a
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS, DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
INSPECCIÓN AUTOMATIZADO DE MOVIMIENTOS
TRANSVERSALES Y LONGITUDINALES PARA DETERMINAR
VISUALMENTE EL FUNCIONAMIENTO DE PARTES MÓVILES
DEL TREN DE RODAJE.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
LUIS FERNANDO TAPIA BENAVIDES
DIRECTOR: ING. SIMÓN HIDALGO
a © Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
a
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172080145-3
APELLIDO Y NOMBRES: Luis Fernando Tapia Benavides
DIRECCIÓN: La Ofelia, calle los molles y pasaje sin nombre casa Oe4-18
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2596106
TELÉFONO MOVIL: 0992753042
DATOS DE LA OBRA TITULO:
Análisis, diseño e implementación de un sistema de inspección automatizado de movimientos transversales y longitudinales para determinar visualmente el funcionamiento de partes móviles del tren de rodaje. AUTOR O AUTORES: Luis Fernando Tapia Benavides FECHA DE ENTREGA DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN:
02 de junio 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Simón Hidalgo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
a RESUMEN: Mínimo 250
palabras
El presente trabajo aborda el análisis, diseño e implementación de un sistema de inspección automatizado de movimientos transversales y longitudinales para determinar visualmente el funcionamiento de partes móviles del tren de rodaje se lo realizo con un fin de investigación y aporte académico ya que no existen máquinas de este tipo en los talleres mecánicos para la revisión de fallas en el tren de rodaje de automóviles. El equipo a construirse posee muchos sistemas complejos los cuales fueron analizados y calculados usando el mejor criterio para tener una larga vida útil.
Se realiza el estudio ingenieril de los sistemas que conforman el equipo de detección de fallas de tren de rodaje, determinando la potencia optima, el estructural y el de seguridad,
En el sistema hidráulico se determina el caudal de la bomba, la potencia del motor, el tipo de cilindro, la presión del sistema, el tipo de válvulas, las mangueras hidráulicas. En la parte estructural la carcasa metálica y soporte estructural se utiliza el acero A36 y se realizan los cálculos para garantizar que las cargas aplicadas a la estructura metálica no sobrepasen los límites y esfuerzos de las propiedades del material empleado.
Se realizan las pruebas de campo con el fin de verificar, calibrar o corregir los parámetros de funcionamiento de la máquina y su utilidad para la detección de fallas en el sistema de tren de rodaje.
Esta máquina quedará a cargo de la universidad estará instalada en una fosa de inspección de la facultad de ingeniería automotriz y servirá como ayuda de formación profesional para los estudiantes de ingeniería automotriz.
a
DEDICATORIA
Es inherente la fundamental dedicatoria a Dios y a la vida por la
oportunidad de culminar un trabajo de vital importancia para conseguir el
objetivo anhelado con expectativas de éxito.
A mis padres por ser el ejemplo vivo del profesionalismo y embajador de los
buenos principios y valores inculcados en mi personalidad.
A mi familia por el incentivo a luchar por los sueños.
A mis amigos y a la comunidad universitaria por convertirse en el entorno
impulsarte en mi vida.
Una persona nunca olvida sus sueños, si lo hemos hecho es porque no tenemos metas o sueños por alcanzar o simplemente hemos dejado de existir.
a
AGRADECIMIENTO
Es indispensable expresar mi profundo agradecimiento a quienes han
liderado mi formación profesional al hoy sentirme orgulloso a más de ser
Ingeniero Automotriz, el ser un humano al servicio de la sociedad.
Sea notorio el voto a la Universidad Tecnológica Equinoccial y a la
distinguida Escuela de Ingeniería Automotriz emblemas de capacidad y
erudición, como también a su cuerpo docente los que se han instituido como
emisarios excelentes de los conocimientos adquiridos.
No podía pasar por alto el reconocimiento al esfuerzo humano y familiar de
quienes han constituido la inspiración hacia el camino del éxito.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... x
ABSTRACT ... xi
INTRODUCCIÓN ... 1
MARCO TEÓRICO ... 5
2.1.El DETECTOR DE HOLGURAS ... 6
2.1.1DEFINICIÓN ... 6
2.1.2 FUNCIONAMIENTO ... 6
2.1.3 TIPOS DE DETECTORES DE HOLGURA ... 8
2.1.3.1 Placa detectora con movimientos transversal y longitudinal ...8
2.1.3.2 Placa detectora con movimiento longitudinal ...9
2.2. SISTEMA HIDRÁULICO ... 9
2.2.1 BOMBAS HIDRÁULICAS ... 10
2.2.1.1 Bombas de engranajes ...10
2.2.1.2 Bombas de paletas ...11
2.2.1.3 Bombas de pistones...12
2.2.2 ACUMULADORES ... 14
2.2.2.1 Acumulador de contrapeso ...15
2.2.2.2 Acumulador por muelle ...15
2.2.2.3 Acumulador de pistón ...16
2.2.2.4 Acumulador de gas no separado...17
2.2.2.5 Acumulador de diafragma ...17
2.2.3 ACTUADORES ... 18
2.2.3.1 Cilindros ...18
2.2.3.2 Motores Hidráulicos ...23
2.2.4 VÁLVULAS HIDRÁULICAS ... 27
2.2.4.1 Válvulas de seguridad ...28
2.2.4.2 Válvulas direccionales ...28
2.2.4.3 Válvulas para control de caudal ...30
ii PÁGINA
2.2.6 SIMBOLOGÍA DEL SISTEMA HIDRÁULICO ... 32
2.2.6.1 Líneas ...32
2.2.6.2 Motor eléctrico ...32
2.2.6.3 Bombas...33
2.2.6.4 Motores hidráulicos ...33
2.2.6.5 Filtros ...33
2.2.6.6 Acumuladores ...34
2.2.6.7 Válvulas ...34
2.2.6.8 Válvulas direccionales ...34
2.2.6.9 Accionamientos de válvulas direccionales ...35
2.2.6.10 Otras válvulas...36
2.2.6.11 Instrumentos y accesorios ...36
2.2.6.12 Cilindros hidráulicos ...37
METODOLOGÍA... 38
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...41
4.1 ASIGNACIÓN DE MATERIAL ... 42
4.1.1 PROCESO PARA LA SELECCION ... 43
4.1.2 ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS O MATRIZ DE DECISIÓN ... 44
4.2 ESTUDIO DE ANÁLISIS ESTÁTICO ... 45
4.3 PARTES DE LA MÁQUINA ... 46
4.3.1 CARCASA ... 47
4.3.2 SOPORTE INTERMEDIO ... 48
4.3.3 EL DESLIZADOR ... 50
4.3.4 EL CILINDRO HIDRÁULICO ... 51
4.3.5 LA TAPA ... 53
4.4 DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO ... 55
4.4.1 FUERZA MÁXIMA DE TRABAJO ... 55
4.4.2 PRESIÓN MÁXIMA DE TRABAJO ... 56
4.4.3 CÁLCULO DEL CAUDAL ... 56
iii PÁGINA
4.4.5 CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR ... 58
4.4.6 CÁLCULO DE LA PRESIÓN EN LA VÁLVULA DE SEGURIDAD . 58 4.4.7 SELECCIÓN DE LA VÁLVULA DISTRIBUIDORA... 59
4.4.8 SELECCIÓN DE TUBERÍAS ... 59
4.4.8.1 Cálculo de la tubería de succión ...59
4.4.8.2 Calculo de la tubería de suministro y retorno ...60
4.4.9 DISEÑO DEL DEPÓSITO ... 61
4.4.10 SELECCIÓN DEL ACEITE HIDRÁULICO ... 61
4.5 DISEÑO DEL SOPORTE METÁLICO ... 62
4.5.1 DISEÑO DE LAS PLACAS ... 62
4.5.2 ANÁLISIS DE LOS PERNOS DE SUJECIÓN... 65
4.5.3 ANÁLISIS DE LAS JUNTAS SOLDADAS ... 66
4.6 CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO ... 68
4.6.1 MÁQUINAS HERRAMIENTAS E INSTRUMENTOS ... 68
4.6.2 PROCESOS MECÁNICOS ... 69
4.6.3 PASOS DE ELABORACIÓN ... 70
4.6.4 CONTROL AUTOMATIZADO DEL SISTEMA HIDRÁULICO ... 70
4.7 RESULTADOS OBTENIDOS ... 72
4.7.1 ESTRUCTURA METÁLICA... 72
4.7.2 CARACTERÍSTICAS FINALES DEL SISTEMA HIDRÁULICO ... 73
4.7.3 CIRCUITO HIDRÁULICO ... 74
4.8 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 75
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...77
5.1 CONCLUSIONES ... 78
5.2 RECOMENDACIONES... 79
BIBLIOGRAFÍA ...80
ANEXOS ...84
Anexo 1 ... 85
Anexo 2 ... 86
Anexo 3 ... 87
iv
Anexo 5 ... 92
Anexo 6 ... 93
Anexo 7 ... 94
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Clasificación de mangueras según SAE ... 31
Tabla 2. Selección de Material ... 44
Tabla 3. Velocidades límites dependiendo del tipo de línea ... 59
Tabla 4. Especificaciones de aceites ... 62
Tabla 5. Tamaño de chaflán según espesor de placa ... 66
Tabla 6. Listado de máquinas, herramientas e instrumentos... 69
Tabla 7. Procesos de conformado... 69
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Detector de holgura... 6
Figura 2. Partes móviles de la suspensión y ejes de la dirección ... 7
Figura 3. Placa detectora con movimientos transversal y longitudinal ... 8
Figura 4. Placa detectora con movimiento longitudinal ... 9
Figura 5. Clasificación de bombas hidráulicas ... 10
Figura 6. Esquema de una bomba de engranes ... 11
Figura 7. Esquema de la bomba de paletas ... 12
Figura 8. Esquema de bomba de pistones radiales ... 13
Figura 9. Esquema de bomba de pistones axiales ... 14
Figura 10. Acumulador de contrapeso ... 15
Figura 11. Acumulador por muelle ... 16
Figura 12. Acumulador de pistón ... 16
Figura 13. Acumulador de gas no separado... 17
Figura 14. Acumulador de diafragma ... 18
Figura 15. Carrera del cilindro ... 19
Figura 16. Volumen del cilindro ... 19
Figura 17. Cilindro simple de doble efecto ... 20
Figura 18. Cilindro diferencial... 20
Figura 19. Cilindro de doble vástago ... 21
Figura 20. Cilindro simple efecto ... 22
Figura 21. Cilindro buzo ... 22
Figura 22. Cilindro telescópico ... 23
Figura 23. Motor de engranajes ... 25
Figura 24. Motor de paletas ... 26
Figura 25. Vista interna de motor de pistones ... 27
Figura 26. Válvula reguladora de presión ... 28
Figura 27. Válvula anti retorno ... 29
Figura 28. Simbología de líneas hidráulicas ... 32
Figura 29. Simbología de motor eléctrico ... 32
vii PÁGINA
Figura 31. Simbología de motores hidráulicos ... 33
Figura 32. Simbología de filtros ... 33
Figura 33. Simbología de acumuladores ... 34
Figura 34. Simbología de válvulas ... 34
Figura 35. Simbología de válvulas direccionales ... 34
Figura 36. Simbología de accionamientos manuales... 35
Figura 37. Simbología de accionamientos mecánicos ... 35
Figura 38. Simbología de accionamientos eléctricos ... 35
Figura 39. Simbología de accionamientos hidráulicos ... 36
Figura 40. Simbología de otro tipo de válvulas ... 36
Figura 41. Simbología de instrumentos y accesorios... 36
Figura 42. Simbología de cilindros hidráulicos ... 37
Figura 43. Esquema de la estructura del medidor de holgura ... 42
Figura 44. Ficha técnica de planchas de acero A36 ... 45
Figura 45. Simulación de esfuerzos ... 46
Figura 46. Mesa de movimiento oscilatorio ... 47
Figura 47. Carcasa metálica ... 47
Figura 48. Dimensiones de la placa base de la carcasa... 48
Figura 49. Soporte intermedio ... 49
Figura 50. Dimensiones del soporte intermedio ... 49
Figura 51. Dimensiones de guía deslizador ... 50
Figura 52. Deslizador... 51
Figura 53. Cilindro hidráulico de simple efecto... 52
Figura 54. Dimensiones cilindro hidráulico ... 53
Figura 55. Dimensiones de la tapa superior deslizante ... 54
Figura 56. Tapa superior deslizante ... 54
Figura 57. Diagrama de cuerpo libre de fuerzas ... 55
Figura 58. Placa base de lados iguales ... 62
Figura 59. Diagrama de fuerzas piso-placa ... 63
Figura 60. Vista lateral de la placa ... 64
viii PÁGINA
Figura 62. Control del primer cilindro hidráulico ... 70
Figura 63. Control del segundo cilindro hidráulico ... 71
Figura 64. Estructura metálica de la máquina armada ... 73
Figura 65. Circuito hidráulico de detector de holguras para tren de rodaje . 75 Figura 66. Colocación de la central hidráulica en simulación ... 87
Figura 67. Colocación de válvula de cinco vías y tres posiciones en simulación ... 87
Figura 68. Colocación de primer cilindro hidráulico en simulación ... 88
Figura 69. Colocación del segundo cilindro hidráulico en simulación ... 88
Figura 70. Simulación del accionamiento del primer cilindro hidráulico ... 89
Figura 71. Simulación de accionamiento del segundo cilindro hidráulico .... 89
Figura 72. Cilindro hidráulico de simple efecto utilizado en la máquina ... 94
Figura 73. Armado de cilindros para movimiento longitudinal ... 95
Figura 74. Barra deslizadora utilizado en la máquina ... 95
Figura 75. Estructura metálica para cilindros hidráulicos utilizados en la máquina ... 96
Figura 76. Cilindros para movimiento transversal utilizados en la máquina 97 Figura 77. Canales de soporte y orifico de agarre en la tapa superior... 98
Figura 78. Placa superior de apoyo utilizada en la máquina ... 99
Figura 79. Manguera hidráulica utilizada en la máquina... 99
Figura 80. Central hidráulica utilizada en la máquina ... 100
Figura 81. Electroválvula de cinco vías y tres posiciones utilizada en la máquina ... 101
Figura 82. Válvulas utilizado en la máquina ... 102
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1 Coeficiente de fricción ... 85
Anexo 2 Mangueras hidraulicas ... 86
Anexo 3 Simulación del sistema hidraulico ... 87
Anexo 4 Centrales Hidraulicas ... 90
Anexo 5 Cilindro de simple efecto tipo buzo ... 92
Anexo 6 Propiedades mecánicas de los aceros ... 93
Anexo 7 Partes de la máquina... 94
x
RESUMEN
El presente trabajo abordó el análisis, diseño e implementación de un
sistema de inspección automatizado de movimientos transversales y
longitudinales para determinar visualmente el funcionamiento de partes
móviles del tren de rodaje se lo realizó con un fin de investigación y aporte
académico ya que no existen máquinas de este tipo en los talleres
mecánicos para la revisión de fallas en el tren de rodaje de automóviles.
El equipo a construido posee muchos sistemas complejos los cuales fueron
analizados y calculados usando el mejor criterio para tener una larga vida
útil.
Se realizó el estudio ingenieril de los sistemas que conforman el equipo de
detección de fallas de tren de rodaje, determinando la potencia óptima, el
estructural y el de seguridad,
En el sistema hidráulico se determinó el caudal de la bomba, la potencia del
motor, el tipo de cilindro, la presión del sistema, el tipo de válvulas, las
mangueras hidráulicas.
En la parte estructural la carcasa metálica y soporte estructural se utilizó el
acero A36 y se realizaron los cálculos para garantizar que las cargas
aplicadas a la estructura metálica no sobrepasen los límites y esfuerzos de
las propiedades del material empleado.
Se realizaron las pruebas de campo con el fin de verificar, calibrar o corregir
los parámetros de funcionamiento de la máquina y su utilidad para la
detección de fallas en el sistema de tren de rodaje.
Esta máquina quedó a cargo de la universidad, instalada en una fosa de
inspección de la carrera de ingeniería automotriz y servirá como herramienta
adicional de formación profesional para los estudiantes de ingeniería
automotriz.
xi
ABSTRACT
This paper deals with the analysis, design and implementation of an
automated inspection transverse and longitudinal movements to visually
determine the operation of moving parts undercarriage was it done with a
purpose of research and academic contribution as there are no machines this
type in mechanical workshops for the review of failures in the undercarriage
of cars.
The team has built many complex systems which were analyzed and
calculated using the best approach to have a long life.
The engineering study of systems that make up the troubleshooting team
undercarriage is made, determining the optimal power, structural and safety,
In the hydraulic system the pump flow rate, engine power, cylinder type, the
system pressure, the type of valves, hydraulic hoses is determined.
In the structural part of the metal housing and steel structural support A36 is
used and the calculations are performed to ensure that the loads applied to
the metal structure do not exceed the limits and efforts of the properties of
the material used.
field tests are conducted in order to verify, calibrate or correct the operating
parameters of the machine and its usefulness for detecting faults in the
system chassis.
This machine will be in charge of the university will be installed in a pit
inspection of automotive engineering faculty and serve as a training aid for
students in automotive engineering.
2
1.- INTRODUCCIÓN
Actualmente, la detección de fallas en el tren de rodaje es muy compleja,
debido a las posibles fallas de partes móviles que tiene el vehículo, así se
tiene ajuste de elementos, desgaste de materiales, ruptura de bases o
apoyos, entre otros. Además, la dificultad de visualización ya que su acceso
no es simple porque todos los elementos móviles del tren de rodaje se
encuentran en la parte inferior del vehículo.
Al no poseer los talleres de revisión vehicular una herramienta de trabajo
que permitan evaluar las posibles fallas, algunas veces se tiene un
diagnóstico erróneo en los daños del tren de rodaje que se extiende a
suposiciones de posibles daños a otros sistemas cercanos o auxiliares, por
lo que se produce una pérdida de tiempo, elevación de los costos de
reparación y percepción baja de la calidad de trabajo.
Por los motivos anteriormente citados se propuso diseñar y construir un
equipo de prueba que realice movimientos transversales y longitudinales en
las partes móviles del tren de rodaje, con el objetivo de inspeccionar, evaluar
y verificar en tiempo real el funcionamiento adecuado de las partes o piezas
que conforman el tren de rodaje. Además, que no solo se podrá verificar
partes de la suspensión sino también estado de la superficie inferior del
vehículo, fugas de líquidos, bordes internos de neumáticos, sistema de
escape, cañerías, otras. Ya que el equipo a ser construido se montará en
una fosa de inspección vehicular, optimizando al máximo la visualización y
brindando ergonomía al personal para la realización de comprobación de
fallas.
El equipo en estudio consta de dos sistemas, el sistema de la estructura
metálica donde en su interior estarán los sistemas mecánicos de movimiento
transversal y longitudinal y que soportar el peso del vehículo, y el sistema
hidráulico que servirá para accionar los cilindros hidráulicos y controlar los
3 El equipo construido fue montado en la Universidad Tecnológica Equinoccial
por lo cual el presente proyecto brindará una ayuda pedagógica a todos los
alumnos de esta universidad y de otras universidades que se encuentren
cursando la carrera de ingeniería Automotriz, ya que los nuevos
profesionales tendrán la oportunidad de saber lo importante de tener equipos
para la evaluación de tren de rodaje así como las partes difíciles de observar
que se encuentran al inferior del vehículo y además saber detectar y evaluar
las fallas con precisión y eficiencia sin pérdida de tiempo.
En los talleres automotrices de la ciudad de Quito y otras del país es poco
probable que cuenten con un equipo para la evaluación de tren de rodaje,
este tipo de equipo es utilizado por la Corpaire, empresa que está encargada
de realizar la revisión obligatoria de los autos en las principales ciudades de
nuestro país, pero hasta la actualidad no ha sido implementada por ningún
taller, ni laboratorio de las universidades del Ecuador, por lo cual este es un
proyecto pionero en el país en implementar un detector de fallas para tren de
rodaje.
Con el diseño y construcción de este equipo también se pretende que sirva
como base para la producción en masa del equipo de inspección de tren de
rodaje, que fue construido con producción y mano de obra nacional
brindando plazas de trabajo.
El objetivo general consistió en analizar, diseñar e implementar un sistema
de inspección automatizado de movimiento transversal y longitudinal para
determinar visualmente el funcionamiento de partes móviles del tren de
rodaje.
Entre los objetivos específicos que se alcanzaron en esta investigación esta: Identificar los componentes que conforman el equipo de movimiento
transversal y longitudinal para la detección de fallos del tren de rodaje. Elegir los elementos necesarios para la construcción del equipo de
movimientos transversales y longitudinales para determinar fallas en
4 Implementar y realizar pruebas del comportamiento de este equipo en
el taller de la UTE para que los compañeros de carrera puedan utilizar
6
2.- MARCO TEÓRICO
2.1. EL DETECTOR DE HOLGURAS
1.1.1 DEFINICIÓN
Es un equipo electrohidráulico que permite la evaluación de holguras que
puede generarse en las ruedas, elementos de la dirección, partes de la
suspensión, partes de amortiguación y frenado y en todas las juntas entre
las partes antes mencionadas y el bastidor del vehículo (Herrera & Vacas,
2016).
2.1.2 FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento del detector de holguras consiste en una placa a nivel del
suelo donde se asienta el neumático del vehículo y permite realizar
movimientos transversales y longitudinales, como se muestra en la figura 1
(Herrera & Vacas, 2016).
7 El detector de holguras logra comprobar el desgaste que sufre la suspensión
del vehículo, también permite localizar el estado de los ejes y el juego que
existen entre ellos, ver figura 2, al apoyar las ruedas del vehículo sobre la
placa móvil del equipo.
Figura 2. Partes móviles de la suspensión y ejes de la dirección (DIVEHCO, 2016)
El equipo puede ser montado en una fosa de inspección de hormigón
o sobre el suelo mediante rampas portables.
El equipo brinda ergonomía para el inspector visual, ya que facilita la
visualización, detección y diagnóstico de las fallas por holgura o rotura
de los elementos de suspensión del vehículo.
El equipo se acciona mediante un sistema hidráulico y se controla sus
movimientos a distancia mediante un control de mando.
El equipo puede desplazarse en dos ejes, transversal y longitudinal, el
movimiento es llevado a cabo por cuatro cilindros hidráulicos.
8 2.1.3 TIPOS DE DETECTORES DE HOLGURA
Dentro de los detectores de holgura hidráulicos se hará una clasificación de
acuerdo al tipo de movimiento que realizan:
Placa detectora con movimientos transversal y longitudinal Placa detectora con movimiento longitudinal.
2.1.3.1 Placa detectora con movimientos transversal y longitudinal
Las placas están conformadas por actuadores tipo cilindro hidráulico simple
efecto, lo que significa que la fuerza hidráulica se la aplica en un extremo del
cilindro, en la figura 3 se muestra un detector de holgura con movimientos
transversales y longitudinales
Figura 3. Placa detectora con movimientos transversal y longitudinal (Herrera & Vacas, 2016)
La presión hidráulica actúa en el pistón del cilindro produciendo un
movimiento lineal. Para cada movimiento se dispone de un cilindro
hidráulico, cuando uno se acciona el otro se libera automáticamente, lo que
provoca que el pistón se recoja por la presión del otro, enviando e aceite
hidráulico a la central oleodinámica.
Placa de cierre. Guías
Posición entre los dos pistones.
9 2.1.3.2 Placa detectora con movimiento longitudinal
Tiene dos cilindros hidráulicos de simple efecto, lo cual solo permitirá el
movimiento longitudinal, ver figura 4.
Figura 4. Placa detectora con movimiento longitudinal (Herrera & Vacas, 2016)
2.2. SISTEMA HIDRÁULICO
Un sistema hidráulico es un conjunto de componentes donde a través de la
presión de los fluidos se ejercen fuerzas. Entre los componentes básicos que
conforman un sistema hidráulico se tiene: Bombas hidráulicas
Acumuladores
Actuadores hidráulicos Válvulas hidráulicas
Otros elementos y accesorios
10 2.2.1 BOMBAS HIDRÁULICAS
Las bombas hidráulicas impulsan el aceite o fluido hidráulico, logrando
transformar la energía mecánica rotativa en energía hidráulica (Herrera &
Vacas, 2016).
Las bombas hidráulicas se clasifican de acuerdo a lo que se muestra en la
figura 5.
Figura 5. Clasificación de bombas hidráulicas
2.2.1.1 Bombas de engranajes
Las bombas de engranes trabaja con un caudal de fluido, que lo transporta
entre los dientes de dos engranes acoplados dentro de una carcasa, uno de
los engranes lo acciona el eje de la bomba y por contacto entre dientes hace
girar el otro. La cámara de bombeo formada por el espacio entre los
engranes, están cerradas por la carcasa de la bomba y por las placas de
presión (Quispe, 2008).
Las bombas de engranes no tienen un equilibrio hidráulico ya que su alta
presión en el orificio de salida ejerce una carga desequilibrada sobre los
Clasificación de bombas hidráulicas
Por el caudal
11 engranes y cojinetes, ver figura 6. Para equilibrar estas cargas se han
instalado grandes cojinetes a este tipo de bombas. El rango de trabajo de
este tipo de bombas es de presiones hasta 3600 psi con una buena
compensación de las cargas axiales (Quispe, 2008).
Figura 6. Esquema de una bomba de engranes (Magallanes, 2009)
2.2.1.2 Bombas de paletas
El funcionamiento de una bomba de paletas se muestra en la figura 7, posee
un rotor ranurado que esta acoplado al eje de accionamiento que gira dentro
de una cavidad ovalada. Las paletas están colocadas dentro de las ranuras
del rotor, cuando el rotor gira estas siguen la superficie interna de la cavidad
(Quispe, 2008).
Por lo general se necesita una velocidad mínima de 600 rpm para el
arranque, así la fuerza centrífuga y la presión existente en la parte inferior de
las paletas, las mantenga apoyadas en la cavidad. La cámara de bombeo se
12 En consecuencia, que tanto el rotor como el anillo son concéntricos, la
cámara aumenta de tamaño, originando un vacío parcial que provoca la
aspiración del fluido en el orificio de entrada. Cuando pasan por el centro, las
cámaras disminuyen de tamaño produciendo la salida del fluido. El
desplazamiento de este tipo de bomba depende del ancho del anillo y rotor,
además de la distancia que las paletas pueden alcanzar desde la superficie
del rotor al anillo. (Quispe, 2008).
La fricción entre la superficie interna del anillo y la punta de las paletas
produce un desgaste mutuo de sus elementos. Para mantener un contacto
constante, las paletas se desubican de sus ranuras cuando se desgastan.
El rango de trabajo de estas bombas de presiones es de hasta 3000 psi, con
caudales pequeños y medianos. Poseen un rendimiento alto, bajo nivel
sonoro y el mantenimiento es muy fácil.
Figura 7. Esquema de la bomba de paletas (Magallanes, 2009)
2.2.1.3 Bombas de pistones
El mecanismo de funcionamiento de este tipo de bombas es a través de un
pistón moviéndose de manera alternativa dentro de una cámara, succiona
13 Hay dos tipos de bombas de pistones: la de pistones radiales y la de
pistones axiales, estos dos tipos puede ser de desplazamiento fijo o variable. Bomba de pistones radiales
Esta bomba tiene el bloque de cilindros que gira sobre un pivote fijo y
dentro de un anillo circular o rotor. Por acción del movimiento giratorio, la
fuerza centrífuga, la presión hidráulica u otra fuerza mecánica, hace que
los pistones sigan la superficie interna del anillo, que es excéntrico con
relación al bloque de cilindros, ver la figura 8. Al mismo tiempo en que los
pistones se desplazan de manera alternada en sus cilindros, los orificios
que se están en el anillo de distribución permiten succionar fluido cuando
se mueve hacia afuera y desalojar fluido cuando se mueve hacia adentro.
Figura 8. Esquema de bomba de pistones radiales (Magallanes, 2009)
Bomba de pistones axiales
En este tipo de bomba se caracteriza por tener la misma dirección entre
el conjunto de cilindros y el eje de accionamiento, y los pistones se
mueven alternativamente en sentido paralelo al eje, ver figura 9. El eje de
accionamiento mueve el barrilete que contiene los pistones, que se
encuentran en los alojamientos de la camisa y conectados mediante
patines a la placa de soporte, de manera que los patines se encuentran
apoyados sobre una placa circular inclinada. A medida que gira el
barrilete, los patines siguen la dirección de la placa inclinada,
produciendo que los pistones se muevas de manera alternativa. Los
14 pistones pasan por la entrada cuando empiezan a salir de sus
alojamientos y por la salida cuando se les obliga a entrar. Para la
regulación del caudal, se debe disminuir el ángulo de inclinación de la
placa circular, para reducir la carrera de los pistones.
Figura 9. Esquema de bomba de pistones axiales
(Magallanes, 2009)
2.2.2 ACUMULADORES
Un acumulador es un depósito que tiene como función almacenar una cierta
cantidad de fluido incomprensible y mantenerlo a una determinada presión
mediante una fuerza externa.
Un fluido hidráulico que está bajo presión, ingresa a la cámara del
acumulador y realiza una de estas funciones, comprimir un resorte,
comprimir un gas o levantar un peso, cuando la presión es liberada el
elemento reacciona y fuerza al fluido a salir otra vez (INACAP, 2002).
Las principales funciones de un acumulador son: Complementa el flujo de la bomba
15 Suministra potencia de emergencia
Compensa pérdidas en el sistema Absorbe choques hidráulicos.
2.2.2.1 ACUMULADOR DE CONTRAPESO
El acumulador de contrapeso produce una fuerza sobre el líquido
almacenado, a través de grandes pesos que actúan sobre el pistón o
embolo, ver figura 10. Los pesos pueden ser fabricados de cualquier material
que sea pesado, como acero, hormigón e incluso agua (INACAP, 2002).
Figura 10. Acumulador de contrapeso (INACAP, 2002)
Los acumuladores de contrapeso tienen gran tamaño, pueden tener una
capacidad de miles de litros y pueden dar servicio a varios sistemas a la vez.
2.2.2.2 Acumulador por muelle
En los acumuladores cargadas por muelle, la fuerza es aplicada al líquido
almacenado a través de un pistón sobre el cual actúa un resorte. Su tamaño
es menor que los de contrapeso, sirvan para dar servicio a sistemas
16 Mientras el líquido es bombeado al interior del acumulador, la presión del
fluido almacenado se lo calcula por la fuerza de compresión del resorte, ver
figura 11.
Figura 11. Acumulador por muelle (Herrera & Vacas, 2016)
2.2.2.3 Acumulador de pistón
Este tipo de acumulador consiste en un cuerpo cilíndrico y un pistón que se
mueve alternativamente, el gas ocupa el volumen por encima del pistón y
este se comprime cuando el líquido ingresa al interior del cuerpo cilíndrico,
como se muestra en la figura 12.
17 2.2.2.4 Acumulador de gas no separado
El acumulador de gas no separado está formado por un tanque en el que se
llena de un fluido y a continuación se la da una presión al gas, ver figura 13,
estos se instalan en circuitos donde el volumen de aceite tiene un máximo y
un mínimo dentro del acumulador.
Figura 13. Acumulador de gas no separado (INACAP, 2002)
2.2.2.5 Acumulador de diafragma
Este tipo de acumulador se compone de dos hemisferios metálicos con una
junta atornillada, como se muestra en la figura 14, donde su volumen se
encuentra separado por un diafragma de hule sintético, el gas ocupa el
hemisferio superior, cuando el líquido hidráulico ingresa en el espacio
inferior, el gas de la parte de arriba se comprime. Al descargar el líquido
hidráulico, el diafragma desciende hasta la salida y mantiene el gas dentro
18 Figura 14. Acumulador de diafragma
(Chica, 2013)
2.2.3 Actuadores
Los actuadores son elementos que transforman la energía hidráulica
disponible en energía mecánica, dando el movimiento a la estructura
mecánica.
En general los actuadores se pueden clasificar en dos tipos; actuadores
rotatorios y lineales (INACAP, 2002).
2.2.3.1 Cilindros
Los cilindros son actuadores de tipo lineal que poseen un cabezal posterior y
otro anterior que tiene un agujero para permitir que el vástago se deslice por
medio del cabezal anterior.
2.2.3.1.1 Partes de un cilindro
19 2. Vástagos, pueden ser normales o reforzados, tiene una sección r oscada
en el extremo, son de acero cromado y rectificado.
3. Tapas, son de acero pueden ser soldadas o roscadas.
4. Pistón, son de acero o fundición al cromo níquel.
5. Entradas de fluidos.
6. Amortiguación para fin de carrera, con esto se evita que el pistón impacte
las tapas.
7. Empaquetaduras y retenedores, para garantizar la estanqueidad de los
vástagos (INACAP, 2002).
2.2.3.1.2 Características Técnicas
Carrera del cilindro: es la distancia a través entre el pistón y el extremo del cilindro, ver figura 15.
Figura 15. Carrera del cilindro
(INACAP, 2002)
Volumen del cilindro: el volumen se calcula multiplicando el área del pistón
por la carrera del cilindro, ver figura 16.
20 2.2.3.1.3 Cilindro de doble efecto
Estos cilindros reciben energía por las dos caras del cilindro, lo que quiere
decir que trabajan ambas carreras del cilindro. Para este caso las
magnitudes de las fuerzas dependen del área sobre la cual actúa la presión.
Existen dos clases de cilindros de doble efecto: el diferencial en la extensión
es más lento el movimiento, pero actúa con mayor fuerza. El otro es el
equilibrado o de doble vástago, muy utilizado para direcciones, rectificadores
(INACAP, 2002).
Cilindro de vástago simple
El aceite actúa sobre la superficie del pistón, en cambio en la carrera de
entrada del vástago, el aceite trabaja sobre una superficie menor por la
presencia del vástago, ver figura 17 (INACAP, 2002).
Figura 17. Cilindro simple de doble efecto (Bueno, 2015)
Cilindro diferencial
Este es un caso especial y se distingue porque el embolo es dos veces el
área del vástago, como se muestra en la figura 18.
21 Cilindro de doble vástago
La presión que se ejerce es igual en ambos lados del pistón, lo que permite
desarrollar un trabajo equilibrado pata ambas carreras, eso significa que
tanto la velocidad como la fuerza aplicada es igual para los dos lados, ver
figura 19.
Figura 19. Cilindro de doble vástago (Sapiensman, 2016)
2.2.3.1.4 Cilindro de simple efecto
Este tipo de cilindro, recibe la energía hidráulica por una sola entrada donde
transmite la fuerza al embolo, por lo tanto, el cilindro posee una carrera de
trabajo y otra de retroceso. La carrera puede desarrollarse gracias a la
acción de un resorte o por medio de una carga compensadora, es ese caso
la masa asegura el retorno del vástago.
Por la otra cara del pistón se encuentra seco. En ese extremo del cilindro
debe existir un orificio para que el aire pueda salir o ingresar según el
movimiento del vástago. El cilindro trabajo de una mejor manera ya que no
se genera un vacío. Por lo general el orifico tiene un filtro para evitar que
ingrese suciedad al cilindro (INACAP, 2002).
A continuación, en la figura 20, se puede observar un esquema del cilindro
22 Figura 20. Cilindro simple efecto
(Bueno, 2015)
Cilindro buzo
Se caracteriza por tener un vástago muy grueso casi cercano al diámetro del
cilindro, teniendo un pequeño resalte para evitar su salida, ver figura 21.
Como ventajas se nombran las siguientes: No posee orificio de respiración.
Las zonas internas del cilindro no necesitan estar pulidas. El vástago es muy resistente al pandeo.
Las juntas de fácil mantenimiento y reemplazo (INACAP, 2002).
23 Cilindro telescópico
El objetivo de este tipo de cilindros es alcanzar una larga carrera, utilizando
un corto espacio. Con cada embolo que sale aumenta la presión, ya que se
disminuye el área progresivamente, lo cual da como resultado que si el
caudal se mantiene la velocidad aumentara.
Este tipo de cilindros se utilizan para levantamiento de carga. Para ser
montados horizontalmente o inclinados deben tener una guía.
El vástago tiene dos o más tubos concéntricos, los cuales pueden subir de
diferentes maneras, pero su velocidad dependerá de su diámetro, ver figura
22.
Los pistones de los cilindros tienen válvulas que se van abriendo en serie
una después de la otra.
Figura 22. Cilindro telescópico (C.U.S. Hidráulica, 2016)
2.2.3.2 Motores Hidráulicos
Es un actuador hidráulico giratorio que se le da el nombre de motor
hidráulico. La construcción de los motores hidráulicos es muy similar a la de
las bombas. Al contrario de lo que realizan las bombas, los motores
impulsan a las bombas desarrollando un par con un movimiento rotacional
continuo, es decir convierte la energía hidráulica en torque y genera fuerza
24 presurizados para trabajar bidireccionalmente. Algunos motores poseen un
drenado de fluido al exterior (Salinas Carrillo, 2015).
En general los motores hidráulicos poseen las siguientes características: Cada tipo posee una superficie que está sometida a presión
diferencial. En motores de paletas, orbitales y engranajes la superficie
es rectangular; en motores de pistones la superficie es circular.
La presión ejercida al área de trabajo, debe estar acoplada mecánicamente al eje de salida que aplica la energía mecánica al
equipo impulsado por el motor.
La aplicación del fluido a presión a esta superficie debe ser
proporcionada para mantener la rotación continua (Salinas Carrillo,
2015).
2.2.3.2.1 Características nominales de los motores
Desplazamiento
Es la cantidad de fluido que requiere el motor para poder girar su eje una
revolución.
Par
Es el componente de la fuerza a la salida del motor, y se define como un
esfuerzo giratorio o de torsión. No se requiere movimiento para tener un par,
pero se producirá movimiento si el par es lo suficiente para vencer la
resistencia de la carga.
Par de giro
Indica el par que el motor puede realizar para mantener una carga girando
de forma continua. El par de giro toma se considera como un rendimiento del
motor y se expresa como un porcentaje del par teórico.
Par de arranque sin carga
Es la capacidad de un motor hidráulico para empezar a mover una carga,
este también se expresa como un porcentaje del par teórico
25 La velocidad dependerá del desplazamiento y del volumen del fluido que se
suministre. La velocidad máxima es la velocidad limite que el motor puede
brindar por un tiempo limitado sin sufrir daño, la velocidad mínima es l a
velocidad continua y baja de su eje.
Presión
La presión depende del par y desplazamiento, a un mayor desplazamiento
con un par constante se tiene presión baja (Salinas Carrillo, 2015).
2.2.3.2.2 Motores de engranes
Un motor de engranes consta de dos cuerpos, el engranaje conducido y el
engranaje intermedio, el aceite a alta presión ingresa por un lado de los
engranes, este fluye alrededor de la periferia de las ruedas dentadas, en el
espacio de los dientes y la carcasa de la bomba hacia la cámara de salida.
En la Figura 23 se muestra un motor de engranes con sus elementos
principales.
26 Los engranes también no permiten que el aceite de la cámara de salida fluya
de vuelta a la cámara de entrada. El motor para su lubricación utiliza una
pequeña cantidad de aceite a presión, que ingresa a los engranes por los
cojinetes hidráulicos.
2.2.3.2.3 Motores de paletas
Son motores equilibrados y desequilibrados hidráulicamente, fijos, variables
y de cartucho.
Los motores de paletas se conforman de una carcasa con un orificio
excéntrico, en el que se encuentra un rotor con aspas que se deslizan para
dentro y fuera. La diferencia de fuerza creada por la fuerza no equilibrada del
fluido a presión en las paletas hace que el rotor gire hacia una dirección. Un
elemento crítico en el diseño de motor de paletas es como las puntas de las
aspas se mecanizan en el contacto de las puntas de las aspas y la carcasa
del motor. Varios diseños de bombas de paletas se utilizan con el objeto de
entregar un sello hermético éntrelas paletas y el interior de la carcasa del
motor, también disminuir el desgaste entre sus elementos de contacto, ver
figura 24 (Salinas Carrillo, 2015).
27 2.2.3.2.4 Motores de pistones
Cuando se requiere trabajar con altas velocidades y presiones su utilizan los
motores de pistones, su diseño es más complejo que los otros tipos de
motores por esta razón son motores costosos, ver figura 25.
Figura 25. Vista interna de motor de pistones (Hidraulica Pompeya, 2016)
Muy similar a las bombas de este tipo existen motores tipo axial y radial.
Para aplicaciones móviles es muy frecuente utilizar motores hidráulicos de
pistones axiales, en cambio para instalaciones fijas donde se requiere
espacio y para grandes potencias se utiliza el motor de pistones radiales.
2.2.4 Válvulas hidráulicas
Las válvulas hidráulicas permiten regular y controlar la presión y caudal del
fluido hidráulico dentro del sistema.
Según el control de los parámetros del fluido hidráulico las válvulas se
dividen en tres grupos que son:
Válvulas reguladoras de presión. Válvulas direccionales.
28 2.2.4.1 Válvulas de seguridad
Regulan la presión máxima de trabajo del sistema hidráulico, permanecen
cerradas permitiendo el paso de fluido en condiciones normales y se abren
cuando excede la presión máxima de trabajo brindado seguridad (Sohipren
S.A., 2005).
Válvulas limitadoras de presión
Figura 26. Válvula reguladora de presión (Sohipren S.A., 2005)
Este tipo de válvula entre la entrada y la salida tiene una bola y un cono que
se mantiene presionado por medio de un resorte. La fuerza de resorte puede
ser regulado por un mecanismo, cuando la presión del fluido en la entrada es
mayor a la que la mantiene cerrada, vence la fuerza del resorte y libera el
fluido hacia el depósito, ver figura 26 (Sohipren S.A., 2005).
2.2.4.2 Válvulas direccionales
Son aquellas que dirigen el paso del fluido al abrir y cerrar los pasos de las
líneas de conexión.
Válvulas unidireccionales:
29 Anti-Retorno:
Esta válvula tiene un paso presurizado mediante un resorte, cuando el fluido
actúa en contraposición del resorte, la válvula permanece abierta
permitiendo el paso del fluido, en cambio si el fluido quiere retorno esa
presión sumada a la del resorte cerrara la válvula bloqueando el retoro del
fluido, ver figura 27 (Sohipren S.A., 2005).
Figura 27. Válvula anti retorno (Sohipren S.A., 2005)
Válvulas direccionales de dos vías:
Esta válvula puede ser normalmente abierta o cerradas, el accionamiento de
las mismas puede ser de manera manual, eléctrica y pilotada
La válvula de dos vías es una llave de paso que permite que el caudal y la
presión del fluido pasen o no.
Válvulas direccionales de varias vías:
Estas válvulas tienen un orificio de entrada y según el tipo de válvula tiene
diversos orificios para diversos usos en el sistema y también de retorno
30 2.2.4.3 Válvulas para control de caudal
Estas válvulas regulan el volumen de líquido por unidad de tiempo que
circula en el sistema. La más sencilla de estas válvulas es la de grifo o llave
de aguja, pero tienen un problema la cual es que al retener el fluido generan
calor ya que no están compensadas.
Estas válvulas tienen diversas aplicaciones en el sistema hidráulico ya que
sirve para variar la velocidad de los movimientos.
Válvulas reguladoras de caudal no compensadas:
Es el método más fácil para regular el caudal mediante la válvula de aguja.
En esta válvula un cono conectado al mando de regulación abre o cierra el
paso según se separe o acerque de su asiento.
En estas válvulas el caudal regulado depende de la presión del circuito, ya
que al aumentar la presión también aumentara el caudal que pasa a través
de la válvula.
Válvulas reguladoras de caudal compensadas:
Estas válvulas mantienen el caudal constante independiente de la presión de
fluido, es decir puede variar la presión del fluido en el sistema, pero el caudal
se mantendrá constante. Las válvulas compensadas son las más utilizadas
ya que mantienen las velocidades de los actuadores dentro de los límites
más precisos que las válvulas no compensadas.
2.2.5 Mangueras
La norma para la mayoría de mangueras de tipo hidráulica es la SAE J517,
esta norma contiene números con una codificación que empieza con 100R
que controlan las características de construcción, dimensión, presión,
31 Tabla 1. Clasificación de mangueras según SAE
32 2.2.6 Simbología del sistema hidráulico
2.2.6.1 Líneas
Figura 28. Simbología de líneas hidráulicas (INACAP, 2002)
2.2.6.2 Motor eléctrico
33 2.2.6.3 Bombas
Figura 30. Simbología de bombas hidráulicas (INACAP, 2002)
2.2.6.4 Motores hidráulicos
Figura 31. Simbología de motores hidráulicos (INACAP, 2002)
2.2.6.5 Filtros
34 2.2.6.6 Acumuladores
Figura 33. Simbología de acumuladores (INACAP, 2002)
2.2.6.7 Válvulas
Figura 34. Simbología de válvulas (INACAP, 2002)
2.2.6.8 Válvulas direccionales
35 2.2.6.9 Accionamientos de válvulas direccionales
Manuales
Figura 36. Simbología de accionamientos manuales (INACAP, 2002)
Mecánicos
Figura 37. Simbología de accionamientos mecánicos (INACAP, 2002)
Eléctricos
36
Hidráulicos
Figura 39. Simbología de accionamientos hidráulicos (INACAP, 2002)
2.2.6.10 Otras válvulas
Figura 40. Simbología de otro tipo de válvulas (INACAP, 2002)
2.2.6.11 Instrumentos y accesorios
37 2.2.6.12 Cilindros hidráulicos
39
3.- METODOLOGÍA
La metodología que se emplea para la ejecución de este proyecto
dependerá de varios factores que se detallaran en el presente capítulo; se
inicia con la identificación del tipo de proyecto que se va a realizar. Este tipo
es un proyecto de desarrollo tecnológico ya que su orientación está en la
obtención de un producto perceptible como es la construcción de un sistema
de inspección automatizado de movimientos transversales y longitudinales
para determinar visualmente el funcionamiento de partes móviles del tren de
rodaje.
Con la construcción de la máquina, es casi inevitable que se deba evaluar
las propiedades de funcionamiento, como la movilidad transversal y
longitudinal, capacidad de carga, velocidad de movimientos, funcionamiento
de sistema hidráulico y funcionamiento del sistema eléctrico y de control.
Según el análisis e importancia de los resultados logrados, la investigación
puede ser analítica, descriptiva, de intervención o experimental.
Para este proyecto será una investigación analítica, ya que se hará una
división de los diferentes sistemas como son el sistema mecánico de
soporte, sistema hidráulico y sistema eléctrico y control para analizar sus
causas y efectos en el diseño y funcionamiento de la máquina.
La investigación se desarrollará en un tiempo de 7 meses, y se la realizará
en la ciudad de Quito, provincia de Pichincha, Ecuador, esta máquina será
instalada en una fosa de inspección vehicular de la Universidad Tecnológica
Equinoccial.
En las investigaciones se puede aplicar los métodos empíricos, estadísticos
y teóricos.
El método que se aplicará en esta investigación es el método teórico ya que
con el uso de los conocimientos teóricos de diseño de máquinas se permitirá
entender hechos y comportamientos no observables de los diferentes
sistemas que conforman el proyecto de investigación, así es el caso que en
40 cargas o fuerzas aplicadas, así también se utiliza los conocimientos teóricos
de la hidráulica para el diseño del sistema hidráulico.
Se emplea el análisis de los métodos teóricos ya que con los cálculos
aplicados para esta investigación se permite entender y analizar los efectos
y fenómenos de cada sistema pero por separado.
También se utiliza la síntesis para unificar todos los análisis de s us sistemas,
de esta manera se permite descubrir sus relaciones esenciales entre ellos,
para poder construir la máquina de movimientos transversal y longitudinal,
capacidad de carga, velocidad de movimientos, funcionamiento de sistema
hidráulico y funcionamiento del sistema eléctrico y de control.
Además se empleará el método de investigación experimental porque es
muy utilizado en la generación de nuevos conocimientos en la fase
constructiva, comúnmente para saber los pasos de un proceso, ya que un
experimento conlleva a realizar pruebas y corregir errores para su mejora.
La información recopilada utilizada para esta investigación se tomó de otros
documentos de investigación, libros, revistas, sitios web confiables.
Una información útil para la construcción y montaje de la máquina se tomó
de una máquina de funcionamiento similar existente instalada en el centro de
revisión vehicular de Quito.
Se utilizará el programa Solidworks, que es un software para la simulación
de elementos mecánicos sometidos a cargas y movimientos, el documento
de la investigación será elaborado en el procesador de texto Word, las tablas
serán realizadas en Excel.
Toda la información tomada de otros autores será debidamente referenciada
de acuerdo a las normas APA, para evitar cualquier tipo de plagio.
Además para la elaboración de este proyecto se analizó que no hay ninguna
prohibición para el desarrollo de la investigación y que se cuenta con los
42
4.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este capítulo se procederá a identificar los componentes que conforman
el equipo de movimientos transversales y longitudinales para determinar
fallas en el tren de rodaje, además calcular y seleccionar los elementos y
materiales para la construcción del equipo.
El diseño de la estructura está modelado en un programa de simulación que
es SolidWorks, en la figura 43 se muestra la estructura metálica de soporte
en 3D.
Figura 43. Esquema de la estructura del medidor de holgura
4.1 ASIGNACIÓN DE MATERIAL
Para la selección del material de la estructura se escogieron materiales
similares al de otros equipos de este tipo. Los materiales que se analizaron
para la selección del proyecto debe ser resistente a la carga y la fricción para
43 Alta resistencia:
La alta resistencia del acero por unidad de peso, logra obtener estructuras
relativamente livianas, lo que es de gran importancia en la construcción de
estructuras metálicas
Homogeneidad:
Las propiedades del acero no varían con el tiempo, ni cambian con la
localización en los elementos estructurales.
Elasticidad:
El acero es el material que más se acerca a un comportamiento linealmente
elástico (Ley de Hooke) hasta alcanzar esfuerzos considerables.
Ductilidad:
El acero permite soportar grandes deformaciones sin falla, alcanzando altos
esfuerzos en tensión.
Tenacidad:
El acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en
deformación (elástica e inelástica).
4.1.1 PROCESO PARA LA SELECCIÓN
Para la selección de la mejor alternativa se siguió el siguiente proceso:
a) Definir los criterios de evaluación, en donde cada uno de ellos debe ser cuantificable o medible.
b) Se realiza la valoración o importancia del criterio (P).
Criterio fundamental que debe ser siempre satisfecho 4
Criterio que debe satisfacerse en lo posible 3
Criterio a cumplir siempre y cuando no sea demasiado costoso 2
44 c) Se aplica un valor del cumplimiento de criterio (X)
MUY BIEN 5
BIEN 4
SUFICIENTE 3
APENAS JUSTO 2
INSUFICIENTE 1
d) Se aplica la fórmula, y el mayor puntaje obtenido es la mejor alternativa.
̅
∑
∑
4.1.2 ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS O MATRIZ DE DECISIÓN
Para la selección del material se elabora la siguiente tabla.
Tabla 2. Selección de Material
CRITERIO Carácter P
Alternativa 1 ASTM A36 Alternativa 2 ASTM A283 Alternativa 3 ASTM A285
X PX X PX X PX
Acero estructural Puntaje 4 5 20 5 20 5 20 Resistencia a la tracción Puntaje 3 4 12 5 15 3 9
Límite de Fluencia Puntaje 3 5 15 4 12 3 9 % de Elongación en 2” Puntaje 3 5 15 5 15 4 12
Soldabilidad Puntaje 3 5 15 4 12 4 12 Ductilidad Puntaje 3 4 12 4 12 3 12 Homogeneidad Puntaje 3 5 20 3 9 2 6
Precio Costo 5 5 25 4 20 3 15
Total 27 134 115 95
4,96 4,25 3.51
Según el criterio de selección indicada se escoge la alternativa 1.
45 4.1.2.1 Ficha Técnica del material:
En la figura 44 se presenta las propiedades mecánicas, composición química
del acero A36.
Figura 44. Ficha técnica de planchas de acero A36
4.2 ESTUDIO DE ANÁLISIS ESTÁTICO
A través de la ingeniería asistida por computadora se puede modelar casi
cualquier pieza o sistema con una precisión prácticamente real, ayudándose
del análisis por elementos finitos, se puede no solo visualizar el modelo, si
no prever su comportamiento bajo unas condiciones reales de trabajo, sin
necesidad de fabricar prototipos, ni hacer inversiones que materiales que
prácticamente quedarían en desechos, perdiendo de esta forma tiempo y
dinero, lo que al contrario de usar la ingeniería por computadora da sus
ventajas:
Se reduce el costo de las pruebas de campo ya que se puede simular
previamente el comportamiento del modelo.
Permite adelantar la comercialización del producto puesto que se reduce el número de ciclos de desarrollo del mismo.
Da opción a mejorar el producto rápidamente el rediseño del
46 Figura 45. Simulación de esfuerzos
Mediante el análisis estático de piezas o modelos compuestos se puede
simular los desplazamientos, las fuerzas de reacción, las tenciones y las
deformaciones unitarias que se producen en su modelo tridimensional bajo
unas condiciones de contorno previamente definidas, en la figura 45 se
observa una simulación del análisis estático de la estructura metálica del
equipo sometido a varias cargas.
Además de evaluar el factor de seguridad de un modelo, pudiendo rediseñar
la pieza para evitar problemas durante el funcionamiento de la misma.
4.3 PARTES DE LA MÁQUINA
La mesa de movimiento oscilatorio para la detección de holguras en el
sistema de amortiguación de los vehículos, está diseñada de manera
compleja, debido a que su estructura debe soportar el peso de un vehículo y
mantener su movimiento de forma natural para la detección de fallas en los
47 Figura 46. Mesa de movimiento oscilatorio
4.3.1 Carcasa
Esta es la parte donde se instalarán todos los demás componentes de la
mesa oscilatoria, esta parte consta de una altura de 232 mm por 740 mm de
ancho, su espesor es de 10 mm lo suficientemente resistentes para soportar
el peso que el vehículo ejerce en la plancha, ver figura 47.
48
Figura 48. Dimensiones de la placa base de la carcasa.
4.3.2 Soporte Intermedio
Viga metálica sobre la cual se deslizará el cuadro superior, esta viga estará
sujeta a cuadro inferior mediante pernos milimetrados, lo cual facilitará el
desmonte de la misma para la realización de mantenimientos y reemplazos,
49 Figura 49. Soporte intermedio
Figura 50. Dimensiones del soporte intermedio
Esta viga esta diseña con el mismo material base de construcción de toda la
máquina de pruebas de holguras.
Esta viga tiene una longitud de 700 mm y sus lados constan de 48 mm lo
50 4.3.3 El deslizador
El deslizador es una viga de similares dimensiones que el soporte ya que
consta de una longitud de 700 mm y se diferencia en que altura solo lleva
13 mm y ancho es igual 48 mm, ver figura 50; adicional esto esta viga lleva
un revestimiento de sks.
51 Figura 52. Deslizador
El sks es un material químico de revestimiento especializado en brindar la
capacidad de deslizamiento a los materiales reduciendo el desgaste por
fricción en un 95% y el aumento de temperatura hasta 65%
Las superficies de las zonas a revestir deben ser mecanizadas con una gran
rugosidad para conseguir una buena adherencia del material de aportación.
La profundidad del mecanizado debe ser mínimo de 0,5 mm. El mecanizado
de estas superficies puede ser por cepillado o fresado.
Cuando se trate de agujeros se debe mecanizar como si se tratase de una
rosca. Una especial adherencia del material de aportación se consigue
efectuando un chorreado de arena en forma de aristas (abrasivo G 77, grano
0,61-2 mm). En todas las situaciones se debe de contemplar que lo que se
busca es mecanizar superficies muy rugosas.
4.3.4 El cilindro hidráulico
El cilindro o gato hidráulico esta parte de la máquina es la que va a dar el
52 cuenta con 4 de estos cilindros para dar agilidad y fuerza al movimiento de la
misma, ver figura 53.
Por lo general este tipo de partes se las adquiere ya ensambladas por una
empresa de terceros, debido a que la fabricación de este componente es de
mayor precisión al a complejidad de toda la máquina, y actualmente es muy
difícil encontrar el equipamiento adecuado para realizar estos ensamblajes
de presión y precisión.
El cilindro hidráulico que se utiliza para esta máquina, es un cilindro
hidráulico de simple efecto tipo buzo.
El cilindro hidráulico tiene una dimensión de 140 mm de carrera y un
diámetro de botella de 75 mm, tendrá una base soldada en la parte lateral y
será sujeta mediante pernos a las bases.
53 Figura 54. Dimensiones cilindro hidráulico
4.3.5 La tapa
Parte superior de la estructura, esta parte es la que soportara todo el peso
del vehículo a revisión, consta de 10 mm de espesor y un lado de 740 mm
54 Figura 55. Dimensiones de la tapa superior deslizante
55
4.4 DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO
Para determinar las diferentes partes y elementos que serán parte del
sistema de potencia y seguridad hidráulico, es necesario tomar en cuenta la
presión máxima con la que funcionara el equipo ya que a partir de este dato
se diseñara y calculara el resto de partes del sistema hidráulico.
4.4.1 FUERZA MÁXIMA DE TRABAJO
Lo primero que se debe determinar es la fuerza aplicada por el cilindro, para
esto se aplica la fuerza de fricción, que equivaldrá a la fuerza del cilindro.
Figura 57. Diagrama de cuerpo libre de fuerzas
(Fernández Aedo, 2015)
[1] Donde:
u : coeficiente de fricción.
N : Normal.
De la ecuación 1 se reemplaza por la normal a m x g, donde m: masa y g:
gravedad.
En el anexo 1 se muestra una tabla de coeficientes de rozamiento donde se
selecciona que u = 0,5 ya que las superficies a deslizarse es metal con
metal. Además el peso máximo de carga es de 3500 Kg y gravedad es 9.8
m/s.
