Leva, excéntrica.

Mecanismos de Leva: Conceptos Fundamentales y Aplicaciones

Una leva es un componente mecánico diseñado para transmitir movimiento a un seguidor mediante contacto directo. En un mecanismo de leva, la leva actúa como el elemento conductor (o motriz), mientras que el seguidor es el elemento conducido. El seguidor puede permanecer estacionario, trasladarse linealmente, oscilar o rotar, dependiendo del diseño del sistema. 2. Tipos de contacto y elementos

El mecanismo básico de una leva plana (plana o bidimensional) se representa comúnmente por dos cuerpos de forma específica —la leva (A) y el seguidor (B)— conectados a un tercer cuerpo (C). Los cuerpos A y B están unidos mediante contactos suaves y redondeados. El sistema puede representarse con un mecanismo equivalente con juntas articuladas, y si se modifica la posición relativa entre los elementos, las longitudes de los eslabones del mecanismo equivalente también cambian.

Figura : Mecanismo básico de leva y su equivalente cinemático. Los puntos 1 y 2 son centros de curvatura del punto de contacto.

Uno de los mecanismos más utilizados es la leva radial de contacto abierto con seguidor de rodillo traslacional. El seguidor de rodillo es especialmente eficaz ya que permite una transmisión de potencia eficiente al reducir la fricción y el desgaste entre la leva y el seguidor. Este tipo de leva se llama de restricción por gravedad, ya que depende del peso del sistema del seguidor para mantener el contacto con el perfil de la leva.

Figura : Leva radial abierta con un seguidor de rodillo traslacional. El rodillo se mantiene en contacto con la leva gracias a la masa de la carga.

Sin embargo, en la mayoría de los casos reales, este contacto se asegura mediante resortes de compresión precargados que ejercen una fuerza constante, incluso a altas velocidades de operación.

Las levas pueden diseñarse de varias maneras:

• Moldeando el cuerpo de la leva según una curva conocida (espiral, parábola o arco circular).
• Diseñando matemáticamente el perfil, determinando el movimiento del seguidor y luego trazando los datos tabulados para formar la leva.
• Dibujando el perfil a mano alzada, usando curvas de diseño. Este método es válido solo para movimientos lentos que permitan curvas suaves sin "saltos".

En aplicaciones de alta velocidad o carga elevada, es esencial realizar un análisis dinámico detallado y garantizar precisión en la fabricación del perfil de la leva.

Figura : Configuraciones de levas: Seis configuraciones diferentes de levas radiales abiertas y sus seguidores.

Las levas están presentes en muchos tipos de máquinas, especialmente aquellas que operan de forma automática, tales como:

• Imprentas
• Tornos automáticos
• Máquinas textiles
• Cortadoras de engranajes
• Sistemas de control eléctrico
• Motores de combustión interna, donde las levas abren y cierran válvulas

También se utilizan para accionar herramientas, interruptores y relés, y pueden fabricarse en diversas formas, desde discos metálicos hasta plásticos duros.

Figura : Leva de diámetro constante: Dos levas idénticas, 1 y 2, están separadas en el mismo eje y desfasadas en un ángulo que proporciona un diámetro virtual constante. La leva 1 con el seguidor de rodillo 1 es la leva funcional, y la leva 2 con el seguidor de rodillo 2 restringe a la leva 1 para suavizar su movimiento.

Los mecanismos de leva pueden clasificarse según:

• Tipo de movimiento de entrada/salida
• Configuración del seguidor
• Forma de la leva
• Tipo de contacto (por gravedad o por resorte)

• Disco rotativo (o de placa)
• Leva cilíndrica o de barril
• Leva de extremo de cilindro
• Leva de traslación lineal
• Leva cónica ranurada
• Leva de doble rotación con diámetro constante

El seguidor es el componente que responde al perfil de la leva. Puede moverse hacia arriba, hacia abajo o de lado a lado. Existen dos tipos principales:

• En línea (in-line): la línea central del seguidor pasa por el eje de la leva.
• Descentrado (offset): la línea central del seguidor está desplazada, reduciendo la fuerza lateral.

• De cuchilla (knife-edge)
• De rodillo (roller follower)
• De cara plana (flat-faced)
• De cara esférica (spherical-faced)

El seguidor oscilante es un tipo especial que gira alrededor de una bisagra a medida que la leva rota.

Estas levas pueden tener diversas formas:

• Circular con desplazamiento
• Forma de huevo (egg-shaped)
• Ovalada
• Cardioide o en forma de corazón

Se montan sobre un eje rotativo, y el contacto constante se asegura mediante resortes o el propio peso del seguidor (restricción por gravedad).

Si se anticipan golpes o vibraciones fuertes, se puede usar una leva de disco ranurado. En este caso, el perfil está fresado en la cara del disco, y el rodillo del seguidor queda atrapado dentro de la ranura, lo que garantiza contacto constante durante todo el ciclo.

En lugar de un disco, el perfil de la leva se fresa en el contorno exterior de un cilindro. El seguidor puede moverse en forma de traslación o de oscilación. También existen levas cónicas, en las que la ranura se realiza sobre una superficie cónica.

La leva está fresada en uno de los extremos del cilindro, en lugar de en el lateral. Requiere un sistema de seguidor cuidadosamente diseñado, ya que el contacto no está confinado por una ranura.

Esta leva se monta sobre una plataforma móvil que se desplaza en un movimiento lineal alternativo. El seguidor es generalmente un rodillo que se mueve verticalmente. La leva puede estar fija y el seguidor moverse sobre ella, o viceversa.

Este sistema consiste en dos levas idénticas montadas sobre un mismo eje, pero desfasadas entre sí. Su contorno combinado forma un círculo de diámetro constante. Una de las levas es funcional, mientras que la otra actúa como elemento de restricción, eliminando movimientos irregulares.

Los movimientos del seguidor pueden modificarse:

• Cambiando el perfil de la leva
• Alterando la velocidad de rotación del eje de la leva
• Modificando la frecuencia del movimiento alternativo (para levas traslacionales)

La rotación del rodillo del seguidor no afecta directamente el movimiento generado por la leva.

Las levas pueden fabricarse a partir de:

• Metales (acero, hierro fundido)
• Plásticos duros (para cargas ligeras y bajo costo)
• Aleaciones especiales (cuando se requiere resistencia al desgaste y altas velocidades)

La precisión en la fabricación del perfil es crítica, especialmente en aplicaciones de alta velocidad o alta carga.

Figura :Terminología de levas

La Figura ilustra la nomenclatura para una leva de disco radial abierta con un seguidor de rodillo (roller follower) sobre una leva de placa.

• Círculo base (base circle) : Es el círculo con el radio más corto desde el centro de la leva hasta cualquier parte del perfil de la leva.
• Perfil de leva (cam profile) : Es la superficie exterior de una leva de disco tal como fue mecanizada.
• Recorrido del seguidor (follower travel) : Para un seguidor de rodillo de una leva de disco, es la distancia vertical del recorrido del seguidor, medida en el punto central del rodillo, mientras se desplaza desde el círculo base hasta el perfil de la leva.
• Eventos de movimiento (motion events) : Cuando una leva gira a lo largo de un ciclo completo, el seguidor atraviesa elevaciones, pausas y retornos. Una elevación (rise) es el movimiento del seguidor alejándose del centro de la leva; una pausa (dwell) ocurre cuando el seguidor está en reposo; y un retorno (return) es el movimiento del seguidor hacia el centro de la leva.
• Curva de paso (pitch curve) : Para un seguidor de rodillo de una leva de disco, es la trayectoria generada por el punto central del rodillo mientras gira alrededor de una leva de placa estacionaria.
• Ángulo de presión (pressure angle) : Para un seguidor de rodillo de una leva de disco, es el ángulo entre la normal a la curva de paso y la dirección instantánea del movimiento del seguidor. Este ángulo es importante en el diseño de levas porque indica la inclinación del perfil.
• Círculo primario o de referencia (prime circle o reference circle) : Para un seguidor de rodillo de una leva de disco, es el círculo con el radio más corto desde el centro de la leva hasta la curva de paso.
• Carrera o desplazamiento (stroke o throw) : Es la mayor distancia o el ángulo más amplio a través del cual el seguidor se mueve o gira.
• Curva de trabajo (working curve) : Es la superficie de la leva que hace contacto con el seguidor. Para un seguidor de rodillo de una leva de placa, es la trayectoria trazada por el centro del rodillo alrededor del perfil de la leva.

• Ángulo de presión (Pressure angle)
• Círculo base (Base circle)
• Círculo primitivo (Prime circle)
• Perfil de leva (Cam profile)
• Recorrido del seguidor (Follower travel)
• Seguidor (Follower)
• Curva de paso (Pitch curve)

A pesar del auge de los sistemas electrónicos, los mecanismos de leva siguen siendo ampliamente utilizados. La introducción de "levas electrónicas" que simulan los movimientos mecánicos mediante software ha aumentado la flexibilidad, pero no ha reemplazado completamente la robustez y simplicidad de las levas mecánicas.

Términos destacados:

• Árbol de levas (Camshaft)
• Cam de barril (Barrel cam)
• Cam de disco (Disk cam)
• Cam de extremo de barril (End barrel cam)
• Cam de traslación (Translating cam)
• Cam de doble rotación (Dual rotary cam)
• Cam ranurado (Grooved cam)
• Clasificación de levas (Cam classification)
• Constraint por gravedad (Gravity constraint)
• Contorno de leva (Cam profile)
• Curva sin sobresaltos (Bumpless curve)
• Diseño matemático de levas (Mathematical cam design)
• Electrónica de leva (Electronic cam)
• Fabricación precisa de leva (Accurate cam fabrication)
• Leva (Cam)
• Leva cardioide (Cardioid cam)
• Leva con perfil espiral (Spiral cam)
• Leva elíptica (Oval cam)
• Leva excéntrica (Offset cam)
• Leva en forma de corazón (Heart-shaped cam)
• Leva milimetrada (Indexed cam)
• Mecanismo de leva (Cam mechanism)
• Movimiento oscilante (Oscillating motion)
• Movimiento rotativo (Rotary motion)
• Movimiento del seguidor (Follower motion)
• Perfil de leva (Cam contour)
• Seguidor de rodillo (Roller follower)
• Seguidor de traslación (Translating follower)
• Sincronización de leva (Cam timing)
• Velocidad de rotación (Rotational speed)

Los mecanismos de leva son esenciales en sistemas mecánicos donde se requiere movimiento controlado, sincronizado y repetitivo. Su versatilidad, simplicidad mecánica y capacidad para operar en condiciones extremas los convierten en una opción insustituible en muchas aplicaciones industriales, automotrices y de automatización.

A medida que avanza la tecnología, los mecanismos híbridos que combinan levas mecánicas y control electrónico están comenzando a ganar protagonismo, especialmente en industrias como la aeroespacial y la robótica avanzada.