.
La posición de un punto sobre un mecanismo es la ubicación espacial de ese punto, que se define con un vector de posición, R, el cual se extiende de un origen de referencia a la ubicación del punto.
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Al igual que todos los vectores, la posición en un plano se especifica con la distancia desde el origen (magnitud vectorial) y el angulo a partir de un eje de referencia (orientación).
Un vector bidimensional tiene dos atributos, los cuales pueden expresarse en coordenadas polares o cartesianas.
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El desplazamiento de un punto es el cambio en su posición y se define como la distancia en línea recta entre la posición inicial y final de un punto que se ha movido en el marco de referencia.
Observe que el desplazamiento no es necesariamente el mismo que la longitud de la trayectoria que el punto pueda haber recorrido de su posición inicial a la final.
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La fi gura muestra un punto en dos posiciones, A y B. La línea curva ilustra la trayectoria a lo largo de la cual viajó el punto.
El vector de posición RBA define el desplazamiento del punto B con respecto al punto A.
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Se utilizará la notación R para denotar un vector de posición. Los vectores RA y RB definen, respectivamente, las posiciones absolutas de los puntos A y B con respecto a este marco de referencia global XY.
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El vector RBA denota la diferencia de posición, o el desplazamiento, entre A y B. Éste se puede expresar como la ecuación de diferencia de posición
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Esta expresión se lee: La posición de B con respecto a A es igual a la posición (absoluta) de B menos la posición (absoluta) de A, donde absoluta significa con respecto al origen del marco de referencia global.
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La posición angular de un eslabón tambien es una magnitud importante, se define como el ángulo que forma una línea entre dos puntos del eslabón con un eje de referencia.
En la figura, la linea MN queda sobre el eslabón 4. La posición angular del eslabón 4 se denota con θ4 (angulo entre eje x y la linea MN).
Medido en contra de las
manecillas del reloj(+).
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Los métodos gráficos para el análisis de posición y desplazamiento en mecanismos constituyen una excelente herramienta en el estudio cinemático, debido a que presentan un panorama muy claro de su funcionamiento.
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Para cualquier mecanismo con un GDL, tal como uno de cuatro barras, se requiere sólo un parámetro para definir por completo las posiciones de todos los eslabones. El parámetro usualmente elegido es el ángulo de eslabón de entrada.
El análisis gráfico de este problema es trivial y puede realizarse sólo con geometría de alta escuela.
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Si se dibuja el mecanismo de manera cuidadosa a escala, con una regla, compás y transportador en una posición particular (dado θ2), entonces sólo es necesario medir los ángulos de los eslabones 3 y 4 con el transportador.
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Obsérvese que todos los ángulos de los eslabones se miden con respecto a un eje X positivo.
Se creó una sistema de ejes xy local, paralelo al sistema XY global, en el punto A para medir θ3.
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El análisis de posición consiste en lo siguiente:
Dadas las longitudes de sus eslabones y la ubicación de sus pivotes, determine la posición de cada uno de los eslabones en función de la posición de entrada.
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Considerese el mecanismo de 4 barras, cuyas longitudes son
Determinar la posición de los eslabones si
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Primero se establecen las posiciones de las articulaciones O2 y O4, para lo cual se utiliza l1 y θ1=0
Enseguida se trazan las circunferencias relacionadas con las trayectorias de las manivelas de entrada y salida.
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Al ubicarse en el nodo de entrada correspondiente a 110 de la posición de la manivela de entrada, se traza una circunferencia de la longitud I3=10cm.
La intersección indica dos soluciones existentes, conocidas como solución abierta y solución cerrada, se debe escoger la correcta al tener el conocimiento de la posición ultima anterior.
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Se selecciona la solución 1 y con esto se tiene la solución para la posición del mecanismo.
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la construcción de la solución gráfica de posición. Se dan las cuatro longitudes de los eslabones a,b,c,d y el ángulo θ2 del eslabón de entrada
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Primero, se dibuja la bancada (1) y el eslabón de entrada (2) a una escala conveniente, de modo que se corten en el origen O2 del sistema de coordenadas XY global con el eslabón 2 colocado en el ángulo de entrada θ2.
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Por conveniencia, el eslabón 1 se dibuja a lo largo del eje X. El compás se abre a la longitud a escala del eslabón 3 y se traza un arco de ese radio en torno al extremo del eslabón 2 (punto A).
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Se abre el compás a la longitud a escala del eslabón 4 y se traza un segundo arco en torno al extremo del eslabón 1 (punto O4).
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Estos dos arcos tendrán dos intersecciones en B y B′ que definen las dos soluciones al problema de posición de un mecanismo de cuatro barras, el cual puede ensamblarse
en dos configuraciones llamadas circuitos, designados como abierto y cruzado.
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Los ángulos de los eslabones 3 y 4 se miden con un transportador. Un circuito tiene los ángulos θ3 y θ4, el otro θ3' y θ4'. Una solución gráfica sólo es válida para el valor particular del ángulo de entrada utilizado.
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Para cada análisis de posición adicional habrá que volver a dibujar por completo (tedioso al incrementar 1 o 2 grados)
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Identificar los ángulos θ3 y θ4 para el mecanismo mostrado en la imagen dado los siguientes datos:
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Identificar los ángulos θ3 y θ4 para el mecanismo mostrado en la imagen dado los siguientes datos:
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Considérese el mecanismo RRRP de la figura.
Si la manivela de entrada se encuentra posicionada a un ángulo de 40°, determinar la posición del nodo B de la corredera.
La barra 2 tiene una longitud de 3.0 cm y la barra 3 una de 7.76 cm.
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Para obtener una nueva configuración en un mecanismo, es necesario reubicar los eslabones en sus nuevas posiciones y considerar las trayectorias restringidas de los eslabones unidos a las bancadas.
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En la figura se muestra un diagrama cinemático impulsado pro el movimiento del eslabón 2. Reposicione gráficamente los eslabones del mecanismo, conforme el eslabón 2 se desplaza 30 en sentido anti-horario.
Determine el desplazamiento angular resultante del eslabón 4 y el desplazamiento lineal del punto E.
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En la figura se muestra un diagrama cinemático impulsado pro el movimiento del eslabón 2. Reposicione gráficamente los eslabones del mecanismo, conforme el eslabón 2 se desplaza 30 en sentido anti-horario. Determine el desplazamiento angular resultante del eslabón 4 y el desplazamiento lineal del punto E.
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Cuando se requieren grandes fuerzas de corte, se usan con frecuencia unas tijeras de palanca de hojalatero como las mostradas en la figura. Con el uso del mango superior como bancada, reposicione gráficamente las componentes de las tijeras cuando la mordaza se abre 15. Determine el desplazamiento resultante del mango inferior.
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El mecanismo que se representa en la figura corresponde a un proceso de corte; en este mecanismo, el pistón de corte contiene una cuchilla que efectúa el trabajo de corte. Para las dimensiones dadas y la posición de la manivela, determina la posición vertical de la corredera mediante el método gráfico.
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1.1 Conceptos básicos.
1.2 Transmisión del movimiento.
1.3 Mecanismos de 4 barras.
1.4 Ley de Grashoff.
1.5 Velocidad angular de miembros en contacto directo.
1.6 Aplicaciones del mecanismo de 4 barras.
1.7 Análisis de posición de mecanismos
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El análisis de velocidad y aceleración en mecanismos articulados requiere un estudio detallado, muy diferente al que se hace con las partículas
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Velocidad se define como la magnitud del cambio de la posición con respecto al tiempo.
Aceleración es el cambio en la magnitud de la velocidad respecto al tiempo.
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El análisis de velocidad en los elementos de un mecanismo radica principalmente en comprender la relación vectorial que existe entre la velocidad de rotación en un eslabón y la velocidad tangencial en cada uno de sus nodos de articulación.
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Para dejar en claro lo anterior, considérese el mecanismo manivela-corredera de la figura, el cual dispone de una manivela 2, con un movimiento de rotación alrededor del nodo O2.
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Por su parte, el nodo A transmite el movimiento del eslabón 2 al eslabón 3 y tiene una trayectoria circular, mientras que el nodo B transmite el movimiento del eslabón 3 al 4, al tiempo que, debido a que forma parte de la corredera 4, tiene una trayectoria rectilínea.
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Como primer paso del análisis cinemático de mecanismos se establecen las ecuaciones de velocidad aislando cada elemento, en las cuales el cambio de posición se expresa como un vector desplazamiento Δr
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La velocidad angular, o de rotación, puede presentarse en los eslabones con movimiento de rotación alrededor de un punto.
La velocidad angular promedio e instantánea se define como:
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La velocidad tangencial se encuentra en los nodos de un eslabón y es tangente a la trayectoria generada por el nodo durante el movimiento.
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Cuando un eslabón tiene movimiento de rotación, como en el caso de la figura a), cada nodo del eslabón experimenta un desplazamiento lineal, que se denota por ΔrA, el cual, después de ser dividido por el lapso de tiempo, proporciona la velocidad de desplazamiento, o velocidad tangencial (VT ):
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Relación entre velocidad tangencial y angular
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En los eslabones que tienen movimiento de rotación existe una relación entre la velocidad angular del eslabón (ω) y la velocidad lineal de algún nodo del eslabón (V), conocida como velocidad tangencial. Si la longitud de arco en una circunferencia es s=rθ, entonces para pequeños desplazamientos del nodo A de la manivela se tiene ds=rAdθ; por tanto:
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Así, se establece una relación entre la magnitud de la velocidad lineal de un nodo VTA con la velocidad de rotación (ω) y el radio de giro (rA), siempre y cuando no cambie la magnitud del radio de giro.
Relación entre velocidad tangencial y angular
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Tanto la posición de un mecanismo como la velocidad tangencial de uno de sus nodos son cantidades vectoriales, y como vector la velocidad tangencial es perpendicular al radio de giro, cuyo sentido depende del movimiento del eslabón.
Relación entre velocidad tangencial y angular
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Considérese ahora el caso de un sólido rígido que tiene un movimiento de translación rectilínea, como el de la figura. Cada partícula de un sólido rígido tiene los mismos desplazamientos; además, debido a que las trayectorias entre dos nodos del mismo eslabón son siempre paralelas, la velocidad en cada partícula siempre es lineal e idéntica, la cual se conoce como velocidad rectilínea o lineal VL y se define como:
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Vectorialmente, la dirección de la velocidad rectilínea VL es paralela al movimiento de la corredera en el sentido de esta, como se muestra en la figura
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Tanto la velocidad tangencial como la velocidad rectilínea se conocen como velocidades absolutas, ya que ambas se miden desde un marco de referencia fijo.
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Asimismo, existe otro tipo de velocidad, conocida como velocidad relativa, vector que se mide tomando como origen un nodo del sólido rígido que se encuentra en movimiento.
Un ejemplo de estas velocidades lo constituyen las bielas, debido a que en este eslabón todos sus nodos están en movimiento.
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Para el análisis de velocidad relativa considérese un observador que está situado en el nodo A de un sólido rígido, el cual desea determinar la velocidad de otro nodo, al que se denomina nodo B.
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Con base en lo anterior, ¿cómo es el desplazamiento del nodo B visto desde A, es decir, (ΔrB/A)? Entonces, para hallar la velocidad se fija el nodo A y se trazan ambas posiciones relativas (ΔrB1/A1 y ΔrB2 /A2), como se muestra en la figura.
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De lo anterior puede deducirse que, en términos generales, las trayectorias de los nodos A y B son des- conocidas, ya que dependen del eslabón al cual habrán de articularse.
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Sin embargo, independientemente de las trayectorias absolutas de A y B, la trayectoria relativa de B vista desde A es siempre conocida y circular, por lo que la velocidad relativa (VB/A) puede determinarse mediante la ecuación:
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Como la trayectoria relativa de dos puntos de una misma barra siempre es circular, entonces la dirección de la velocidad relativa es perpendicular al radio de giro como dirección.
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Al considerar dos puntos p y q de cualquier eslabón rígido en un mecanismo, la ecuación de velocidad entre dichos puntos quedará determinada de la siguiente manera:
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Si la ecuación fuera algebraica, entonces se requerirían dos datos (de tres) para su solución, pero como es una ecuación vectorial que posee magnitud y dirección por vector, entonces se requiere de cuatro datos (de seis) para su solución.
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Las velocidades Vp y Vq se conocen como velocidades absolutas, y su magnitud y dirección dependen de los eslabones a los que se encuentran articulados.
Por otra parte, la velocidad relativa (Vp/q) puede calcularse mediante la expresión Vp/q=(ωp/q)(rp/q), ya que siempre es de trayectoria circular y, por tanto, perpendicular al radio de giro rp/q.
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1. Identificar el dato conocido de velocidad, ya sea velocidad angular (por parte de un eslabón) o velocidad tangencial (por parte de un nodo).
2. Si se conoce la velocidad angular de un eslabón, establecer ecuaciones de puntos de la misma barra p y q que pertenezcan al mismo eslabón mediante:
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3. La ecuación vectorial tendrá solución si se tienen como máximo dos incógnitas. Si se tienen más incógnitas, deberá establecerse otra ecuación que relacione el punto de interés con otro nodo del eslabón, del cual por lo menos se conozca su trayectoria.
Las incógnitas pueden ser la magnitud y(o) la dirección por cada vector; si la trayectoria del nodo es circular o rectilínea, entonces se dice que es conocida; de ser circular, será perpendicular al radio de giro; y si es rectilínea, será paralela a la línea de desplazamiento.
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4. Se tiene un caso específico cuando se plantea la ecuación de velocidad de dos puntos de la misma barra en una manivela, ya que la velocidad en uno de sus nodos (Vp) es igual a la velocidad relativa del nodo vista desde el pivote Ox (Vp/Ox), el cual al estar siempre fijo es de magnitud nula:
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5. Resolver las ecuaciones vectoriales en el orden permitido. Una ecuación vectorial contiene vectores representados por magnitud y dirección, y tendrá solución solo si se tienen dos incógnitas.
Para la solución de la ecuación vectorial se pueden presentar dos opciones, como se muestra en la siguiente tabla
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El mecanismo de la figura representa el diagrama cinemático de un mecanismo manivela-oscilador. La manivela 2 se mueve a una velocidad constante de 5 rad/s, cmr (en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj).
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Determinar la velocidad del centro de gravedad G de la biela 3 mediante el uso del método gráfico del polígono de velocidad.
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La barra AB del mecanismo de cuatro articulaciones de la figura gira con una velocidad angular w1 de 9 rad/s en sentido antihorario. Determine las velocidades angulares w2 y w3 de las barras BC y CD, en la posición mostrada