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Junta universal

Una junta universal

Una junta universal (también llamada acoplamiento universal o junta universal ) es una junta o acoplamiento que conecta ejes rígidos cuyos ejes están inclinados entre sí. Se utiliza comúnmente en ejes que transmiten movimiento giratorio . Consiste en un par de bisagras ubicadas muy juntas, orientadas a 90° entre sí, conectadas por un eje transversal. La junta universal no es una junta de velocidad constante . [1]

Las juntas universales a veces también reciben varios nombres epónimos , de la siguiente manera:

Historia

Este video muestra diferentes partes y funcionamiento del eje universal.
Juntas universales Spicer para automóviles, 1916.

El concepto principal de junta universal se basa en el diseño de cardanes , que se utilizan desde la antigüedad. Una anticipación de la junta universal fue su uso por parte de los antiguos griegos en balistas . [2] En Europa, la junta universal a menudo se llama junta Cardano (y un eje de transmisión que utiliza las juntas, un eje Cardán), en honor al matemático italiano del siglo XVI, Gerolamo Cardano , quien fue uno de los primeros escritores sobre cardanes, aunque sus escritos Solo se mencionaron soportes de cardán, no juntas universales. [3]

El mecanismo fue descrito posteriormente en Technica curiosa sive mirabilia artis (1664) por Gaspar Schott , quien afirmó erróneamente que se trataba de una junta de velocidad constante . [4] [5] [6] Poco después, entre 1667 y 1675, Robert Hooke analizó la articulación y descubrió que su velocidad de rotación no era uniforme, pero esa propiedad podría usarse para rastrear el movimiento de la sombra en la cara de una reloj de sol. [4] De hecho, el componente de la ecuación del tiempo que explica la inclinación del plano ecuatorial con respecto a la eclíptica es completamente análogo a la descripción matemática de la junta universal. El primer uso registrado del término junta universal para este dispositivo fue por Hooke en 1676, en su libro Helioscopios . [7] [8] [9] Publicó una descripción en 1678, [10] dando como resultado el uso del término articulación de Hooke en el mundo de habla inglesa. En 1683, Hooke propuso una solución a la velocidad de rotación no uniforme de la junta universal: un par de juntas de Hooke desfasadas 90° en cada extremo de un eje intermedio, una disposición que ahora se conoce como un tipo de junta de velocidad constante . [4] [11] Christopher Polhem de Suecia más tarde reinventó la junta universal, dando lugar al nombre Polhemsknut ("nudo Polhem") en sueco.

En 1841, el científico inglés Robert Willis analizó el movimiento de la junta universal. [12] En 1845, el ingeniero y matemático francés Jean-Victor Poncelet había analizado el movimiento de la junta universal utilizando trigonometría esférica. [13]

El término junta universal se utilizó en el siglo XVIII [10] y fue de uso común en el siglo XIX. La patente de Edmund Morewood de 1844 para una máquina de recubrimiento de metal requería una junta universal, con ese nombre, para acomodar pequeños errores de alineación entre el motor y los ejes del laminador. [14] La patente de locomotora de Ephram Shay de 1881, por ejemplo, utilizaba juntas universales dobles en el eje de transmisión de la locomotora . [15] Charles Amidon usó una junta universal mucho más pequeña en su broca patentada en 1884. [16] La máquina de vapor esférica, giratoria y de alta velocidad de la Torre Beauchamp utilizó una adaptación de la junta universal c.  1885 . [17]

El término articulación cardán parece haber llegado tarde al idioma inglés. Muchos de los primeros usos del siglo XIX aparecen en traducciones del francés o están fuertemente influenciados por el uso francés. Los ejemplos incluyen un informe de 1868 sobre la Exposición Universal de 1867 [18] y un artículo sobre el dinamómetro traducido del francés en 1881. [19]

En el siglo XX, Clarence W. Spicer y Spicer Manufacturing Company , así como la marca sucesora de Hardy Spicer , ayudaron a popularizar aún más las juntas universales en las industrias automotriz , de equipos agrícolas , de equipos pesados ​​y de maquinaria industrial .

Ecuación de movimiento

Diagrama de variables para la junta universal. El eje 1 es perpendicular al plano rojo y el eje 2 es perpendicular al plano azul en todo momento. Estos planos forman un ángulo β entre sí. El desplazamiento angular (posición rotacional) de cada eje viene dado por y respectivamente, que son los ángulos de los vectores unitarios y con respecto a sus posiciones iniciales a lo largo de los ejes x e y. Los vectores y están fijados por el cardán que conecta los dos ejes y, por lo tanto, están obligados a permanecer perpendiculares entre sí en todo momento.
Una muestra de junta universal codificada por colores según los diagramas sobre la ecuación de movimiento. Los planos rojo y azul son visibles.
Una muestra de junta universal codificada por colores según los diagramas sobre la ecuación de movimiento. Los planos rojo y azul son visibles.

La junta cardán sufre un problema importante: incluso cuando el eje del eje de entrada gira a una velocidad constante, el eje del eje de salida gira a una velocidad variable, provocando así vibraciones y desgaste. La variación de la velocidad del eje conducido depende de la configuración de la junta, la cual viene especificada por tres variables:

  1. el ángulo de rotación del eje 1
  2. el ángulo de rotación del eje 2
  3. el ángulo de curvatura de la articulación, o ángulo de los ejes entre sí, siendo cero paralelo o recto.

Estas variables se ilustran en el diagrama de la derecha. También se muestran un conjunto de ejes de coordenadas fijos con vectores unitarios y los planos de rotación de cada eje. Estos planos de rotación son perpendiculares a los ejes de rotación y no se mueven cuando los ejes giran. Los dos ejes están unidos por un cardán que no se muestra. Sin embargo, el eje 1 se fija al cardán en los puntos rojos del plano de rotación rojo del diagrama y el eje 2 se fija en los puntos azules del plano azul. Los sistemas de coordenadas fijos con respecto a los ejes giratorios se definen como aquellos que tienen sus vectores unitarios del eje x ( y ) apuntando desde el origen hacia uno de los puntos de conexión. Como se muestra en el diagrama, forma un ángulo con respecto a su posición inicial a lo largo del eje x y forma un ángulo con respecto a su posición inicial a lo largo del eje y .

se limita al "plano rojo" en el diagrama y está relacionado con :

está confinado al "plano azul" en el diagrama y es el resultado de girar el vector unitario en el eje x mediante ángulos de Euler :

Una restricción de los vectores y es que, dado que están fijos en el cardán , deben permanecer en ángulo recto entre sí. Esto es así cuando su producto escalar es igual a cero:

Así, la ecuación de movimiento que relaciona las dos posiciones angulares viene dada por:

con una solución formal para :

La solución de no es única ya que la función arcotangente tiene varios valores; sin embargo, se requiere que la solución sea continua en los ángulos de interés. Por ejemplo, la siguiente solución explícita usando la función atan2 (y, x) será válida para :

Los ángulos y en una articulación giratoria serán funciones del tiempo. Diferenciar la ecuación de movimiento con respecto al tiempo y usar la ecuación de movimiento misma para eliminar una variable produce la relación entre las velocidades angulares y :

Como se muestra en los gráficos, las velocidades angulares no están relacionadas linealmente, sino que son periódicas con un período la mitad que el de los ejes giratorios. La ecuación de la velocidad angular se puede diferenciar nuevamente para obtener la relación entre las aceleraciones angulares y :

Doble eje cardán

Juntas universales en un eje de transmisión

Una configuración conocida como eje de transmisión de doble junta cardán supera parcialmente el problema de la rotación entrecortada. Esta configuración utiliza dos juntas universales unidas por un eje intermedio, con la segunda junta universal en fase en relación con la primera junta universal para cancelar la velocidad angular cambiante. En esta configuración, la velocidad angular del eje impulsado coincidirá con la del eje impulsor, siempre que tanto el eje impulsor como el eje impulsado estén en ángulos iguales con respecto al eje intermedio (pero no necesariamente en el mismo plano) y que las dos juntas universales están desfasadas 90 grados. Este conjunto se emplea comúnmente en vehículos con tracción trasera , donde se lo conoce como eje de transmisión o eje de hélice (prop).

Incluso cuando los ejes impulsor y conducido forman ángulos iguales con respecto al eje intermedio, si estos ángulos son mayores que cero, se aplican momentos oscilantes a los tres ejes a medida que giran. Estos tienden a doblarlos en una dirección perpendicular al plano común de los ejes. Esto aplica fuerzas a los cojinetes de soporte y puede causar "temblores de lanzamiento" en vehículos con tracción trasera. [20] El eje intermedio también tendrá una componente sinusoidal en su velocidad angular, lo que contribuye a la vibración y las tensiones.

Matemáticamente, esto se puede mostrar de la siguiente manera: Si y son los ángulos de entrada y salida de la junta universal que conecta los ejes motriz y intermedio respectivamente, y y son los ángulos de entrada y salida de la junta universal que conecta los ejes intermedio y los ejes de salida respectivamente, y cada par están en ángulo entre sí, entonces:

Si la segunda junta universal se gira 90 grados con respecto a la primera, entonces . Usando el hecho de que se obtiene:

y se ve que el accionamiento de salida está desfasado sólo 90 grados con el eje de entrada, lo que produce un accionamiento de velocidad constante.

NOTA: La referencia para medir los ángulos de los ejes de entrada y salida de la junta universal son ejes mutuamente perpendiculares. Así, en sentido absoluto, las horquillas del eje intermedio son paralelas entre sí. (Dado que una horquilla actúa como entrada y la otra horquilla actúa como salida para los ejes y se menciona una diferencia de fase superior a 90 grados entre las horquillas).

Doble cardán

Una junta cardán doble consta de dos juntas universales montadas espalda con espalda con un yugo central; el yugo central reemplaza el eje intermedio. Siempre que el ángulo entre el eje de entrada y el yugo central sea igual al ángulo entre el yugo central y el eje de salida, la segunda junta Cardán cancelará los errores de velocidad introducidos por la primera junta Cardán y la junta doble Cardán alineada actuará como Junta homocinética.

Acoplamiento Thompson

Un acoplamiento Thompson es una versión refinada de la junta cardán doble. Ofrece una eficiencia ligeramente mayor con la desventaja de un gran aumento en la complejidad.

Ver también

Notas

  1. ^ UjjwalRane (8 de julio de 2010). "Cinemática con MicroStation - Junta Ch02 J Hookes". Archivado desde el original el 11 de marzo de 2016 . Consultado el 4 de mayo de 2018 a través de YouTube.
  2. ^ ver: "Junta universal - Inventada por Gerolamo Cardano" "Junta universal, inventores de la junta universal". Archivado desde el original el 22 de abril de 2017 . Consultado el 21 de abril de 2017 .
  3. ^ Ver:
    • Tony Rothman (2013) "Cardano contra Tartaglia: La gran disputa se vuelve sobrenatural", pág. 25. Disponible en línea en: Arxiv.org. (Tenga en cuenta que Rothman menciona el error de Wikipedia con respecto a la supuesta invención de la junta universal por parte de Cardano).
    • Hans-Christoph Seherr-Thoss, Friedrich Schmelz, Erich Aucktor, Juntas universales y ejes de transmisión: análisis, diseño, aplicaciones (Berlín, Alemania: Springer Verlag, 1992), pág. 1.
    • Marie Boas, The Scientific Renaissance: 1450-1630 (Nueva York, Nueva York: Harper Brothers, 1962), pág. 186 Archivado el 11 de abril de 2016 en Wayback Machine .
    • James Eckman, Jerome Cardan (Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins Press, 1946), pág. 77.
    • Hieronymi Cardanime (Gerolamo Cardano), De Subtilitate Libri XXI. (Sobre las cosas sutiles en 21 libros) (Basilea, Suiza: Sebastian Henric Petri, 1553), Liber XVII. De Artibus, Artificiosisque; jeroglífico. (Libro 17. De manualidades y ingenios), pág. 817. (Nota: (1) Este libro es una reimpresión del original de 1500. (2) En el margen de la p. 817 está impreso: Sedes mira (silla milagrosa).) De la p. 817: Archivado el 11 de octubre de 2017 en Wayback Machine "Simili ratione inventũ est, ut Cæsaris sedes ita disponeretur, ut quocumque situ constituatur, ille immobilis, ac commodè dum vehitur sedeat. Hoc tractum ex armillarum ratione: cum enim circuli tres chalybei constituentur , polis sursum, deorsum, antè, retro, dextra ac sinistra mobilibus, cum plures non possint esse situs, necesse est ipsum in essedo quomodocumque agatur quiescere perpetuò." (Por un razonamiento similar, [se] ha descubierto que la silla del Emperador podría estar dispuesta de manera que él [permanezca] fijo en cualquier orientación que se decida y se siente cómodamente mientras es transportado. Esto se basa en la lógica del montaje del cardán: los tres anillos de acero están dispuestos por los polos móviles [es decir, los extremos de los ejes] hacia arriba, hacia abajo, adelante, atrás, derecha e izquierda, cuando no se pueden permitir más [movimientos], [porque] es necesario [que] él en hacer que el carruaje permanezca quieto constantemente.)
    • Hieronymi Cardani (Gerolamo Cardano), Mediolanensis Philosophi ac Medici Celeberrimi Operum [De las famosísimas obras del filósofo y médico milanés] (Lyon (Lugdunum), Francia: Jean Antoine Huguetan y Marc Antoine Ravaud, 1663), vol. 10: Opuscula miscellanea (Obras varias), Paralipomenon (Suplemento), Liber V. De rebus factis raris & artificiis (Libro 5. De las cosas raras e ingeniosamente hechas), Caput VII. De Armillarum instrumento (Capítulo 7. Sobre el armilar), págs. 488-489.
  4. ^ abc Mills, Allan, "La 'junta universal' de Robert Hooke y su aplicación a los relojes de sol y al reloj de sol", Notes & Records of the Royal Society , 2007, consultado en línea Archivado el 25 de septiembre de 2015 en Wayback Machine 2010-06 -dieciséis
  5. ^ Gasparis Schotti, Technica Curiosa, sive Mirabilia Artis, Libris XII. … [Curiosas obras de habilidad, u maravillosas obras de artesanía] (Nuremberg (Norimberga), (Alemania): Johannes Andreas Endter & Wolfgang Endter, 1664), Liber IX. Mirabilia Chronometrica,… (Libro 9. Relojes maravillosos,…), Caput V. Signa cronometrica optica, seu indices. (Capítulo 5. Relojes visuales maravillosos, o relojes con manecillas), págs. 664-665: Propositio XX. Indicem sinuosum & obliquatum per anfractus quosvis, sine Rotis dentatis quocumque lubet educere. (Proposición 20. [Cómo], sin ningún engranaje, conducir el puntero giratorio [es decir, el eje que impulsa las manecillas del reloj] a través de cualquier curva que uno desee.) En el margen está impreso: Vide Iconismo. VII. Fig. 32. (Ver Lámina 7, Figura 32.), que representa la junta universal de Schott. Schott primero señala que puede haber ocasiones en las que el engranaje de un reloj funcione y su esfera no se pueda alinear convenientemente; por ejemplo, relojes públicos instalados en torres. Luego menciona, en la descripción de su construcción ( Technasma , palabra griega que significa "artificio"), que la junta universal se asemeja a un cardán que se utiliza para sostener una lámpara de aceite para que no derrame aceite. La articulación de Schott consta de dos horquillas ( fuscinula ), cada una de las cuales consta de un eje al que se une en un extremo una tira de metal doblada en semicírculo. Cerca de cada extremo del semicírculo se perfora un agujero. También se realiza una cruz de cuatro brazos perpendiculares ( crux sive 4 brachia ). Los agujeros en cada semicírculo encajan sobre los extremos de un par de brazos opuestos. El ángulo entre los ejes debe ser mayor que un ángulo recto. Al analizar el movimiento de la articulación ( Motus ), Schott afirma que los dos ejes se mueven a la misma velocidad (es decir, forman una articulación de velocidad constante): "... horum autem ductum necesse est sequatur & altera fuscinula, parique cum priore illa feratur velocitate : unde si fuerit unius fuscinulae motus regularis circularis, erit similis & alterius…” (… pero esta [horquilla] impulsada debe seguir a la otra horquilla [impulsora], y nacer con una velocidad igual a la anterior: de donde si el movimiento de una horquilla eran regularmente circulares, lo mismo será con el otro… ).
  6. ^ Para obtener una historia (parcial) de las juntas universales, consulte: Robert Willis, Principios de mecanismo …, 2ª ed. (Londres, Inglaterra: Longmans, Green y Co., 1870), Quinta parte: Sobre las juntas universales, págs.
  7. ^ "universal, a. (adv.) y n. ", párrafo 13, Oxford English Dictionary Online, consultado el 16 de junio de 2010
  8. Hooke describió por primera vez una junta universal en el instrumento de Hevelius en: Robert Hooke, Animadversions on the first part of the Machina Coelestis … (Londres, Inglaterra: John Martyn, 1674), p. 73. Aquí llama a la articulación un "Instrumento universal". De la página 73: Mostraré "... qué uso he hecho de este Joynt, como instrumento universal para marcar, para igualar el tiempo, para hacer que la manecilla de un reloj se mueva a la sombra de un estilo y para realizar una multitud de de otras Operaciones Mecánicas." La articulación se muestra en la placa X, figuras 22 y 23, que están disponibles en: Posner Memorial Collection - Carnegie Mellon University Archivado el 17 de noviembre de 2015 en Wayback Machine.
  9. ^ Robert Hooke, Una descripción de helioscopios y algunos otros instrumentos (Londres, Inglaterra: John Martyn, 1676), p. 14. De la pág. 14: "El Joynt Universal para todo este tipo de Operaciones, no habiendo tenido tiempo de describir el último Ejercicio, ahora lo explicaré más particularmente". Las ilustraciones de la junta universal de Hooke aparecen en la pág. 40, figuras 9 y 10; disponible en: Biblioteca ETU; Zurich, Suiza Archivado el 23 de septiembre de 2015 en Wayback Machine .
  10. ^ ab Revisión del Tratado sobre relojes marinos de Ferdinand Berthoud, apéndice art. VIII, The Monthly Review o Revista Literaria, vol. L, 1774; ver nota al pie, página 565.
  11. ^ Gunther, Robert Theodore, Ciencia temprana en Oxford , vol. 7: "Vida y obra de Robert Hooke, Parte II" (Oxford, Inglaterra: Dawsons of Pall Mall, 1930), págs.
  12. ^ Willis, Robert, Principios de mecanismos ,… (Londres, Inglaterra: John W. Parker, 1841), págs.
  13. ^ JV Poncelet, Traité de mécanique appliquée aux machines , Parte 1 (Lieja, Francia: Librairie scientifique et industrielle, 1845), págs.
  14. ^ Edmund P. Morewood, Mejora en el revestimiento de hierro y cobre, patente de EE. UU. 3.746, 17 de septiembre de 1844.
  15. ^ Ephraim Shay, Locomotive-Engine, patente estadounidense 242.992, 14 de junio de 1881.
  16. ^ Charles H. Amidon, Bit-Brace, patente estadounidense 298.542, 13 de mayo de 1884.
  17. ^ Douglas yo mismo . "El motor esférico de la torre".
  18. ^ William P. Blake, Informe del Comisionado para la Exposición de París de 1867, Capítulo 1, Transacciones de la Sociedad Agrícola del Estado de California, durante los años 1866 y 1867, Vol X, Gelwicks, Sacramento, 1868.
  19. ^ The Dinamometer Balance, [Revista de ingeniería de Van Nostrand], vol. XXV, núm. CLVI (dic. 1881); página 471.
  20. ^ Soporte de soporte de cojinete de altura ajustable controlado electrónicamente - Patente de EE. UU. 6345680 Archivada el 5 de febrero de 2009 en Wayback Machine .

Referencias

enlaces externos