Mecanismo de manivela

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El mecanismo del cigüeñal (KShM) está diseñado para convertir el movimiento alternativo del pistón en un movimiento de rotación (por ejemplo, en el movimiento de rotación del cigüeñal en los motores de combustión interna) y viceversa. Las piezas de KShM se dividen en dos grupos, estas son piezas móviles y piezas fijas:

Móvil: pistón con anillos de pistón, pasador de pistón , biela , cigüeñal con cojinetes o manivela , volante .
Estacionario: bloque de cilindros (es la parte base de un motor de combustión interna ) y es una fundición común con un cárter , culata, volante y alojamiento del embrague, cárter inferior ( sumidero ), camisas de cilindro, tapas de bloque, sujetadores, juntas de tapa de bloque, soportes, semianillos cigüeñal.

Cómo funciona

Esquema directo: El pistón bajo la influencia de la presión del gas realiza un movimiento de traslación hacia el cigüeñal. Con la ayuda de pares cinemáticos "pistón-biela" y "biela-eje", el movimiento de traslación del pistón se convierte en movimiento de rotación del cigüeñal. El cigüeñal consta de:

revistas de biela
cuellos de raíz
contrapeso

Esquema inverso: El cigüeñal, bajo la acción de un par externo aplicado , realiza un movimiento de rotación, que a través de la cadena cinemática "eje-biela-pistón", se convierte en un movimiento de traslación del pistón.

Tipos y tipos de KShM

KShM central, en el que el eje del cilindro se cruza con el eje del cigüeñal.
Offset KShM, en el que el eje del cilindro está desplazado en relación con el eje del cigüeñal en una cantidad;
Un KShM en forma de V (incluso con una biela remolcada), en el que dos bielas que operan en los cilindros izquierdo y derecho están ubicadas en una manivela del cigüeñal.

Según la relación entre la carrera y el diámetro del pistón , distinguen:

carrera corta [1] (S/D<1) KShM;
carrera larga (long-stroke) (S/D>1) KShM.

En los motores de combustión interna de alta velocidad de los automóviles, prevalece un esquema de carrera corta.

Por la presencia de fuerza lateral en el manguito KShM, sucede:

tronco [2] (con fuerza lateral);
cruceta [3] (pistón descargado);

Historia

En la naturaleza

Las patas traseras de los saltamontes son un mecanismo de manivela con rotación incompleta.
El muslo y la parte inferior de la pierna de los robots humanos y androides también representan un mecanismo de manivela con un giro incompleto.

En el Imperio Romano

La evidencia más antigua de una manivela combinada con una biela en una máquina proviene de un aserradero de Hierápolis , siglo III d. C., período romano, y aserraderos bizantinos de corte de piedra en Geras , Siria y Éfeso , Asia Menor (siglo VI d. C.). [4] Otro aserradero de este tipo puede haber existido en el siglo II d.C. mi. en la ciudad romana de Augusta Raurica (actual Suiza), donde se encontró una manivela de metal. [5]

Las ecuaciones de movimiento del pistón (para el cigüeñal central)

Definiciones

l - longitud de la biela (distancia entre el eje de la biela y el eje del cigüeñal)
r - radio del cigüeñal (distancia entre el eje del cigüeñal y el centro del cigüeñal, es decir, la mitad de la carrera del pistón
A - el ángulo de rotación del cigüeñal (del "punto muerto superior" al "punto muerto inferior")
x es la posición del eje de la biela (desde el centro de la manivela a lo largo del eje del cilindro)
v es la velocidad del eje de la biela (desde el centro del cigüeñal a lo largo del eje del cilindro)
a es la aceleración del eje de la biela (desde el centro del cigüeñal a lo largo del eje del cilindro)
ω es la velocidad angular del cigüeñal en radianes por segundo (rad/seg)

Velocidad angular

Velocidad angular del cigüeñal en revoluciones por minuto (RPM):

\omega ={\frac {2\pi \cdot \mathrm {RPM} }{60}}

Relaciones en un triángulo

Como se muestra en el diagrama, el centro del cigüeñal, el eje del cigüeñal y el eje de la biela forman un triángulo NOP.
Del teorema del coseno se sigue que:

l^{2}=r^{2}+x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A

Ecuaciones en relación a la posición angular del cigüeñal (para el cigüeñal central)

Ecuaciones que describen el movimiento cíclico del pistón con respecto al ángulo de rotación de la manivela.
Los gráficos de ejemplo de estas ecuaciones se muestran a continuación.

Puesto

Posición relativa al ángulo de la manivela (convirtiendo las relaciones en un triángulo):

l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A

l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A+r^{2}[(\cos ^{2}A+\sin ^{2}A)-1]

l^{2}-r^{2}+r^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \ cos A+r^{2}\cos ^{2}A

l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=(xr\cdot \cos A)^{2}

xr\cdot \cos A={\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin^{2}A))

{\displaystyle x=r\cos A+{\sqrt {l^{2}-(r\sin A)^{2))))

Velocidad

Velocidad con respecto al ángulo de rotación de la manivela (la primera derivada se toma usando la regla de diferenciación de funciones complejas ):

{\begin{array}{lcl}x'&=&{\frac {dx}{dA}}\\&=&-r\sin A+{\frac {\left({\frac {1} {2}}\right)\cdot (-2)\cdot r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A} }}\\&=&-r\sin A-{\frac {r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2} A}}}\end{matriz}}}

Aceleración

Aceleración con respecto al ángulo del cigüeñal (segunda derivada tomada usando la regla de diferenciación de funciones compuestas y la regla parcial ):

{\begin{array}{lcl}x''&=&{\frac {d^{2}x}{dA^{2))}\\&=&-r\cos A-{\ fracción {r^{2}\cos ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A))}-{\frac {-r^{2 }\sin ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {r^{2}\sin A\cos A \cdot \left(-{\frac {1}{2}}\right)\cdot (-2)\cdot r^{2}\sin A\cos A}{\left({\sqrt {l^{ 2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}}}\\&=&-r\cos A-{\frac {r^{2}(\cos ^ {2}A-\sen ^{2}A)}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A))}-{\frac {r^{4}\ sin ^{2}A\cos ^{2}A}{\left({\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}} }\end{matriz}}

Un ejemplo de gráficos de movimiento de pistón

El gráfico muestra x, x', x" frente al ángulo del cigüeñal para varios radios del cigüeñal, donde L es la longitud del cigüeñal (l) y R es el radio del cigüeñal (r) :

Animación del movimiento del pistón con biela de la misma longitud y con manivela de radio variable en el gráfico anterior:

Aplicación

El mecanismo de manivela se utiliza en motores de combustión interna , compresores alternativos , bombas de pistón , máquinas de coser , prensas de manivela y para accionar las persianas de algunas puertas de apartamentos y cajas fuertes. Además, el mecanismo de manivela se utilizó en las segadoras de barra .

Véase también

Motor de combustión interna

Otras formas de convertir el movimiento de rotación en rectilíneo

Aquí estaba la posibilidad de cambiar Heuken.

Notas

↑ Motor de carrera corta / M. A. Latin // Konda - Kun. - M. : Enciclopedia Soviética, 1973. - ( Gran Enciclopedia Soviética : [en 30 volúmenes] / editor en jefe A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 13).
↑ Motor troncal // Tardígrados - Ulyanovo. - M. : Enciclopedia Soviética, 1977. - ( Gran Enciclopedia Soviética : [en 30 volúmenes] / editor en jefe A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 26).
↑ Motor de cruceta / VI Efanov // Konda-Kun. - M. : Enciclopedia Soviética, 1973. - ( Gran Enciclopedia Soviética : [en 30 volúmenes] / editor en jefe A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 13).
↑ 1 2 Ritti, Tulia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), "Un relieve de un aserradero de piedra accionado por agua en un sarcófago en Hierápolis y sus implicaciones", Journal of Roman Archaeology, 20, págs. 138-163
↑ Schioler, 2009

Literatura

Schioler, Thorkild. Die Kurbelwelle von Augst und die römische Steinsägemühle: [ ing. ] // Helvetia Archaeologica : J. - 2009. - Vol. 40, núm. 159/160. - Pág. 113-124.
Grabovsky, A. A. Cinemática de un mecanismo de manivela con dos cigüeñales // Izvestiya MSTU MAMI. - 2009. - Nº 2 (8). — págs. 56–63.

Enlaces

Conversión de movimiento de rotación a rectilíneo . Tool-land.ru . Recuperado: 26 julio 2019. (Ruso)
Mecanismo de manivela (KShM) . carspec.info . Recuperado: 26 julio 2019. (Ruso)

Mecanismos
Rotacional	transmisión mecánica dentado planetario ola cadena cinturón friccional cicloidal cardán Junta de velocidad constante Embrague mecánico friccional disco de leva dentado centrífugo rebasando Hrápova maltés
Rectilíneo	Deslizador de manivela Manivela "Placa frontal - varillas" Cojinete de balancines escocés piñón y cremallera Transmisión tornillo-tuerca Cabrestante portón Sarrus Lipkina-Posselye
...aproximadamente	vatio Hoyken Chebyshev Klanna Jansen
traslacional	Paralelogramo
movimiento compuesto	leva Excéntrico Traba cuatro enlaces Casa de molusco