En el fascinante mundo de la ingeniería mecánica, existen numerosos componentes que hacen posible que las máquinas y motores funcionen correctamente. Uno de estos elementos esencial es la manivela, también conocida como cigüeñal. A primera vista, puede parecer una simple pieza metálica, pero su diseño y fabricación requieren de un cuidadoso proceso para lograr óptimos resultados. En este artículo, exploraremos paso a paso cómo se diseña una manivela, destacando su importancia en diferentes aplicaciones y desvelando los secretos de una ingeniería sólida y eficiente. ¡Prepárate para sumergirte en el apasionante mundo de la mecánica!
Una manivela es una palanca manual que se usa comúnmente para operar cabrestantes de elevación. Normalmente, una palanca mecánica es una varilla o varilla rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de pivote. Se utiliza como máquina para levantar una carga con poco esfuerzo. Echemos un vistazo más de cerca a cómo podemos diseñar una manivela para operar cabrestantes de elevación utilizando el mismo principio de palanca mecánica.
Historia de la palanca
En el antiguo Egipto alrededor del 4400 a.C. En el siglo I a. C., se utilizó un pedal para el primer telar de bastidor horizontal. Otro dispositivo que utilizó el principio de la palanca fue el swape o shaduf, una palanca larga que giraba en un extremo con una plataforma o recipiente de agua colgando del brazo corto y contrapesos unidos al brazo largo. Este dispositivo se utilizó ya en el año 1500 a.C. Utilizado en Egipto y la India para levantar agua y levantar soldados sobre almenas en el siglo I a.C.
Probablemente alrededor del año 5000 a.C. se creó una barra de equilibrio para pesar, que constaba de una varilla que giraba en el centro y pesas suspendidas en un extremo para equilibrar el objeto que se pesaba en el otro extremo. Utilizado en Egipto.
Introducción a la palanca mecánica.
Una palanca es una varilla o barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado fulcro. Se utiliza como máquina para levantar una carga con poco esfuerzo. La relación entre la carga levantada y la fuerza aplicada se llama ventaja mecánica.
A veces se utiliza una palanca simplemente para facilitar la aplicación de fuerza en la dirección deseada. Una palanca puede ser recta o curva y las fuerzas ejercidas sobre la palanca (o por la palanca) pueden ser paralelas o inclinadas entre sí. El principio según el cual funciona la palanca es el mismo que el de los momentos.
Considere una palanca recta con fuerzas paralelas que actúan en el mismo plano, como se muestra en la siguiente figura.
- Los puntos A Y b sobre los cuales se ejerce la carga y la fuerza se denominan puntos de carga o fuerza.
- F es el punto de pivote alrededor del cual puede girar la palanca.
- La distancia vertical entre el punto de carga y el punto de pivote (l1) se llama brazo de carga.
- La distancia vertical entre el punto de fuerza y el punto de pivote (l2) se llama brazo de poder.
Según el principio del momento:
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Ventaja mecanica
La relación entre el brazo de potencia y el brazo de carga. es decir. yo2 /l1 se llama apalancamiento.
Una pequeña consideración muestra que el brazo de potencia debe ser mucho más grande que el brazo de carga si se va a levantar una carga grande con poco esfuerzo. En algunos casos, debido a limitaciones de espacio, puede que no sea posible proporcionar una palanca con un brazo de potencia grande.
Por lo tanto, para lograr un gran apalancamiento, se pueden utilizar palancas compuestas. Las palancas compuestas pueden consistir en piezas rectas que se pueden unir entre sí mediante conexiones atornilladas. También se pueden utilizar palancas de rodilla en lugar de varias palancas articuladas. En una palanca compuesta, el apalancamiento es el producto del apalancamiento de diferentes palancas.
palanca acodada
Una palanca de compensación como se muestra en la siguiente imagen. Esta manivela es una palanca manual que se usa comúnmente para operar cabrestantes de elevación.
La palanca puede ser accionada por una sola persona o por dos personas. Se puede suponer que la fuerza máxima para accionar la palanca es de 400 N y que la longitud del mango es de 300 mm. Cuando la palanca es accionada por dos personas, la fuerza operativa máxima se duplica y la longitud del mango se puede tomar como 500 mm. El mango está cubierto con un tubo para evitar arañazos en las manos. El extremo del eje suele ser cuadrado para que la palanca se pueda colocar y quitar fácilmente.
La longitud (l) suele ser de 400 a 450 mm y la altura de la línea central del eje desde el suelo suele ser de un metro. Para construir tales palancas, puede proceder de la siguiente manera:
1. Diámetro del mango
El diámetro del mango (D) resulta de consideraciones de flexión.
Se supone que el esfuerzo (PAG) aplicado al mango actúa en (2/3)aprox su longitud (yo).
Momento flector máximo,
y módulo de sección,
∴ Módulo de sección
donde σb = Esfuerzo de flexión admisible para el material del mango.
Si equiparamos el momento de la sección al momento flector máximo, obtenemos
Esta expresión da el diámetro del mango (D) se puede evaluar. El diámetro del mango suele ser de 25 mm para una sola persona y de 40 mm para dos personas.
2. Sección transversal del brazo de palanca.
La sección transversal del brazo de palanca suele ser rectangular y tiene un espesor uniforme en todas partes. La anchura del brazo de palanca se estrecha desde el saliente hasta el mango.
El brazo está sometido a un par constante, t = (2/3) × PAG × yo
Y un momento flector variable que es máximo cerca de la proyección. Se supone que el brazo de la palanca se extiende hasta la mitad del eje, lo que da como resultado una palanca ligeramente más fuerte.
∴ Momento flector máximo = PAG × l
Dado que actualmente no hay suficiente información sobre el tema de la flexión y torsión combinadas de perfiles rectangulares para encontrar curvaturas o torsiones equivalentes con suficiente precisión, se opta por el método indirecto.
Diseñaremos el brazo de palanca para un 25% más de momento flector.
Momento flector máximo METRO = 1,25 PAG × l
Dejar
t = espesor del brazo de palanca,
b = ancho del brazo de palanca cerca del cubo.
Momento de sección para el brazo de palanca, Z = 1/6 × t × B2
Ahora usa la relación σb = METRO/zpodemos encontrar t Y b. Se supone que el ancho del brazo de palanca cerca del cubo es el doble del espesor es decir. b = 2 t.
Después de encontrar el valor de t Y bSe puede comprobar la tensión de flexión inducida, que no debe exceder el valor permitido.
3. Esfuerzo cortante inducido en la palanca.
El esfuerzo cortante inducido en la parte del brazo de palanca cerca del cubo es causado por el momento de torsión. t = 2/3 × PAG × yo se puede comprobar mediante las siguientes relaciones:
Para sección transversal rectangular
Para la sección lateral cuadrada t
Para sección elíptica con eje principal b y eje menor t
4. Esfuerzo máximo inducido por esfuerzo principal o de corte.
Conoce los valores de σb y τ, la tensión principal o cortante máxima inducida, se puede comprobar utilizando las siguientes relaciones:
Tensión principal máxima,
Esfuerzo cortante máximo,
5. Diámetro del diario
Dado que el muñón del eje está sujeto a par y momento flector, su diámetro está determinado por el par equivalente.
Conocemos el par en el muñón del eje,
T = P×L
y momento flector en el muñón del eje,
Dónde
x = distancia desde el final del saliente hasta el centro de la espiga.
∴ Par equivalente,
Sabemos que el par equivalente,
De esta expresión podemos encontrar el diámetro (D) la revista. Generalmente se supone que el diámetro del pasador es D = 30 a 40 mm, para una sola persona = 40 a 45 mm y para dos personas.
Además, ya hemos analizado varios diseños de palancas mecánicas en los siguientes artículos. Escuchar.
- Palanca de mano (freno de mano)
- Palanca de pie (pedal de freno, palanca de bomba de pie)
- Válvula de seguridad de palanca
- Palanca de manivela
- Balancín para válvula de escape
El método anterior se puede utilizar en el diseño de cigüeñales de motores que cuelgan libremente.
¿Puedes resolver un problema de ejemplo para diseñar la manivela?
Planteamiento del problema: Una palanca desplazada tiene una longitud de mango de 300 mm, una longitud de brazo de palanca de 400 mm y un saliente del muñón de 100 mm. Cuando la palanca es accionada por una sola persona, ésta ejerce una fuerza máxima de 400 N a una distancia de 1/3 aprox Longitud del mango desde su extremo libre. Calcule el diámetro del mango, la sección transversal del brazo de palanca y el diámetro de la espiga. Recuerde que el esfuerzo de flexión permitido para el material de la palanca se puede tomar como 50 MPa y el esfuerzo cortante para el material del eje se puede tomar como 40 MPa.
Comparta las respuestas con nosotros en la sección de comentarios a continuación, lo ayudaremos con las respuestas correctas.
¿Qué es una palanca acodada y cómo se emplea en los cabrestantes?
Una palanca acodada es una palanca de mano comúnmente utilizada para operar cabrestantes. Por lo general, una palanca mecánica es una barra rígida capaz de girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo. Se utiliza como una máquina para levantar una carga mediante la aplicación de un pequeño esfuerzo. En este artículo discutiremos más sobre cómo diseñar una palanca acodada para operar cabrestantes utilizando el mismo principio mecánico de la palanca.
Historia de la palanca
En el antiguo Egipto, alrededor del año 4400 a.C., se utilizaba un pedal para el telar horizontal de bastidor más antiguo. Otro dispositivo que utilizaba el principio de la palanca era el swape o shaduf, una palanca larga pivotada cerca de un extremo con una plataforma o contenedor de agua colgando del brazo corto y contrapesos unidos al brazo largo. Este dispositivo se utilizaba en Egipto e India para elevar agua y subir soldados por almenas desde el año 1500 a.C.
También se cree que en Egipto, alrededor del año 5000 a.C., se utilizaba una viga de equilibrio para pesar. Consistía en una barra pivotada en su centro y pesos que se colgaban en un extremo para equilibrar el objeto que se quería pesar en el otro extremo.
Introducción a la palanca mecánica
Una palanca es una barra rígida capaz de girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo. Se utiliza como una máquina para levantar una carga mediante la aplicación de un pequeño esfuerzo. La relación entre la carga levantada y el esfuerzo aplicado se llama ventaja mecánica.
A veces, una palanca se utiliza simplemente para facilitar la aplicación de fuerza en una dirección deseada. Una palanca puede ser recta o curva, y las fuerzas aplicadas en la palanca (o por la palanca) pueden ser paralelas o inclinadas entre sí. El principio en el que se basa la palanca es el mismo que el de los momentos.
Consideremos una palanca recta con fuerzas paralelas que actúan en el mismo plano, como se muestra en la siguiente figura.
- A y B son los puntos de aplicación de la carga y el esfuerzo, respectivamente.
- F es el punto de apoyo alrededor del cual la palanca puede girar.
- La distancia perpendicular entre el punto de carga y el punto de apoyo (l1) se conoce como brazo de carga.
- La distancia perpendicular entre el punto de esfuerzo y el punto de apoyo (l2) se llama brazo de esfuerzo.
Según el principio de los momentos,
Si queremos levantar una gran carga con un pequeño esfuerzo, el brazo de esfuerzo debe ser mucho mayor que el brazo de carga. En algunos casos, puede no ser posible proporcionar una palanca con un brazo de esfuerzo grande debido a restricciones de espacio.
Por lo tanto, para obtener una gran ventaja mecánica, se pueden utilizar palancas compuestas. Estas palancas compuestas pueden estar hechas de piezas rectas, que pueden estar unidas entre sí con articulaciones con pasadores. Las palancas acodadas pueden usarse en lugar de varias palancas articuladas. En una palanca compuesta, la ventaja mecánica es el producto de las ventajas mecánicas de las distintas palancas.
Palanca acodada
Una palanca acodada, como se muestra en la siguiente imagen, es una palanca de mano comúnmente utilizada para operar cabrestantes.
La palanca puede ser operada por una sola persona o por dos personas. La fuerza máxima para operar la palanca se puede tomar como 400 N y la longitud de la manija como 300 mm. En caso de que la palanca sea operada por dos personas, la fuerza máxima de operación se duplicará y la longitud de la manija se puede tomar como 500 mm. La manija está cubierta con un tubo para evitar que se marquen las manos. El extremo del eje generalmente tiene forma de cuadrado para que la palanca pueda fijarse y eliminarse fácilmente.
Las dimensiones de la palanca acodada son las siguientes:
- Longitud (L): generalmente de 400 a 450 mm.
- Altura desde el suelo hasta el centro del eje: generalmente un metro.
Para diseñar este tipo de palancas, se puede seguir el siguiente procedimiento:
- Determinar el diámetro de la manija: El diámetro de la manija se obtiene considerando las consideraciones de flexión. Se asume que el esfuerzo (P) aplicado en la manija actúa a 2/3 de su longitud (l). Se calcula el momento máximo de flexión y se evalúa el diámetro de la manija utilizando la fórmula mencionada.
- Determinar la sección transversal del brazo de la palanca: La sección transversal del brazo de la palanca generalmente es rectangular y tiene un grosor uniforme en todo su largo. La anchura del brazo de la palanca se reduce hacia la manija. El brazo de la palanca está sujeto a un momento de torsión constante y a un momento de flexión variable.
- Determinar el esfuerzo cortante inducido en el brazo de la palanca: El esfuerzo cortante inducido en la sección del brazo de la palanca cerca de la manija se debe al momento de torsión aplicado en la palanca. Se verifica que este esfuerzo se encuentre dentro de los límites permisibles.
- Determinar el esfuerzo principal máximo o esfuerzo cortante inducido: Se verifica que el esfuerzo principal máximo o esfuerzo cortante inducido se encuentre dentro de los límites permisibles.
- Determinar el diámetro del eje: El diámetro del eje se obtiene a partir del momento de torsión equivalente aplicado en el eje. Se calcula el diámetro del eje utilizando la fórmula mencionada.
La palanca acodada puede diseñarse siguiendo este procedimiento, teniendo en cuenta los límites de esfuerzo permisibles para los materiales utilizados. Al utilizar dimensiones adecuadas y materiales resistentes, se puede garantizar el funcionamiento seguro y eficiente de la palanca acodada para operar cabrestantes.