Mecanismo (ingeniería)

En ingeniería , un mecanismo es un dispositivo que transforma fuerzas y movimientos de entrada en un conjunto deseado de fuerzas y movimientos de salida. Los mecanismos generalmente constan de componentes móviles que pueden incluir engranajes y trenes de engranajes ; correas y transmisiones por cadena ; levas y seguidores ; articulaciones ; dispositivos de fricción, como frenos o embragues ; componentes estructurales como un bastidor, sujetadores, cojinetes, resortes o lubricantes; y diversos elementos de máquina , como estrías, pasadores o chavetas. ^{[ 1 ]}

El científico alemán Franz Reuleaux ^{[ 2 ]} define máquina como "una combinación de cuerpos resistentes dispuestos de tal manera que, por medio de ellos, las fuerzas mecánicas de la naturaleza pueden ser obligadas a realizar un trabajo acompañado de un movimiento determinado" ^{[ 3 ].} En este contexto, su uso de máquina se interpreta generalmente como mecanismo .

La combinación de fuerza y ​​movimiento define la potencia , y un mecanismo gestiona la potencia para lograr el conjunto deseado de fuerzas y movimiento.

Un mecanismo suele ser una parte de un proceso más amplio, conocido como sistema mecánico o máquina . A veces, una máquina completa se denomina mecanismo; por ejemplo, el mecanismo de dirección de un coche o el mecanismo de cuerda de un reloj de pulsera . Sin embargo, normalmente, un conjunto de varios mecanismos se denomina máquina.

Desde la época de Arquímedes hasta el Renacimiento , los mecanismos se consideraban construidos a partir de máquinas simples , como la palanca , la polea , el tornillo , la rueda y el eje , la cuña y el plano inclinado . Reuleaux se centró en los cuerpos, llamados eslabones , y en las conexiones entre estos cuerpos, llamadas pares cinemáticos o articulaciones.

Para estudiar el movimiento de un mecanismo mediante la geometría, sus eslabones se modelan como cuerpos rígidos . Esto significa que se supone que las distancias entre los puntos de un eslabón no cambian a medida que el mecanismo se mueve; es decir, el eslabón no se flexiona. Por lo tanto, se considera que el movimiento relativo entre los puntos de dos eslabones conectados resulta del par cinemático que los une.

Se considera que los pares cinemáticos, o articulaciones, proporcionan restricciones ideales entre dos eslabones, como la restricción de un punto para la rotación pura, la restricción de una línea para el deslizamiento puro, así como el rodamiento puro sin deslizamiento y el contacto puntual con deslizamiento. Un mecanismo se modela como un conjunto de eslabones rígidos y pares cinemáticos.

Enlaces y uniones

Reuleaux denominó pares cinemáticos a las conexiones ideales entre eslabones . Distinguió entre pares superiores , con contacto lineal entre los dos eslabones, y pares inferiores , con contacto superficial entre los eslabones. J. Phillips ^{[ 4 ]} demuestra que existen muchas maneras de construir pares que no se ajustan a este modelo simple.

Par inferior: Un par inferior es una unión ideal que tiene contacto superficial entre el par de elementos, como en los siguientes casos:

• Un par de revolución, o articulación de bisagra, requiere que una línea en el cuerpo móvil permanezca colineal con una línea en el cuerpo fijo, y que un plano perpendicular a esta línea en el cuerpo móvil mantenga contacto con un plano perpendicular similar en el cuerpo fijo. Esto impone cinco restricciones al movimiento relativo de los eslabones, lo que, por lo tanto, otorga al par un grado de libertad.
• Una articulación prismática , o deslizante, requiere que una línea en el cuerpo móvil permanezca colineal con una línea en el cuerpo fijo, y que un plano paralelo a esta línea en el cuerpo móvil mantenga contacto con un plano paralelo similar en el cuerpo fijo. Esto impone cinco restricciones al movimiento relativo de los eslabones, lo que, por lo tanto, otorga al par un grado de libertad.
• Una articulación cilíndrica requiere que una línea en el cuerpo móvil sea colineal con una línea en el cuerpo fijo. Combina una articulación de revolución y una articulación deslizante. Esta articulación tiene dos grados de libertad.
• Una articulación esférica, o de rótula, requiere que un punto del cuerpo móvil mantenga contacto con un punto del cuerpo fijo. Esta articulación tiene tres grados de libertad.
• Una articulación plana requiere que un plano del cuerpo móvil mantenga contacto con un plano del cuerpo fijo. Esta articulación tiene tres grados de libertad.
• Una unión roscada, o unión helicoidal, tiene solo un grado de libertad porque los movimientos de deslizamiento y rotación están relacionados por el ángulo de hélice de la rosca.

Pares superiores: Generalmente, un par superior es una restricción que requiere un contacto lineal o puntual entre las superficies elementales. Por ejemplo, el contacto entre una leva y su seguidor es un par superior llamado articulación de leva . De manera similar, el contacto entre las curvas de evolvente que forman los dientes de engranaje de dos engranajes son articulaciones de leva.

Un diagrama cinemático reduce los componentes de una máquina a un diagrama esquelético que enfatiza las articulaciones y reduce los enlaces a elementos geométricos simples. Este diagrama también puede formularse como un grafo , representando los enlaces del mecanismo como aristas y las articulaciones como vértices. Esta versión del diagrama cinemático ha demostrado ser eficaz para enumerar estructuras cinemáticas en el proceso de diseño de máquinas. ^{[ 5 ]}

Una consideración importante en este proceso de diseño es el grado de libertad del sistema de eslabones y articulaciones, que se determina utilizando el criterio de Chebychev-Grübler-Kutzbach .

Si bien todos los mecanismos de un sistema mecánico son tridimensionales, pueden analizarse mediante geometría plana si el movimiento de los componentes individuales está restringido de manera que todas las trayectorias de los puntos sean paralelas o estén conectadas en serie a un plano. En este caso, el sistema se denomina mecanismo plano . El análisis cinemático de los mecanismos planos utiliza el subconjunto del grupo euclidiano especial SE , que consta de rotaciones y traslaciones planas, denotado por SE. ^{[ 6 ]}

El grupo SE es tridimensional, lo que significa que cada posición de un cuerpo en el plano se define mediante tres parámetros. Estos parámetros suelen ser las coordenadas x e y del origen de un sistema de coordenadas en M , medidas desde el origen de un sistema de coordenadas en F , y el ángulo medido desde el eje x en F hasta el eje x en M. Esto se suele describir diciendo que un cuerpo en el plano tiene tres grados de libertad .

La rotación pura de una bisagra y la traslación lineal de un deslizador pueden identificarse con subgrupos de SE, y definen ambas articulaciones como articulaciones de un grado de libertad de mecanismos planos. La articulación de leva formada por dos superficies en contacto deslizante y rotatorio es una articulación de dos grados de libertad.

Es posible construir un mecanismo tal que las trayectorias de los puntos en todos los componentes se encuentren dentro de capas esféricas concéntricas alrededor de un punto fijo. Un ejemplo es el giroscopio cardán . Estos dispositivos se denominan mecanismos esféricos. ^{[ 6 ]} Los mecanismos esféricos se construyen conectando eslabones con articulaciones de bisagra, de modo que los ejes de cada bisagra pasen por el mismo punto. Este punto se convierte en el centro de las capas esféricas concéntricas. El movimiento de estos mecanismos se caracteriza por el grupo SO(3) de rotaciones en el espacio tridimensional. Otros ejemplos de mecanismos esféricos son el diferencial automotriz y la muñeca robótica.

El grupo de rotación SO(3) es tridimensional. Un ejemplo de los tres parámetros que especifican una rotación espacial son los ángulos de alabeo, cabeceo y guiñada que se utilizan para definir la orientación de una aeronave.

Un mecanismo en el que un cuerpo se mueve mediante un movimiento espacial general se denomina mecanismo espacial . Un ejemplo es el mecanismo RSSR, que puede considerarse un mecanismo de cuatro barras en el que las articulaciones de bisagra del eslabón de acoplamiento se sustituyen por rótulas , también llamadas articulaciones esféricas o de bola . Las rótulas permiten que las manivelas de entrada y salida del mecanismo RSSR se desalineen hasta el punto de quedar en planos diferentes, lo que provoca que el eslabón de acoplamiento se mueva mediante un movimiento espacial general. Los brazos robóticos , las plataformas Stewart y los sistemas robóticos humanoides son también ejemplos de mecanismos espaciales.

El mecanismo de Bennett es un ejemplo de mecanismo espacialmente sobredeterminado , que está construido a partir de cuatro articulaciones.

El grupo SE(3) es de seis dimensiones, lo que significa que la posición de un cuerpo en el espacio se define mediante seis parámetros. Tres de estos parámetros definen el origen del sistema de referencia móvil con respecto al sistema fijo. Los otros tres parámetros definen la orientación del sistema de referencia móvil con respecto al sistema fijo.

Un mecanismo es un conjunto de eslabones conectados por articulaciones. Generalmente, los eslabones son los elementos estructurales y las articulaciones permiten el movimiento. Quizás el ejemplo más útil sea el mecanismo plano de cuatro barras . Sin embargo, existen muchos otros mecanismos especiales:

• El mecanismo de Watt es un sistema de cuatro barras que genera una línea aproximadamente recta. Fue fundamental para el funcionamiento de su máquina de vapor. Este mecanismo también se utiliza en las suspensiones de vehículos para evitar el movimiento lateral de la carrocería con respecto a las ruedas.
• El éxito del mecanismo de Watt condujo al diseño de mecanismos similares de línea recta aproximada, como el mecanismo de Hoeken y el mecanismo de Chebyshev .
• El mecanismo de Peaucellier genera una salida en línea recta a partir de una entrada rotativa.
• El mecanismo de Sarrus es un mecanismo espacial que genera movimiento en línea recta a partir de una entrada rotatoria.
• El mecanismo de Klann y el mecanismo de Jansen son inventos recientes que proporcionan movimientos de marcha interesantes. Se trata, respectivamente, de un mecanismo de seis barras y otro de ocho barras.

Un mecanismo flexible es una serie de cuerpos rígidos conectados por elementos flexibles. Estos mecanismos presentan numerosas ventajas, entre ellas: menor número de piezas, menor holgura entre las articulaciones (ausencia de movimiento parásito debido a espacios entre las piezas ^{[ 7 ]} ), almacenamiento de energía, bajo mantenimiento (no requieren lubricación y presentan un bajo desgaste mecánico) y facilidad de fabricación ^{[ 8 ] .}

Los cojinetes flexibles (también conocidos como juntas flexibles ) son un subconjunto de mecanismos flexibles que producen un movimiento (rotación) geométricamente bien definido al aplicarles una fuerza.

Un mecanismo de leva y seguidor se forma por el contacto directo de dos eslabones con una forma específica. El eslabón impulsor se llama leva y el eslabón accionado por el contacto directo de sus superficies se llama seguidor. La forma de las superficies de contacto de la leva y el seguidor determina el movimiento del mecanismo. En general, la energía de un mecanismo de leva y seguidor se transfiere de la leva al seguidor. El árbol de levas gira y, según el perfil de la leva, el seguidor se mueve hacia arriba y hacia abajo. Actualmente, también existen seguidores de leva excéntricos, en los que la energía se transfiere del seguidor a la leva. La principal ventaja de este tipo de mecanismo es que el seguidor se mueve ligeramente y ayuda a girar la leva seis veces más circunferencia con el 70% de la fuerza.

La transmisión de la rotación entre ruedas dentadas en contacto se remonta al mecanismo de Anticitera en Grecia y al carro chino que apuntaba hacia el sur. Las ilustraciones del científico renacentista Georgius Agricola muestran trenes de engranajes con dientes cilíndricos. La implementación del diente evolvente dio como resultado un diseño de engranaje estándar que proporciona una relación de velocidad constante. Algunas características importantes de los engranajes y trenes de engranajes son:

• La relación entre los círculos primitivos de los engranajes que engranan entre sí define la relación de velocidad y la ventaja mecánica del conjunto de engranajes.
• Un tren de engranajes planetarios proporciona una alta reducción de velocidad en un paquete compacto.
• Es posible diseñar dientes de engranajes no circulares que , aun así, transmitan el par motor de forma fluida.
• Las relaciones de velocidad de las transmisiones por cadena y correa se calculan de la misma manera que las relaciones de engranajes .

El diseño de mecanismos para lograr un movimiento y una transmisión de fuerza específicos se conoce como síntesis cinemática de mecanismos . ^{[ 9 ]} Se trata de un conjunto de técnicas geométricas que proporcionan las dimensiones de los mecanismos de articulación, leva y seguidor, y engranajes y trenes de engranajes necesarios para realizar el movimiento mecánico y la transmisión de potencia requeridos. ^{[ 10 ]}

• Tren de engranajes
• Mecanismo de Hoberman
• Mecanismo de articulación (mecánico)
• Máquina (mecánica)
• Sistema mecánico
• Reloj mecánico
• piezas móviles
• Esquema de las máquinas
• Trabajo virtual

• Mecanismo de palanca de bisagra equilibrado
• Wiki de máquinas y mecanismos
• La Biblioteca Digital de Modelos Cinemáticos para el Diseño (KMODDL) cuenta con colecciones de vídeos y fotos de cientos de modelos de mecanismos.
• Un mecanismo de seis barras en línea recta en la colección de modelos de Reuleaux en la Universidad de Cornell.
• Animaciones de diversos mecanismos
• Ejemplo de un generador de funciones de seis barras que calcula el ángulo para un rango dado.
• Una variedad de animaciones de enlace
• Una variedad de diseños de mecanismos de seis barras
• Animación de un mecanismo desplegable esférico