Acoplamiento Mecánico

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El alicate ejemplifica un mecanismo de cuatro barras, con un grado de libertad de uno.

Un acoplamiento mecánico es una serie de acoplamientos rígidos con ligamentos que forman una cadena cerrada, o una serie de cadenas cerradas. Cada ligamento tiene uno o más ligas, y éstas tienen diferentes grados de libertad que le permiten tener movilidad entre los ligamentos. Un acoplamiento mecánico es llamado mecanismo si dos o más ligas se pueden mover con respecto a un ligamento fijo. Los acoplamientos mecánicos son usualmente designados en tener una entrada, y producir una salida, alterando el movimiento, velocidad, aceleración, y aplicando una ventaja mecánica.

Un acoplamiento mecánico que está designado a ser estacionario es llamado estructura.

Historia[editar]

Un gobernador centrífugo para el control de fluido. Una turbina de agua gira el gobernador, el cual controla el fluido del agua, el cual alimenta la turbina, creando una máquina de velocidad regulada.

Los acoplamientos mecánicos son una parte fundamental del diseño de máquinas, y los más simples acoplamientos no fueron ni inventados ni siquiera entendidos hasta el siglo XIX. Toma en cuenta un simple palo: tiene seis grados de libertad, tres de los cuales son las coordenadas de su centro en el espacio, los otros tres describen su rotación. Una vez unido entre un bloque de piedra y un punto de apoyo y es consignada a un movimiento particular, actuando como una palanca para mover el bloque. Cuando más uniones son añadidas en varios mods su movimiento colectivo se define mayor precisión. Movimientos muy complicados y precisos pueden ser diseñados en un acoplamiento con sólo unas partes.

La Revolución industrial fue la época de oro de los acoplamientos mecánicos. Los avances en matemáticas, ingeniería, y manufactura proveyeron tanto la necesidad como la habilidad de crear nuevos mecanismos. Muchos mecanismos simples que parecen obvios hoy, requirieron algunas de las más brillantes mentes de esa era para crearlos. Leonhard Euler fue uno de los primeros matemáticos en estudiar la síntesis de los acoplamientos, y James Watt trabajó arduamente para inventar el movimiento en paralelo que soporta el pistón de su máquina de vapor. Pafnuti Lvóvich Chebyshov trabajó en los diseños de los acoplamientos mecánicos por más de treinta años, los cuales lo guío a crear sus polinomios1. Nuevas invenciones de acoplamientos mecánicos, diseñados por la necesidad, fueron un instrumento en la maquinaría de hilados, dando poder de conversión y regulando la velocidad. Inclusive la habilidad de un mecanismo para producir un movimiento lineal preciso, sin una guía de referencia, tomó años en solucionarse.

Científicos, mayormente Alemanes, Rusos e Ingleses, han investigado este dominio sobre los últimos 200 años, así que el análisis tradicional o los problemas de síntesis (como los de movimiento planar) han sido resueltos (ve las bibliotecas en línea en los enlaces externos, en alemán e inglés).

La tecnología electrónica de hoy en día ha dado cómo algo obvio muchas aplicaciones de acoplamiento mecánico, tales como la computación mecánica, el teclear y la maquinaria. De todos modos, los diseños modernos de acoplamiento mecánico continúan avanzando, y los diseños que ocupaban a un ingeniero por días, hoy pueden ser optimizados por una computadora en segundos.

Inclusive los servomotores con un control digital son comunes, y a primera vista fáciles de usar, sin embargo algunos problemas de movimiento (especialmente para movimientos rápidos y precisos) aún son solamente resueltos por medio de acoplamientos mecánicos.

Actualmente, los acoplamientos mecánicos han retomado gran importancia en la construcción de robots, donde en Japón existe también una historia de desarrollo e investigación muy avanzada sobre acoplamiento mecánico, pudiendo desarrollar nuevos avances en robótica con excelsa precisión.

Teoría[editar]

Los acoplamientos más simples tienen un grado de libertad de uno, lo que significa que hay un entrada de movimiento ("input motion", en Inglés) que produce una salida de movimiento ("output motion", en Inglés). La mayoría de los acoplamientos son también planares, significando que todos los movimientos toman lugar en un sólo plano. Los acomplamientos espaciales (no-planar) son más difíciles de diseñar y por lo tanto no son tan comunes.

La ecuación de Kutzbach-Gruebler es usada para calcular los grados de libertad en los acoplamientos. El número de grados de libertad de un acoplamiento es también llamado su movilidad.

Una versión simplificada de la ecuación de Kutzbach-Gruebler para los acoplamientos planares es:

m = 3(n-1)-2j \,
m \, = movilidad = grados de libertad
n \, = número de uniones (incluyendo la unión a tierra)
j \, = número de pares cinemáticos de un grado de libertad (pin o bola movible)
Movilidad del acomplamiento mecánico


Una forma más general de la ecuación de Kutzbach-Gruebler para los acoplamientos planares conteniendo uniones más complejas:

m = 3(n-j-1)+ \sum_{n=1}^j\ f_i,

O, para acoplamientos espaciales (acoplamientos que se llevan a cabo en un movimiento en 3D):

m = 6(n-j-1)+ \sum_{n=1}^j\ f_i,
m \, = movilidad (grados de libertad)
n \, = número de uniones (incluyendo una unión a tierra)
j \, = número total de uniones, sin tomar en cuenta la conectividad o los grados de libertad
\sum_{n=1}^j\ f_i= suma de los grados de libertad de cada unión.

La movilidad de una máquina hidráulica puede ser fácilmente identificada contando el número de cilindros hidráulicos controlados independientemente.

Acoplamientos sencillos son capaces de producir un movimiento complicado.

Tipos de uniones:

  • Pin, rotación de GDL (Grado De Libertad) de uno. Algunos ejemplos son: bujes, cojinetes, pernos, empalmes, remaches y bisagras.
  • Semiesféricos, movimiento linear de GDL de uno o dos. cojinetes lineares, cilindros hidráulicos, rodillos y pistones.
  • Bolla y socket, rotación de GDL de tres, usualmente restringido a un GDL de uno por las otras uniones en el mecanismo.

Los diseñadores sintetizarán un acoplamiento comenzando por un movimiento de salida requerido, una ventaja mecánica, velocidad y aceleración. Un tipo de acomplamiento es escogido y modificado para dar el desempleño requerido.

Cada unión es tratada como un vector, y los vectores pueden ser combinados en un sistema de ecuaciones, porque éstos forman un circuito. La matriz es resuelta para crear una ecuación de forma cerrada que relaciona las entradas de movimiento con los movimientos de salida. Lo mismo es hecho para la ventaja mecánica, o en otra cantidad importante. Las ecuaciones de movimiento son derivadas con respecto al tiempo para encontrar la velocidad y aceleración de las partes del mecanismo.

Tipos de acoplamientos[editar]

Los acoplamientos mecánicos pueden dividirse en acoplamientos rígidos, flexibles y especiales o articulados.

Acoplamientos Rígidos[editar]

  • Acoplamiento Rígidos de manguitos.
  • Acoplamiento Rígidos de platillos.
  • Acoplamiento Rígidos por sujeción cónica.
  • Acoplamiento Rígidos por sujeción cúrvica

Acoplamientos Flexibles[editar]

  • Acoplamiento flexible de Manguitos de goma.
  • Acoplamiento flexible de disco flexible.
  • Acoplamiento flexible de fuelle helicoidal.
  • Acoplamiento flexible de quijada de goma.
  • Acoplamiento flexible direccional de tipo Falk.
  • Acoplamiento flexible de cadenas.
  • Acoplamiento flexible de engrane.
  • Acoplamiento flexible de muelle metálico.

Acoplamientos especiales o articulados[editar]

  • Junta eslabonada de desplazamiento lateral.
  • Junta universal.

Usos[editar]

Referencias[editar]

  1. "How to Draw a Straight Line, historical discussion of linkage design", ¿Cómo dibujar una línea recta, discusión histórica sobre el diseño de los acoplamientos mecánicos (en Inglés)

Enlaces externos[editar]