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DISEÑO DE MECANISMOS
temas del curso:Relaciones de Posicion AvanzadasRelacion de Posicion MecanicasMechanical MatesCalculo & diseño de EngranajesCalculos de Rodamientos
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Modulo SOLIDWORKS |
DESCRIPCION Y APLICACION |
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Gear |
Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona' y la menor 'piñón'. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. MAS INFO |
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cam / leva |
En ingeniería mecánica, una leva es un elemento mecánico hecho de algún material (madera, metal, plástico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores, de traslación y de rotación. El diseño de una leva depende del tipo de movimiento que se desea imprimir en el seguidor (FOLLOWER). Como ejemplos se tienen el árbol de levas del motor de combustión interna, el programador de lavadoras, etc. |
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El mecanismo piñón-cremallera tiene por finalidad la transformación de un movimiento de rotación o circular (piñón) en un movimiento rectilíneo (cremallera) o viceversa. Este mecanismo como su mismo nombre indica está formado por dos elementos componentes que son el piñón y la cremallera.
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screw / tornillo |
Se emplea en la conversión de un movimiento giratorio en uno lineal continuo cuando sea necesaria una fuerza de apriete o una desmultiplicación muy grandes. Esta utilidad es especialmente apreciada en dos aplicaciones prácticas:
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El mecanismo de biela - manivela es un mecanismo que transforma un movimiento circular en un movimiento de traslación, o viceversa. El ejemplo actual más común se encuentra en el motor de combustión interna de un automóvil, en el cual el movimiento lineal del pistón producido por la explosión de la gasolina se trasmite a la biela y se convierte en movimiento circular en el cigüeñal. |
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cigüeñal
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Un cigüeñal es un eje acodado, con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela - manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio y viceversa. El extremo de la biela opuesta al bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera el par motor instantáneo. El cigueñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos el eje del motor. Normalmente se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante. Hay diferentes tipos de cigüeñales; Los hay que tienen un apoyo cada dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla. Por ejemplo para el motor de automóvil más usual, el de cuatro cilindros en línea, los hay de tres apoyos, (hoy ya en desuso) y de cinco apoyos, (lo más corriente). |
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piston / piston |
Se denomina pistón a uno de los elementos básicos del motor de combustión interna. Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos o anillos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido. A través de la articulación de biela y cigüeñal, su movimiento alternativo se transforma en rotativo en este último. Puede formar parte de bombas, compresores y motores. Se construye normalmente en aleación de aluminio. MAS INFO |
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crankshaft -
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Un árbol de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener distintas formas y tamaños y estar orientadas de diferente manera,para activar diferentes mecanismos a intervalos repetitivos, como por ejemplo unas válvulas, es decir constituye un temporizador mecánico cíclico. MAS INFO |
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Hinge MATE/ RELACION DE POSICION Bisagra |
Una bisagra, gozne o pernio es un herraje articulado que posibilita el giro de puertas, ventanas o paneles de muebles. Cuenta con dos piezas, una de las cuales va unida a la hoja y gira sobre un eje permitiendo su movimiento circular. |
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CHAIN PINION |
Permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes paralelos, pudiendo modificar la velocidad pero no el sentido de giro (no es posible hacer que un eje gire en sentido horario y el otro en el contrario). En las bicicletas se emplean mucho el "cambio de velocidad" compuesto por varias ruedas en el eje del pedal (catalina) y varias en el de la rueda (piñón), lo que permite obtener, modificando la posición de la cadena, entre 15 y 21 velocidades diferentes. |
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GEAR DESIGN |
CLASIFICACIÓN Los engranes se clasifican en tres grupos: Engranajes Cilíndricos (para ejes paralelos y que se cruzan) Engranajes Cónicos (para ejes que se cortan y que se cruzan) Tornillo sin fin y rueda helicoidal (para ejes ortogonales) Un par de engranes que trabajan unidos se diseñan a partir de sus círculos primitivos o de paso, estos círculos son siempre tangentes entre sí. El diámetro de estos círculos se obtiene de multiplicar el módulo por la cantidad de dientes. El módulo se define como el tamaño de los dientes y para que dos engranes trabajen juntos deben tener igual módulo |
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ball bearing / rodamientos a bolas |
Un rodamiento, también denominado rulemán, rúleman, rolinera, cojinete, balinera o balero (en México) o rodaje (en Perú) o caja de bolas (en Cuba, Republica Dominicana y Puerto Rico) o también bolillero en Argentina, es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento. MAS INFO |
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universal joint MATE/ RELACION DE POSICION junta universal |
JUNTAS CARDAN O UNIVERSALES. |
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Advanced Mates / Relaciones de Posicion Avanzadas
Restringe un punto seleccionado en un componente a un trayecto
Fuerza dos entidades similares a que sean simétricas con respecto a un plano o a una cara plana
Centra una pestaña dentro de la anchura de una ranura
Establece una relación entre la traslación de un componente y la traslación de otro componente
Permite a los componentes moverse dentro de un rango de valores de relaciones de posición de distancia y ángulo
Fuerza a dos componentes a girar en de forma relativa entre sí sobre los ejes seleccionados
La traslación lineal de una pieza (la cremallera) produce rotación circular en otra pieza (el piñón) y viceversa
Fuerza un cilindro, plano o punto a ser coincidente o tangente a una serie de caras tangentes extruidas
La rotación de un componente (eje de salida) alrededor de su eje se rige por la rotación de otro componente (eje de entrada) alrededor de su correspondiente eje
Restringe dos componentes a que sean concéntricos y agrega una relación de paso de rosca entre la rotación de un componente y la traslación del otro
Limita el movimiento entre dos componentes a un grado de libertad de rotación.
Se puede establecer la condición de alineación de relaciones de posición estándar y avanzadas en el PropertyManager Relación de posición. Las condiciones de alineación para una relación de posición son:
Los vectores normales a las caras seleccionadas apuntan en la misma dirección.
Los vectores normales de las caras seleccionadas apuntan en direcciones opuestas.
Para operaciones cilíndricas, el vector de eje, que no se puede ver o calcular, está alineado o alineado inversamente
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SOLIDWORKS MOTION / COSMOSMOTION
DISEÑO MECANICO 3D ANIMADO
SolidWorks® Motion es un Software Robusto de simulación y análisis Cinemático y Dinámico de mecanismos totalmente integrado a SolidWorks y SolidWorks® Simulation Software que permite asegurar el funcionamiento correcto de un diseño antes de su construcción. Muchas empresas construyen costosos prototipos físicos y emplean mucho tiempo en simulaciones y pruebas físicas.
SolidWorks® Motion permite crear un modelo virtual de su sistema mecánico y verificar el correcto funcionamiento del mismo antes de su construcción. Esto significa una reducción importante en el número de prototipos físicos a construir y acelera el ciclo de desarrollo del producto.
SolidWorks® Motion le permite entender el funcionamiento de su diseño sin necesidad de crear ningún prototipo físico, todo dentro del familiar entorno de SolidWorks. En primer lugar se definen las restricciones de movimiento, contactos, fuerzas y actuadores. Y seguidamente se calcula el movimiento del mecanismo. Finalmente, se revisa el movimiento del mecanismo mediante animaciones, gráficos y curvas X-Y, verificación de interferencias, etc.. y así dimensionar motores y actuadores, calcular el gasto de potencia, definir uniones, entender el funcionamiento de levas y engranajes, dimensionar muelles y amortiguadores, determinar el contacto entre piezas del mecanismo, y finalmente obtener las fuerzas de inercia y reacciones entre componentes que serán cargas listas para introducir automáticamente en el Análisis por Elementos Finitos con SolidWorks® Simulation de las distintas piezas del mecanismo.
ESTUDIO DE MOVIMIENTO
Un “Estudio de movimiento” es una simulación gráfica de movimiento para modelos de ensamblaje. Puede incorporar en un estudio de movimiento propiedades visuales, como iluminación y perspectiva de cámara. Los estudios de movimiento no modifican un modelo de ensamblaje ni sus propiedades sino que simulan y animan el movimiento prescrito para un modelo. Puede utilizar relaciones de posición de “SolidWorks” para restringir el movimiento de componentes en un ensamblaje al modelar movimiento.
MOVIMIENTO BASICO
ANALISIS DE MOVIMIENTO
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MOTORES
Un motor es un elemento presente en un estudio de movimiento que mueve componentes en un ensamblaje simulando los efectos que provocaría. En “SolidWorks Motion” hay dos tipos de motores en función del movimiento que se les quiera dar a los componentes: - Motor Rotatorio - Motor Lineal
MOTOR ROTATORIO
Se utiliza para dotar al mecanismo de movimiento rotatorio. En el menú “Motor” se debe seleccionar “Componente/Dirección” de éste, así como el tipo de movimiento. Los tipos de “Movimiento” son: - Velocidad constante. La velocidad del motor es constante. Se escribe el valor de esta velocidad (en rpm). - Distancia. El motor funciona para una distancia establecida que el usuario determina y un tiempo también indicado. Se introducen los valores de Desplazamiento (en grados), Inicio (segundo de inicio) y Duración (en segundos). - Oscilante. Se introducen los valores de Amplitud y Frecuencia para el movimiento deseado. - Interpolado:
o Se selecciona el Valor interpolado (Desplazamiento, Velocidad, Aceleración).
o Se configuran valores para el tiempo y valor de la interpolación.
o Tipo de interpolación (Akima o Cúbica).
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MOTOR LINEAL
Se utiliza para dotar al mecanismo de movimiento lineal. Este tipo de motor, equivale a un actuador, por lo que será muy útil para la simulación de mecanismos en los que hay actuadores hidráulicos, neumáticos o de otro tipo. En el menú “Motor” se debe seleccionar “Componente/Dirección” del “Motor Lineal”, así como el tipo de movimiento. Los tipos de “Movimiento” son: - Velocidad constante. La velocidad del motor es constante. Se escribe el valor de esta velocidad. - Distancia. El motor funciona para una distancia establecida que el usuario determina y un tiempo también indicado. Se introducen los valores de Desplazamiento (en mm.), Inicio (segundo de inicio) y Duración (en segundos). - Oscilante.
Se introducen los valores de Amplitud y Frecuencia para el movimiento deseado. - Interpolado: o Se selecciona el Valor interpolado (Desplazamiento, Velocidad, Aceleración). o Se configuran valores para el tiempo y valor de la interpolación. Tipo de interpolación (Akima o Cúbica). o También se puede cargar desde un archivo (.txt ó .csv) que contenga el tiempo de interpolación y los valores. - Expresión (sólo en “Análisis de movimiento”). Se selecciona la variable para la cual se aplica la expresión de movimiento del motor (Desplazamiento, Velocidad, Aceleración), y se introduce una fórmula siempre y cuando sea compatible.
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Un resorte es un elemento de simulación que mueve componentes alrededor de un ensamblaje aplicando una fuerza a un componente concreto. El desplazamiento originado por un motor prevalece sobre el originado por un resorte. Una constante de resorte más alta mueve un componente más rápidamente que uno con una constante más baja. Hay dos tipos de resorte:
En el menú “Resorte” los “Parámetros” que se deben seleccionar son: - Dos operaciones para puntos extremos del resorte. - El “Exponente” de expresión de fuerza de resorte en función de las expresiones funcionales para resortes. - La “Constante de resorte” en función de las expresiones funcionales para resortes.
- La “Longitud libre”. El resorte no ejerce una fuerza con su longitud es igual a su longitud libre. Seleccione “Actualizar a cambios del modelo” para que la longitud libre se actualice dinámicamente a los cambios del modelo mientras el menú está abierto. En “Amortiguador” los parámetros a introducir son:
- El “Exponente” de expresión de fuerza de amortiguador.
- La “Constante de amortiguamiento”. Puede también visualizar los valores de:
- Diámetro de la espiral.
- Número de espirales.
- Diámetro de alambre. El apartado “Cara de Soporte de Cargas” se utiliza únicamente con el fin de transferirlos a “SolidWorks Simulation”.
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RESORTE LINEAL
Este resorte es válido para “Movimiento básico” y “Análisis de movimiento. Se especifica la posición del muelle entre dos componentes del mecanismo con una determinada distancia y a lo largo de una dirección. “SolidWorks Motion” calcula la fuerza del muelle basándose en la distancia entre las piezas. Aplica una fuerza al primer componente seleccionado y otra igual y contraria al segundo componente, según la fórmula matemática. - K· (X - Xo)n + Fo
o K – Coeficiente muelle traslacional
o X – Distancia entre los puntos seleccionados
o Xo – Longitud de referencia del resorte
o n – Exponente del muelle
o Fo – Especifica la fuerza de referencia en Xo
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RESORTE TORSIONAL
Este tipo de resorte es válido sólo en “Análisis de movimiento”. Representa fuerzas torsionales que actúan entre dos componentes. “SolidWorks Motion” calcula el momento generado basándose en el ángulo existente entre los ejes especificados de las piezas seleccionadas. El programa aplica un momento a la primera pieza seleccionada, y otro de reacción, igual y opuesto a la segunda pieza seleccionada según la fórmula matemática: - KT* (θ - θo)n + To
o KT – Coeficiente muelle torsional o
Θ – Ángulo entre las partes definido por el usuario
o θo – Ángulo de referencia del muelle torsional
o To – Momento de referencia del resorte
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En el “PropertyManager Amortiguador” los “Parámetros” que se deben controlar son: - Dos operaciones para punto final del amortiguador. - El “Exponente” de expresión de fuerza del amortiguador en función de las expresiones funcionales para resortes. - La “Constante de Amortiguamiento” en función de las expresiones funcionales para amortiguadores
Amortiguador Lineal
Este tipo de amortiguador sólo es válido para “Análisis de movimiento. Se especifica la posición del amortiguador entre dos componentes del modelo con una determinada distancia y a lo largo de una dirección. “SolidWorks Motion” calcula la fuerza del muelle en función de la velocidad relativa entre las ubicaciones en dos piezas. Aplica una fuerza al primer componente seleccionado y otra de reacción igual y contraria al segundo componente, según la siguiente fórmula.
- c·v n
o c – Coeficiente amortiguador traslacional
o v – Velocidad relativa entre las partes
o n – Exponente del amortiguador
Amortiguador Torsional
Tan sólo es válido en “Análisis de movimiento”. Representa el momento torsional aplicado entre dos componentes con respecto a un eje específico. “SolidWorks Motion” calcula el momento generado en función de la velocidad angular entre dos piezas con respecto al eje especificado. El programa aplica un momento a la primera pieza seleccionada, y otro de reacción, igual y opuesto a la segunda pieza seleccionada según la fórmula matemática:
- ct·ωzn
o ct – Coeficiente amortiguador torsional o ωz – Velocidad angular entre las partes
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Se utilizan fuerzas para animar el movimiento de piezas móviles en un ensamblaje y para simular la existencia de cargas externas en el modelo. En el menú de “SolidWorks Motion” se selecciona para mostrar el menú específico de “Fuerza”. Un estudio de “Análisis de movimiento” elimina las relaciones de posición redundantes durante el cálculo del movimiento imponiendo fuerza cero en las ubicaciones de relaciones de posición de las piezas afectadas. Para modelos con restricciones redundantes, “SolidWorks Motion” reemplaza automáticamente estas relaciones de posición con casquillos. Las fuerzas se calculan posteriormente en las ubicaciones de las relaciones de posición redundantes.
Existen dos tipos de fuerzas en “SolidWorks Motion”:
- Fuerza Lineal
- Fuerza Torsional (Momento Torsor).
En el menú “Fuerzas”, tras escoger entre los tipos de fuerza (lineal o torsional), el siguiente paso es diferenciar entre: - Fuerza de “Sólo acción”, esta fuerza es aplicada en un punto de un cuerpo rígido y las fuerzas de reacción no se calculan. - Fuerza de “Acción y Reacción”. Se aplica entre dos puntos, la fuerza se aplica al primer cuerpo, y una igual pero contraria se aplica al segundo cuerpo. Para “Forzar posición y dirección de acción” de la fuerza se selecciona una cara, arista o vértice y en caso de tratarse de una formación de acción y reacción, se hace lo mismo para “Forzar posición de reacción”. También se debe especificar el origen de la fuerza, que puede ser: - Origen del ensamblaje - Componente seleccionado
Forzar Función
Existen diferentes formas de introducir la fuerza en el modelo: - Constante. Un valor fijo (En Newtons) - Paso. Se da el valor de la fuerza (Valor inicial y Valor final) en dos instantes de tiempo diferentes (Tiempo de paso inicial y Tiempo de paso final). - Armónico. Debe configurarse Amplitud, Frecuencia, Promedio y Cambio de fase. - Expresión. Se introduce una fórmula utilizando funciones compatibles. - Interpolado. Se introducen valores de Tiempo y Fuerza, y se selecciona el tipo de interpolación (Akima o Cúbica). También se puede cargar desde un archivo (.txt ó .csv) que contenga el tiempo de interpolación y los valores de Tiempo y Fuerza.
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CONTACTOS
Se definen Contactos en “SolidWorks Motion” para que los componentes dentro de un conjunto, al entrar en contacto durante la ejecución de un estudio de movimiento, reaccionen moviéndose unos respectos a otros debido a una fuerza aplicada con el fin de evitar que un cuerpo penetre dentro del otro. Esta fuerza solo actúa si los cuerpos chocan. Si por el contrario, los componentes no están agrupados en un conjunto y entran en contacto, se ignora el contacto entre ellos y los componentes se atraviesan. Para utilizar “Contacto 3D” en un estudio de movimiento, en el menú de “SolidWorks Motion” haga clic en . Esta herramienta sólo está disponible en “Movimiento Básico” y “Análisis de movimiento”.
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Materiales
Esta opción sólo es válida en “Análisis de material”. Se seleccionan materiales de la lista para un par de colisión. Las propiedades de material definidas para contactos 3D se aplican a caras en contacto durante la operación, reemplazando las propiedades de material asignadas a cada pieza. El orden de selección de los materiales no es importante; de este modo, es lo mismo seleccionar caucho-acero que acero-caucho. Para modificar las propiedades elásticas, procedentes de datos experimentales o simulados, si se conocen, se debe desactivar “Especificar material”, ya que de no hacerlo toma las propias de cada material por defecto.
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Fricción es la fuerza de resistencia que se produce en juntas y entre piezas en contacto. Cuando las piezas entran en contacto, la fricción se calcula según los coeficientes de fricción estática y dinámica, así como la fuerza normal que actúa en la pieza. La fricción de relaciones de posición es más compleja porque el tamaño del área de contacto puede afectar la magnitud de la fricción. - Fricción de relaciones de posición: En la pestaña “Análisis de movimiento” del PropertyManager de “SolidWorks Motion”, “Relación de posición” se puede especificar la fricción de juntas. Esta fricción consiste en una fuerza de resistencia que se produce entre piezas y debe ser superada por ellas para moverse una con otra. La fuerza se desarrolla como producto del contacto entre las superficies y cargas que actúan en la conexión. El modelo de fricción de relaciones de posición de “SolidWorks Motion” utiliza una combinación de información sobre cotas y un coeficiente de fricción. Se puede introducir este coeficiente directamente o hacer que la herramienta lo calcule según su selección de materiales.
- Fricción de contacto: Se puede asignar fricción de contacto (producida entre sólidos en contacto) en “Contactos 3D”. Las velocidades y los coeficientes de fricción utilizados se asignan automáticamente según los materiales definidos para cada contacto. Es probable que no sean los parámetros más apropiados teniendo en cuenta la dinámica del modelo, por lo que estos coeficientes pueden configurarse manualmente.
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Gravedad
La gravedad tiene mucha importancia en las simulaciones, sobre todo en aquellos mecanismos cuyas piezas tienen un gran peso. En “SolidWorks Motion” la gravedad, al igual que el resto de las fuerzas consta de dos componentes, la dirección del vector gravitacional y la magnitud de la aceleración gravitacional. Estos parámetros se pueden modificar en el menú, especificando la dirección del vector según los valores de x, y, z. La magnitud por defecto es de 9,806 m/s2.
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ANALISIS de MOVIMIENTO
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