Diseño e implementación de un sistema de elevación acoplada y accionada por un método neumático para un vehículo liviano

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE

ELEVACIÓN ACOPLADA Y ACCIONADA POR UN MÉTODO

NEUMÁTICO PARA UN VEHÍCULO LIVIANO

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

GANDI RAIMI CAISABANDA MASAQUIZA

DIRECTOR: MSc. CARLOS ROSALES

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FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1803641313

APELLIDO Y NOMBRES: Caisabanda Masaquiza Gandi Raimi

DIRECCIÓN: Provincia de Tungurahua, Cantón Pelileo, Parroquia Salasaka, Barrio Centro Salasaka, Vía al Estadio Central

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 032485066

TELÉFONO MOVIL: 0988317731

DATOS DE LA OBRA

TITULO:

Diseño e implementación de un sistema de elevación acoplada y accionada por un método neumático para un

vehículo liviano AUTOR O AUTORES: Caisabanda Masaquiza Gandi Raimi

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

de enero del 2018

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

MSc. Carlos Rosales

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA:

Ingeniero Automotriz

RESUMEN:

Este proyecto se basó en el diseño e implementación de un sistema de elevación acoplada y accionada por un método mecánico en un vehículo liviano, para lo cual se calculó la presión necesaria para que necesite el sistema neumático para elevar un vehículo liviano de hasta 1700 kg obteniendo como resultado el peso frontal de 630 kg, peso trasera de 588 kg. Para el propósito de este proyecto se concluyó las cargas muertas o suspendidas, momento de inercia y criterio de ubicación de elementos neumáticos como es flexión y pandeo. Este método mecánico cuenta con 3 bases de material de Acero ASTM 615 de 210 x 210 mm, su espesor de 25 mm, este material se aplica en ingeniería de estructuras Metaestables por lo cual se estableció la resistencia idónea para las cargas, por otra parte también se utilizó un material Acero SAE 1045 para los bujes o seguros de las bases, este material es ampliamente utilizado en la industria automotriz garantizado una adecuada

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DEDICATORIA

Este logro es dedicado primer lugar a toda mi Familia, a mis Padres: José Caisabanda y Francisca Masaquiza, a mis hermanos: Vinicio y Pacha que han estado junto a mí, han sido fundamentalmente los pilares para salir adelante en cualquier adversidad que se me ha presentado a lo largo de mi vida y alimentar que este objetivo sea posible.

Este proyecto de titulación también dedicado para mi Tío Manuel Caizabanda quien es mi Segundo Padre ha sido un apoyo incondicional y aún más en las situaciones difíciles, él una persona de altos valores que me ha enseñado que la vida es de responsabilidad, honestidad, justicia y la solidaridad, son las bases esenciales para ser un profesional integro. Por ultimo a Dios y a la Virgen de Baños de Agua Santa en la que siempre me he encomendado toda mi vida, y la cual muchas veces me ha demostrado que cuento con su apoyo por lo cual mi devoto y Fe.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco grafíticamente a mis padres que me han apoyado en todas mis trayectorias académicas, económicos y anímicamente rememorándome que los finales de cada ciclo de la vida son fuertes y complejos pero q son indispensable para descubrir un porvenir excelente.

Agradezco a mi Tío quien lo trato y lo tratare como mi segundo padre me ha ayudado anímicamente para realizar el estudio de la tesis sin ningún tipo de restricción ni en condiciones, siempre promoviéndome a culminar el trabajo de titulación.

A mi tutor de tesis el Ingeniero Carlos Rosales quien ha dedicado gran parte de su tiempo a desarrollar con mi trabajo de titulación y porque me ha enseñado el profesionalismo, generosidad y entrega llevando de la mano la ingeniería del vehículo en toda la extensión de la palabra desde que fue mi profesor en la materia de Costos Automotrices.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ... 1

ABSTRACT ... 2

1. INTRODUCCIÓN ... 3

2. METODOLOGÍA ... 6

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 10

3.1. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA GATO NEUMÁTICO ... 10

3.2. CÁLCULO DEL PORCENTAJE EN RELACIÓN DE PESO/MASA Y CARGA AL ELEVARSE CON AIRE ... 10

3.3. RANGOS DE OPERACIÓN ... 15

3.4. DETERMINACIÓN DEL MOMENTO FLECTOR BASE SOPORTE…. ... 20

3.5. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LA BASE ... 21

3.6. SELECCIÓN DEL MATERIAL DE LA BASE O SOPORTE ... 23

3.7. CÁLCULO DE ESPESOR DEL MATERIAL ... 24

3.8. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA GATA NEUMÁTICA ... 25

3.9. CÁLCULOS DE LA PRESIÓN DEL TANQUE/COMPRESOR ... 25

3.10. CÁLCULOS DEL FUELLE ... 26

3.11. CONSTRUCCIÓN DE LA BASE DE GATA NEUMÁTICO ... 33

3.11.1. SELECCIÓN DEL MATERIAL ... 33

3.12. NORMAS DE SEGURIDAD ... 34

3.12.1. RIESGOS PRESENTES GOLPES CON HERRAMIENTAS .. 34

3.12.2. MEDIDAS PREVENTIVAS PARA REALIZAR CAMBIO DEL NEUMÁTICO ... 35

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 39

4.1. CONCLUSIONES. ... 39

4.2. RECOMENDACIONES ... 40

5. BIBLIOGRAFÍA ... 41

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ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Propiedades Mecánicas Acero A615 ... 21

Tabla 2. Tabla de esfuerzo máximo y fluencia ... 22

Tabla 3. Tabla de características de las bases de acuerdo a Tratamiento Térmico ... 22

Tabla 4. Tabla comparativa de propiedades del Acero ... 23

Tabla 5. Dimensiones parciales del pulmón neumático ... 26

Tabla 6. Coeficientes de elasticidad de materiales ... 27

Tabla 7. Dimensiones totales del pulmón neumático ... 28

Tabla 8. Medidas de mangueras recomendada ... 32

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ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Diagrama de cuerpo libre. ... 7

Figura 2. Peso frontal con aire. ... 12

Figura 3. Peso trasero con aire. ... 13

Figura 4. Peso Frontal Neumático sin aire. ... 14

Figura 5. Peso trasera Neumático sin aire. ... 15

Figura 6. Representación de la viga parte frontal del vehículo. ... 16

Figura 7. Representación de la viga parte frontal del vehículo. ... 16

Figura 8. Representación de la viga parte trasera del vehículo. ... 17

Figura 9. Representación de la distribución de cargas. ... 19

Figura 10. Diagrama de Esfuerzo cortante. ... 19

Figura 11. Diagrama de Esfuerzo Cortante. ... 19

Figura 12. Momento Flector Delantero. ... 20

Figura 13. Momento Flector Trasera. ... 21

Figura 14. Selección del tubo ... 24

Figura 15. Diseño e implementación de la gata neumática. ... 25

Figura 16. Dimensiones del pulmón de aire ... 29

Figura 17. Placa Arduino con módulo Bluetooth ... 35

Figura 18. Conexión Placa Arduino con bloque de relés. ... 36

Figura 19. Desarrollo de la aplicación en App inventor 2 ... 36

Figura 20. Desarrollo de bloques de programación App inventor 2 ... 37

Figura 21. Pantalla principal de la aplicación ... 37

Figura 22. Fuelle neumático en elevación ... 38

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ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1. Planos del Pulmón neumático. ... 43

Anexo 2. Diagrama de Empujes a diferentes presiones. ... 44

Anexo 3. Simulación aristas ocultas ... 45

Anexo 4. Simulación aristas visibles ... 46

Anexo 5. Circuito neumático electroválvula 5/3 ... 47

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RESUMEN

Este proyecto se basó en el diseño e implementación de un sistema de elevación acoplada y accionada por un método mecánico en un vehículo liviano, para lo cual se calculó la presión necesaria para que necesite el sistema neumático para elevar un vehículo liviano de hasta 1700 kg obteniendo como resultado el peso frontal de 630 kg, peso trasera de 588 kg. Para el propósito de este proyecto se concluyó las cargas muertas o suspendidas, momento de inercia y criterio de ubicación de elementos neumáticos como es flexión y pandeo. Este método mecánico cuenta con 3 bases de material de Acero ASTM 615 de 210 x 210 mm, su espesor de 25 mm, este material se aplica en ingeniería de estructuras Metaestables por lo cual se estableció la resistencia idónea para las cargas, por otra parte también se utilizó un material Acero SAE 1045 para los bujes o seguros de las bases, este material es ampliamente utilizado en la industria automotriz garantizado una adecuada maquinabilidad. Este sistema cuenta con un fuelle o “Boya” sus características es presión máxima de trabajo 8,16 bar, presión mínima de trabajo 0,86 bar y presión de rotura 34 bar. Este procedimiento neumático será comandado por una aplicación para Smartphone mediante una programación de Plataforma Arduino la misma que hace que abre y cierra cada uno de las electroválvulas obteniendo así un mando inalámbrico, así obtendrá la fiabilidad y seguridad durante un cambio de neumático o averías frecuentes que existe hoy en día que permitirá un control total de elevación y como descenso, se determinó este sistema como auxilio mecánico automatizado.

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ABSTRACT

This project was based on the design and implementation of a lifting system coupled and operated by a mechanical method in a light vehicle, for which the necessary pressure was calculated so that it needs the pneumatic system to raise a light vehicle of up to 1700 kg. As a result the front weight of 630 kg, rear weight of 588 kg. For the purpose of this project, the dead or suspended loads, moment of inertia and location criteria of pneumatic elements such as bending and buckling were concluded. This mechanical method has 3 bases of material of Steel ASTM 615 of 210 x 210 mm, its thickness of 25 mm, this material is applied in engineering of Metastable structures for which the ideal resistance was established for the loads, on the other hand also A Steel SAE 1045 material was used for the bushings or safety of the bases, this material is widely used in the automotive industry, ensuring adequate machinability. This system has a bellows or "buoy" its characteristics is maximum working pressure 8.16 bar, minimum working pressure 0.86 bar and breaking pressure 34 bar. This pneumatic procedure will be commanded by an application for Smartphone through a programming of Arduino Platform which makes it open and close each one of the solenoid valves thus obtaining a wireless control, this way you will obtain reliability and safety during a tire change or frequent breakdowns. It exists nowadays that will allow a total control of elevation and as descent, this system was determined as automated mechanical assistance.

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1. INTRODUCCIÓN

En los vehículos por lo general, cada momento existe sin número de personas con problemas mecánicos en las calles, vías, caminos vecinales pero la perplejidad es el desinflado o avería de los neumáticos, como son los peligros de la carretera como baches, piedras y cristales suelen ser inevitables. En un vehículo liviano para tareas de cambio de neumático se utiliza elevadores mecánicos así como el apriete de los elementos de sujeción a tuercas son extremadamente ajustadas y difícil para las personas vulnerables.

En la actualidad, hay situaciones que se pueden evitar, sobre todo para personas vulnerables, de tal manera que el sistema neumático implantado en un vehículo liviano es de mucha ayuda para la solución del mismo, gracias a sus características o beneficios de una herramienta de auxilio mecánico que ofrece hacer una solución a este tipo de problemas que sea sencillo y manejable, el menester progresivo al adelanto de la tecnología neumática. Su notoriedad es obligación al bajo coste de inversión, su seguridad de funcionamiento, y sobre todo a la viabilidad para formar con otras capacidades presentes en los métodos automatizados, sin embargo mediante la correcta implementación en un vehículo liviano se puede lograr diferentes rendimientos de un sistema de elevación acoplada y accionada por un método neumático, el propósito de este proyecto es adecuar un sistema de auxilio mecánico a un vehículo liviano de una forma correcta mediante estudios, análisis y así el rendimiento de otros sistemas del automotor liviano, por tanto determinar procedimientos manejables y ligeros para resolver los problemas comunes de un vehículo.

El objetivo general de proyecto es diseñar e implementar un sistema de elevación acoplada y accionada por un método neumático para un vehículo liviano. Los objetivos específicos son: Analizar el sistema de elevación adecuada. Luego desarrollar un sistema neumático apto a las condiciones de un automotor liviano. Posteriormente implementar de acuerdo a desarrollo del sistema. Y por último, realizar y comprobar el funcionamiento del sistema de elevación.

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4 En el automotor liviano se piensa implantar un sistema neumático que por medio de un compresor que genere aire comprimido, para ello se colocarán salidas de aire y válvulas que por medio de la automatización facilitará su viabilidad cuando el conductor así lo requiera.

Se comentará de la neumática ya que en este proyecto en su mayoría está argumentado en este campo. La neumática es la técnica que aplica el aire comprimido como procedimiento de transporte de energía necesaria para desplazar y hacer actuar mecanismos. (De las Heras, 2007).

Cuando se habla de neumática se detalla la rama que utiliza el aire comprimido como medio de transporte de energía, la energía que se origina en cierta posición luego es trasladada a través de una línea o circuito y aprovechada específicamente por actuadores, motores u otros elementos neumáticos, para ejecutar un determinado trabajo. (De las Heras, 2007). Los componentes de un sistema neumático son generadores de energía, tanto si se trabaja con aire como con un líquido, se ha de conseguir que el fluido emitir la energía indispensable para el sistema. (Arjona, 2015).

Actualmente la jornada industria emplea una gran cantidad de aplicaciones de aire a presión, debido a su facilidad de aplicaciones y sus economía de ensamblaje, su utilización es prácticamente universal en todo tipo de industrias una de ellas por ejemplo, elevadores de neumáticos, destornilladores automáticos, herramientas de aire comprimido entre otros manejos. (Arjona, 2015).

Para conseguir el manejo del aire comprimido siempre será barato, ya que el aire que se usa se consigue tomándolo de la atmosfera. (Poveda, 2007). Entre las desventajas destacables, está la temperatura que no afecta, es antideflagrante, quiere decir que es una energía limpia que no contamina y que no requiere tuberías de retorno. (Arjona, 2015).

Otras razones son energías muy variables adaptables a muchísimos espacios de manejos y los componentes que utilizan u ocupan corta capacidad, es transportable incluso a grandes distancias y puede acumularse en depósitos fijos o móviles. (Arjona, 2015).

El sistema neumático está compuesto por un método de elaboración y asignación de aire, está combinada básicamente por la compresora de aire, la cual a su vez está asignado por algunos factores que una de ellas es la unidad compresora, es un elemento que aspira a presión atmosférica y lo comprime mecánicamente. El motor eléctrico convierte la energía mecánica para mover la unidad de compresión. El depósito es un tanque específico que almacena aire comprimido y sustenta altas presiones, válvula anti-retorno deja transitar el aire comprimido de la unidad de compresión al depósito pero dificulta su retorno. Manómetro Indicador óptico de la presión del aire dentro del tanque. (Arjona, 2015).

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5 evolución tecnológico que componen la neumática es necesario poseer aprendizajes básicos sobre características y fundamentos físicos, cuando se aplica con sistemas neumáticos es común oír vocablo como caudal y presión. (De las Heras, 2007).

En la actualidad los elevadores generalmente fundamentan en sistemas que elevan carga desde el suelo hasta un nivel superior que se localiza a una altura fijada. Para desarrollar esta operación se usan cilindros hidráulicos o neumáticos u otros dispositivos, cuya presión es trasmitir por distintos sistemas de energía. (Stoll, 2010).

En el mercado industrial automotriz encontramos variedades tipos y modelos de elevadores o montacargas siendo uno de los más vendidos en el mercado el elevador modelo tijeras su configuración del sistema se forma por un grupo de tijeras unidas por medio cinemáticamente y aseguradas a su origen inferior, fijado al suelo mediante pasadores, y la plataforma superior mediante un sistema de rodamientos, que acceden que el soporte superior suba y baje uniformemente en su origen vertical. (Stoll, 2010).

Con los conceptos que ya se tiene vamos con los criterios de diseño de la gata neumática al empezar con el diseño y selección de los elementos del elevador de carga, se establece criterios en los cuales se argumenta el cálculo de la alternativa seleccionada.

Para los cálculos respectivos se considerará a la carga en forma estática en cualquier posición que ésta se encuentre, porque la velocidad de elevación de la carga no sobrepasa. El peso propio de cada elemento no se tomará en cuenta para los cálculos. En el caso de los "módulos" que forman al equipo sí se considerará su peso ya que significa un esfuerzo adicional que hay que tomar en cuenta.

El aire es proporcionado desde el compresor del vehículo por líneas de aire, manejada por una válvula niveladora y posterior enviado a una cámara o fuelle que es el elemento principal encargada de la suspensión de éste sistema para el automotor.

Este método se caracteriza por aumentar la carga útil con ayuda del aire comprimido, determina el aumento de volumen de aire en el interior de las cámaras localizadas entre el chasis y el eje.

Una capacidad de esta cámara o fuelle absorben las irregularidades del balanceo del vehículo liviano, ajustadas por la válvula reguladora accionada manualmente o digitalmente.

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2. METODOLOGÍA

Para realización de este trabajo se obtiene la información necesaria y recopilada de las fuentes bibliográficas, se pudo encontrar cuales son los elementos necesarios para la implementación de un sistema de elevación, en este proyecto la realización de un sistema de elevación acoplada y accionada por un método mecánico en un vehículo liviano, se analiza mediante un software de simulación neumático para desarrollar e implementar en un automotor liviano, este sistema de elevación debe tener fiabilidad y seguridad durante un cambio de neumático o averías frecuentes que existe hoy en día que permitirá un control total de elevación y como descenso, se determinará este sistema como auxilio mecánico automatizado.

Un punto importante en la realización e implementación de este proyecto es la selección del vehículo liviano, ya que el mismo debe presentar las características adecuadas, sea semejante con el sistema de elevación y no presente dificultades, daños en su infraestructura al instante del montaje del sistema de elevación y menos una vez que el sistema entre en funcionamiento con el mismo.

Para el diseño y selección de los elementos que conformarán parte del sistema de elevación se realizó una serie de cálculos, los mismos que ayudaran a determinar qué tipo de elementos serán los adecuados para el proyecto. Con estos valores se identificó las características idóneas de dichos elementos.

Para la obtención del peso se utilizó la siguiente ecuación:

𝑤 = 𝑚 𝑥 𝑔 [1] Dónde:

𝑤 = peso, [N].

𝑚 = masa, [kg].

𝑔 = gravedad, [𝑚/𝑠2].

Para obtener para cálculos del porcentaje (%) del vehículo necesitará el peso promedio con el motor o según el tipo de automotor con motor y tracción se utilizó la siguiente ecuación:

𝑚 = 𝑤 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 − 𝑤 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 [2]

Dónde:

𝑚: Masa

𝑤 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜: Peso vacío

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7 Datos:

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 = 1700 kg

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 120 𝑘𝑔

𝑀𝑎𝑠𝑎 % 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

Para el cálculo de peso/carga a elevarse se utilizó la siguiente ecuación. 𝑁 = 𝑚𝑓 𝑥 𝑔 [3] Dónde:

𝑚𝑔: Peso del bloque.

𝑁: Fuerza normal del plano sobre el bloque.

𝐹𝑓: Fuerza de rozamiento entre el bloque y el plano. Datos:

𝑁 = 790 𝑘𝑔

𝑔 = 9,8 𝑚

𝑠2

Figura 1. Diagrama de cuerpo libre.

Para el cálculo de módulo de selección del material se utilizó la siguiente ecuación.

𝜹 =_{𝜎𝑚𝑎𝑥}𝑀 [4] Dónde:

𝛿 : Modulo de selección del material máx.: Esfuerzo normal máximo

𝑀: Momento Flector

Para el cálculo espesor del material se utilizó la siguiente ecuación.

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8 Dónde:

𝛿: Módulo sección

𝐵: Factor conversión

𝐻: Espesor

Para el cálculo del fuelle laterales, se utilizó la siguiente ecuación.

𝐴 = 2𝜋𝑟(ℎ + 𝑟) [6] Dónde:

𝐴: Área

𝑟: Radio

ℎ: Altura

Para el cálculo de la presión mínima de trabajo para inflar las bolsas de aire se utilizó la siguiente ecuación.

Pt = 𝜎𝑝 + (𝜎𝑙𝑏 ∗ 2) [7] Dónde:

Pt = presión mínima total requerida

𝜎𝑝 = presión mínima pulmón de aire

𝜎𝑙𝑏 = presión mínima bolsas laterales

Para calcular la forma cilíndrica de la boya lateral se utilizó la siguiente fórmula para el cálculo de volumen:

𝑉 = 𝜋𝑟2ℎ [8] Para calcular el volumen de la bolsa de aire lateral se utilizará la siguiente fórmula.

𝑉 = 𝜋 ∗ 𝑟2_{∗ ℎ}_[9]

Para el cálculo volumen total se aplicará la siguiente fórmula:

𝑉𝑡 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 + 𝑉4 [10] Cálculo Volumen de la zona 1 y 2 se utilizará la siguiente fórmula:

𝑉1 ≅₁₂𝜋 ℎ𝑙 (2𝐷𝑒2_{+ 𝑑𝑖}2_{) [11]}

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9

𝑉3 ≅𝜋₄ 𝑑𝑖2_ℎ𝑒_[12]

Cálculo Volumen de la zona 4 se utilizará la siguiente fórmula

𝑉4 ≅𝜋₄ 𝐷𝑣2_ℎ𝑣_[13]

Para calcular el menor volumen de llenado para regular el caudal del sistema de las bolsas de aire lateral se utilizará la siguiente formula:

𝑄_𝑝 = 𝑉𝑡𝑝_𝑇𝑝 [14] Dónde:

Qp: caudal del pulmón neumático

Vtp: Volumen total del pulmón neumático Tp: tiempo de llenado del pulmón neumático

Para calcular el tiempo de llenado de las bolsas de aire lateral se utilizará la siguiente formula:

𝑇_𝑏𝑙 =𝑉𝑏𝑙_𝑄𝑏𝑙 [15] Dónde:

Tbl: Tiempo de llenado de la boya lateral Vbl: Volumen de la bota lateral

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA GATO

NEUMÁTICO

El proyecto consta de los cálculos a realizar para el diseño de un gato neumático. Este gato neumático constará de una altura mínima de 300 mm y una altura máxima de 500 mm con una carga de trabajo de: P=1700 kg, que está dispuesto el vehículo modelo Suv. Por lo tanto, carga/fuerza se calcula con la ecuación 1 que se encuentra en Metodología.

𝑤 = 𝑚 𝑥 𝑔 Dónde:

𝑤 = peso, [N].

𝑚 = masa, [kg].

𝑔 = gravedad, [𝑚/𝑠2].

Obteniendo el siguiente resultado:

𝑤 = 𝑚 𝑥 𝑔

𝑤 = 1700 𝑘𝑔 𝑥 9,8 _𝑠𝑚₂

𝑤 = 16,660 𝑘𝑔 _𝑠𝑚₂

𝑤 = 16,660 𝑁

La carga/Fuerza y peso del vehículo es w = 16,660 𝑁 muestra según los cálculos realizados.

3.2. CÁLCULO DEL PORCENTAJE EN RELACIÓN DE PESO /

MASA Y CARGA AL ELEVARSE CON AIRE

Para cálculos del porcentaje (%) del vehículo necesitará el peso promedio con el motor o según el tipo de automotor con motor y tracción, se calcula con la siguiente ecuación 2 que se encuentra en Metodología.

𝑚 = 𝑤 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 − 𝑤 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 Datos:

𝑤 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 = 1700 kg

𝑤 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 120 𝑘𝑔

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𝑀𝑎𝑠𝑎 % 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 1700 𝑘𝑔 − 120 𝑘𝑔

𝑀𝑎𝑠𝑎 % 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 1580 ÷ 2 = 790 𝑘𝑔

𝑃𝑎𝑟𝑡𝑒 𝐹𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 790 + 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

𝑃𝑎𝑟𝑡𝑒 𝐹𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 790𝑘𝑔 + 120 𝑘𝑔

𝑃𝑎𝑟𝑡𝑒 𝐹𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 910 𝑘𝑔

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 790 𝑘𝑔 1700 𝑘𝑔 100 %

910 𝑘𝑔 𝑥

=

910 𝑘𝑔 𝑥 100%

1700 % = 53,52 %

𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 53,52%

𝐸𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠:

100% − 53,52% = % 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎 = 100% − 53,52 %

𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎 = 46,48 %

Condiciones según donde se reemplace el neumático y elevar la carga 1.- Relación masa parte frontal = 53,52 % = 910 kg

2.- Relación masa parte trasera = 46,48 % = 790 kg

Con los resultado obtenido de la relaciones de las masas tanto frontal y trasera se calculó con un ángulo de tope de 35°, se utilizó la ecuación 3 que se encuentra en Metodología.

𝐶á𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑟𝑠𝑒 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑁 = 𝑚𝐹 𝑥 𝑔

Dónde:

𝑔: Gravedad.

𝑁: Fuerza normal.

𝑚𝐹: Peso Frontal. Datos:

𝑚𝐹 = 910 𝑘𝑔

𝑔 = 9,8 𝑚

𝑠2

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12

𝑁 = 910 𝑘𝑔 𝑥 9,8 𝑚

𝑠2 𝑁 = 8918 𝑁

Este es el peso frontal 𝑁 = 8918 𝑁, cabe destacar este peso abarca tanto los pesos del motor más las llantas con aire para tener mayor fiabilidad con la masa/peso que se está buscando, en la figura 2 se observa el peso frontal del vehículo con aire.

Figura 2. Peso frontal con aire.

𝐶á𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑟𝑠𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑁 = 𝑚𝑡 𝑥 𝑔

Dónde:

𝑚𝑇: Peso Trasero

𝑁: Fuerza normal del plano sobre el bloque.

𝑔: Gravedad Datos:

𝑚𝑇 = 790 𝑘𝑔

𝑔 = 9,8 𝑚

𝑠2

Obteniendo como resultado:

𝑁 = 790 𝑘𝑔 𝑥 9,8 𝑚

𝑠2

𝑁 = 7742 𝑁

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13 Figura 3. Peso trasero con aire.

𝐶á𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑟𝑠𝑒 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑛𝑒𝑢𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑜 sin 𝑎𝑖𝑟𝑒

Datos:

𝑁 = 910 𝑘𝑔

𝑔 = 9,8 𝑚

𝑠2 𝑆𝑒𝑛 𝜃 = 35°

Σ𝑓𝑦 = 0 𝑁 − 𝑤 = 0

𝑁 = 𝑤 𝑁 = 𝑤𝑓 𝑁 = 𝑚𝑔𝑦

𝑁 = 910 𝑘𝑔 𝑥 9,8 𝑚

𝑠2 𝑥 𝑆𝑒𝑛 𝜃 = 35°

𝑁 = 6305,97 𝑁

Este es el peso frontal 𝑁 = 6305,97 𝑁, cabe destacar este peso abarca tanto los pesos del motor más las llantas sin aire para tener mayor fiabilidad con la masa/peso que se está buscando para ello se realizó la comprobación: Comprobación:

Σ𝑓𝑥 = 0 𝑚𝑔𝑥 − 𝑓𝑟 = 0

𝑓𝑟 = 𝑚𝑔𝑥 𝑢 𝑥 𝑁 = 𝑚𝑔𝑥

μ 𝑥 6305,97 = 910 𝑘𝑔 𝑥 9,8 𝑚

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14

μ =910 𝑘𝑔 𝑥 9,8

𝑚

𝑠2_{𝑥 𝐶𝑜𝑠 𝜃 35°} 6305,97

μ = 1.0 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝐹𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙

El resultado obtenido comprueba que a su máxima inclinación de 35° del vehículo parte delantero da un peso real del automotor, en la figura 4 se observa el peso frontal neumático sin aire con un ángulo de 35° máxima inclinación.

Figura 4. Peso Frontal Neumático sin aire.

𝐶á𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑟𝑠𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎 𝑛𝑒𝑢𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑜 sin 𝑎𝑖𝑟𝑒

Datos:

𝑁 = 790 𝑘𝑔

𝑔 = 9,8 𝑚

𝑠2 𝑆𝑒𝑛 𝜃 = 35°

Σ𝑓𝑦 = 0 𝑁 − 𝑤 = 0

𝑁 = 𝑤 𝑁 = 𝑤𝑡 𝑁 = 𝑚𝑔𝑦

𝑁 = 790 𝑘𝑔 𝑥 9,8 𝑚

𝑠2 𝑥 𝑆𝑒𝑛 𝜃 = 35°

𝑁 = 5474,42 𝑁

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15 la masa/peso que se está buscando para ello se realizó la comprobación: Comprobación:

Σ𝑓𝑥 = 0 𝑚𝑔𝑥 − 𝑓𝑟 = 0

𝑓𝑟 = 𝑚𝑔𝑥 𝑢 𝑥 𝑁 = 𝑚𝑔𝑥

μ 𝑥 5474,42 = 790 𝑘𝑔 𝑥 9,8 𝑚

𝑠2 𝑥 𝐶𝑜𝑠 𝜃 35°

μ =790 𝑘𝑔 𝑥 9,8

𝑚

𝑠2_{𝑥 𝐶𝑜𝑠 𝜃 35°} 5474,42

μ = 1.0 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑇𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎

El resultado obtenido comprueba que a su máxima inclinación de 35° del vehículo parte trasera da un peso real del automotor, en la figura 5 se observa peso trasera neumático sin aire con un ángulo de 35° máxima inclinacion.

Figura 5. Peso trasera Neumático sin aire.

Las cargas en tomarse en cuenta ya sea izquierda o derecha del vehículo son las siguientes:

 Peso Frontal: 6305,97 N equivale a 600,28 kg f

 Peso Trasero 5886,73 N equivale a 515.48 kg f

3.3. RANGOS DE OPERACIÓN

(29)

16 geometría con la misma dimensión y puesto que está sobre la superficie, se realiza cálculos matemáticos. En la figura 6 se observa la viga parte frontal del vehículo.

Figura 6. Representación de la viga parte frontal del vehículo.

Σ𝑀𝐴 = 0

𝐹1 𝑥 𝑑1 + 𝑤 𝑥 𝑑 − 𝑅1 𝑥 𝑑1 = 0 𝑁 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 6305, 97 (𝑁)

𝐹1 𝑥 𝑑1 + 𝑤 𝑥 𝑑 = 𝑅1 𝑥 𝑑1 𝐹1 𝑥 (0,25) + 𝑤 𝑥 (0,125) = 𝑅1 𝑥 (0,25)

(0,25 𝑥 𝐹1) + (0,125 𝑥 𝑤) = (0,25 𝑥 𝑅1) (0,25 𝐹1) + (0,125 𝑤) = (0,25𝑅1) (0,25 𝐹1) + (0,125)(6305,97) = (0,25𝑅1)

0,25𝐹1 + 788,24 = 0,25𝑅1 (1)

En la figura 7 se observa la viga respecto al diagrama parte frontal del vehículo.

Figura 7. Representación de la viga parte frontal del vehículo.

Σ𝐹𝑦 = 0

𝐹1 + 𝐹2 + 𝑤 − 𝑅1 − 𝑅2 = 0 2𝐹1 + 𝑤 = 𝑅1 + 𝑅2

𝐹1 + 𝐹2 + 𝑤 = 𝑅1 + 𝑅2 2𝐹1 + 6305,97 = 𝑅1 + 𝑅2

Por cálculo Por cálculo

(30)

17

2𝐹1 + 6305,97 = 2 𝑅1 (2) Despejo F1

2𝐹1 = 2𝑅1 − 6305,97

𝐹1 = (2𝑅1−6305,97₂ ) Reemplazando la ecuación (1) y (2)

0,25 (2𝑅1−6305,97₂ ) + 788,24 = 0,25 𝑅1 𝐹1 + 𝐹2 + 𝑤 = 0

(0,5 𝑅1−1576,98₂ ) + 788,24 = 0,25 𝑅1 𝐹1 + 𝐹2 = −𝑤

0,5 𝑅1−1576,98+1576,98

2 = 0,25 𝑅1 2𝐹1 = − 𝑤

0,5 𝑅1 = 0,5 𝑅1 𝐹1 = −𝑊₂ 𝑅1 = 𝑅2 Se anulan 𝐹1 = − 6305,97₂

𝐹1 = −3152,98 (𝑁) Signo negativo en Fuerza sentido contrario.

𝐹1 = 𝐹2 = 3154,98 (𝑁)

Carga ejercida en los extremos de una viga del armazón en la parte frontal del cambio del neumático.

Parte Trasera del vehículo.

En la figura 8 se observa la viga respecto al diagrama parte trasera del vehículo.

Figura 8. Representación de la viga parte trasera del vehículo.

0,25 𝐹3 + 0,125 (𝑤) = 0,25 𝑅3 0,25 𝐹3 + 0,125 (5474,42) = 0,25 𝑅3

0,25 𝐹3 + 684,30 = 0,25 𝑅3 (3)

Ecuación

Σ𝐹𝑦 = 0 0,25 𝐹3 + 684,42 = 0,25 𝑅3

(31)

18

Por cálculo

𝐹3 = − 𝐹4 = 𝐹3 = 𝐹4

Σ𝑓𝑦 = 0 𝐹3 + 𝐹4 = 0 𝐹3 + 𝐹4 = −𝑤

2𝐹3 = −𝑤

𝐹3 = −𝑊

2 𝐹3 = −5886,73₂

𝐹3 = −2943,36 (𝑁) = 𝐹4

Signo negativo, fuerza en sentido contrario.

Carga ejercida en los extremos de una viga del armazón en la parte trasera del cambio del neumático.

Cambio de llanta delantera: Cambio de llanta Trasera

𝐹1 = 3154,98 (𝑁) 𝐹3 = 2943,36 (𝑁)

𝐹2 = 3154,98 (𝑁) 𝐹4 = 2943,36 (𝑁) Reemplazando F5 en ecuación (2) y (4)

𝐹1, 𝐹2 =2𝑅1−6305,97₂ (2) 𝐹3, 𝐹4 =2𝑅3−5886,73₂ (4)

𝐹5 =2𝑅1−6305,97₂ 𝐹5 = 2𝑅1−5886,73₂

2𝐹 = 2𝑅1 − 6305,97 2𝐹 = 2𝑅3 − 5886,73

2𝑅1 = 2𝐹 − 6305,97 2𝑅3 = 2𝐹 − 5886,73

𝑅1 =2𝐹−6305,97₂ 𝑅3 =2𝐹−5886,73₂

𝑅1 =2(3154,98)+6305,97₂ 𝑅3 =2(2943,36)+5886,73₂

𝑅1, 𝑅2 = 6307,96 𝑅3, 𝑅4 = 5886,72

Reacciones llantas Delanteras Reacciones llantas Traseras Izquierda o Derecha. Izquierda o Derecha.

(32)

19 Figura 9. Representación de la distribución de cargas.

En la figura anterior se puede diferenciar la distribución de cargas y esfuerzos a lo largo de la viga de la base. En la figura 10 se observa el diagrama esfuerzo.

Figura 10. Diagrama de Esfuerzo cortante.

En el anexo 3 se observa la simulación donde las aristas ocultas donde el esfuerzo cortante nos indica el interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de la base de la gata neumática que se va ejecutarse, en la figura 11 se observa el diagrama esfuerzo cortante.

Figura 11. Diagrama de Esfuerzo Cortante.

(33)

20

3.4. DETERMINACIÓN DEL MOMENTO FLECTOR BASE

SOPORTE

Se procedió a realizar el cálculo del momento flector base soporte, para saber la distancia, fuerza y resistencia del material, se utilizó la ecuación 4 que se encuentra en Metodología.

𝜹 =_{𝜎𝑚𝑎𝑥}𝑀 Dónde:

𝑴. 𝒇𝒓𝒐𝒏𝒕𝒂𝒍 = 𝑹𝟏 𝒐 𝑹𝟐 𝒙 𝒅 𝑴. 𝒕𝒓𝒂𝒔𝒆𝒓𝒂 = 𝑹𝟑 𝒐 𝑹𝟒 𝒙 𝒅

𝑀. 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 𝑅1 𝑜 𝑅2 𝑥 𝑑 𝑀. 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎 = 𝑅3 𝑜 𝑅4 𝑥 𝑑

𝑅1 = 𝑅2 = −6307,96 𝑅3 = 𝑅4 = −5886,72

𝑴. 𝒇𝒓𝒐𝒏𝒕𝒂𝒍 = 𝑹𝟏 𝒐 𝑹𝟐 𝒙 𝒅 𝑀. 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = −6307,97 (𝑁)𝑥 0,3(𝑚)

𝑀. 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = −1892,23 𝑁. 𝑚

El momento flector frontal indica que produce sobre la viga una respuesta de curvatura a largo de su eje, en la figura 12 se observa el momento flector base soporte Delantero.

(34)

21

𝑴. 𝒕𝒓𝒂𝒔𝒆𝒓𝒂 = 𝑹𝟑 𝒐 𝑹𝟒 𝒙 𝒅 𝑀. 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎 = −5886,72(𝑁)𝑥 0,3 (𝑚)

𝑀. 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑎 = −1766,01 𝑁. 𝑚

En el anexo 4 se observa la simulación de las aristas visibles donde el momento flector trasera nos indica, la simetría rotacional de los segmentos de viga estudiados, en la figura 13 se observa el momento flector base soporte Trasera.

Figura 13. Momento Flector Trasera.

3.5. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LA BASE

Para la determinación se procedió a realizar el cálculo de la resistencia de la base para esto, la base del proyecto se considera la resistencia óptima de la gata neumática.

La resistencia de la base se analizaron para este proyecto tienen la particularidad de ser de bajo costo y son de Acero ASTM A615, el mismo es un acero combinado con aluminio y estructural al carbono, que frecuentemente se usa en construcción de estructuras metálicas. El acero ASTM A615 tiene una resistencia de 687 MPa, el mismo viene en diferentes presentaciones por ejemplo en barra, planchas y perfiles.

Los aceros ASTM A615 con espesores de menos de 9 pulgadas (228.6mm), así como se observa en la tabla 1.

Tabla 1. Propiedades Mecánicas Acero A615

(35)

22 Cálculo factor de seguridad.

𝑓𝑠 =_{𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎}𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑓𝑠 =1892,23 𝑁. 𝑚

687 𝑁. 𝑚

𝑓𝑠 = 2,7

La base tiene un factor de seguridad de 2,7.

Como última opción se analizó usa la lámina de acero ASTM A 615 Cálculo factor de seguridad

𝑓𝑠 =_{𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎}𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑓𝑠 =1766,01 𝑁. 𝑚

687 𝑁. 𝑚

𝑓𝑠 = 2,5

La base tiene un factor de seguridad de 2,5.

Una vez que se analizó las posibles opciones para ser utilizado en el proyecto, se realizó un cuadro comparativo y así elegir la mejor opción, como se observa en la tabla 2 y 3.

Tabla 2. Tabla de esfuerzo máximo y fluencia

(Walter Gamonal Ruiz 2015)

Tabla 3. Tabla de características de las bases de acuerdo a Tratamiento Térmico

(36)

23 Se relacionó los distintos tipos de propiedades de acero para la base, para así poder elegir uno de ellos para este proyecto, se utilizó un visto (√) que señala que la base cumple y una (x) que señala que la base no cumple, también se usó una ponderación del 1 al 5 para la columna de simplicidad de manejo, el cual 1 indica una fácil manejo y 5 una compleja operación, como se observa en la tabla 4.

Tabla 4. Tabla comparativa de propiedades del Acero

Tabla comparativo de la lámina ASTM 615 de acuerdo a sus propiedades Especificaciones 40° C 60°C 75°C Facilidad de

Operación

Bloques √ √ √ 1

Perfiles _√ x _√ 3

Cuadrados x √ x 2

Con los resultados de la tabla comparativa se llegó a la conclusión que la Especificación de bloques son idóneas para este proyecto.

3.6. SELECCIÓN DEL MATERIAL DE LA BASE O SOPORTE

Para la selección del material de la base o soporte se calculó el esfuerzo normal máximo se utilizó la ecuación 4 que se encuentra en Metodología.

𝜹 = 𝑀

𝜎𝑚𝑎𝑥

Dónde:

𝜹 =_{𝜎𝑚𝑎𝑥}𝑀 (𝐷𝑒𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜) 𝜹 =_{𝜎𝑚𝑎𝑥}𝑀 (𝑇𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑜)

𝜹 = 1892,23

100𝑥106 𝑁 𝑚2

𝜹 = 1766,01

100𝑥106 𝑁 𝑚2

(37)

24 La selección del material o soporte de la gata neumática tanta delantera y trasera se tiene con mayor módulo de selección del material a 𝜹 =

18,90 𝑚𝑚3_{donde vamos a proceder a elegir la parte delantero ya que tiene}

una alto módulo de selección, en la figura 14 se observa el modelo de la placa de acero.

Figura 14. Selección del tubo

Para la construcción se optó por usar una lámina de 30 mm, previamente mostrado en el cálculo, base soporte.

3.7. CÁLCULO DE ESPESOR DEL MATERIAL

Para el cálculo de espesor de material se utilizó la ecuación 5 que se encuentra en Metodología.

𝜹 = 𝑩_{𝝈𝒎𝒂𝒙}𝑯𝟐

Dónde:

𝛿: Módulo sección

𝐵: Factor conversión

𝐻: Espesor

𝜹 = 𝑩_{𝝈𝒎𝒂𝒙}𝑯𝟐 ; 𝑯𝟐 =𝝈 𝑿 𝜹 _𝑩 ; 𝐇 = √𝝈 𝑿 𝜹_𝑩

𝐇 = √𝟔 𝒙 𝟏𝟕𝟔𝟎𝟎 𝒎𝒎_{𝟏𝟎𝟎𝟎}_𝟑_𝒎𝒎_𝟑 𝟑

(38)

25 El espesor del material se obtuvo como resultado de 1,02 mm por tanto para el espesor del material se necesita mayor a 2 mm tomando en cuenta el factor de seguridad y diseño.

3.8. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA GATA NEUMÁTICA

En la figura 15 se observa diseño e implementación de la gata neumática.

Figura 15. Diseño e implementación de la gata neumática.

∆𝐻 = 𝐻 𝑚á𝑥. −𝐻 𝑚𝑖𝑛. 𝐴 𝐹𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 = 𝜋 𝑥 𝑟2

∆𝐻 = 550 − 300 𝐴 𝐹𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 = 𝜋 𝑥 (0,0225)2

∆𝐻 = 250 𝑚𝑚 𝐴 𝐹𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 = 5,67 𝑥 10−3 𝑚2

Para el diseño de la gata neumática se tomará la altura o carrera y el fuelle considerando las cargas a elevarse ya sea parte delantero y trasero.

3.9. CÁLCULOS DE LA PRESIÓN DEL TANQUE/COMPRESOR

Para el cálculo de la presión se considera la regla: 𝑃 = 𝐹/𝐴 Dónde:

F: Carga a elevarse, Carga Frontal y trasera.

A: Área de la Plataforma de la Boya.

P: Presión de aire del suministro del tanque / compresor para elevarse plataforma.

Peso Frontal Peso Trasera F: 6305,97 (N) F: 5886,73 (N)

(39)

26

𝑃 = 1,12 𝑥 106 𝑁

𝑚2 𝑃 = 1,04 𝑥 106 𝑁 𝑚2

𝑃 = 1,12 𝑥 106_{𝑃𝑎 = 162, 44 𝑃𝑠𝑖}_{𝑃 = 1,04 𝑥 10}6_{𝑃𝑎 = 150, 58 𝑃𝑠𝑖}

Si el compresor provee 162,44 Psi, abastecería lógicamente para la presión trasera, puesto que se necesitaría menos presión máxima.

Ahora toca ver si la presión que necesita el fuelle está en el rango que provee el compresor dependerá del fuelle para la implementación.

3.10. CÁLCULOS DEL FUELLE

Con esta observación se procede a la selección del Fuelle necesario para el sistema, y el que más se adapta a las condiciones necesarias y al buscar características adaptables de acuerdo a los cálculos se encuentra en el mercado lo siguiente:

Características. Fuelle Bilobular.

Carrera máxima 250 mm. Carrera mínima 6 mm Presión de rotura 30 bar.

Presión máxima de trabajo 7,46 bar. Presión mínima de trabajo 0,60 bar. Ajuste de aire: 60 Pulgada - Libras

Se selecciona el fuelle neumático con las siguientes dimensiones como se observa en la tabla 5.

Tabla 5. Dimensiones parciales del pulmón neumático

DESCRIPCIÓN MEDIDA (cm)

Diámetro interno (d) 10.2 Diámetro externo (D) 14,64

Altura del lóbulo (hl) 5,2 Altura total (ht) 11.1

(40)

27 Para el cálculo del fuelle laterales se toma en cuenta el espacio a ocupar y que su forma va a ser como un cilindro, por lo cual se aplicó la siguiente ecuación 6 que se encuentra en Metodología.

𝐴 = 2𝜋𝑟(ℎ + 𝑟) 𝐴 = 2𝜋 ∗ 4 ∗ (23 + 4)

𝐴 = 726.879 𝑐𝑚2

𝐴 = 283.54 𝑖𝑛2

Con este referente se procede a la construcción del fuelle necesario para el sistema, ya que en el mercado nacional si existe un elemento que cumpla con los requisitos establecidos.

Para la construcción del fuelle se realizó una selección de materiales respecto a la tabla 6, en el cual existen coeficientes de elasticidad en psi de algunos materiales, del cual se seleccionó el caucho, ya que para el proyecto a realizarse no se va a superar su coeficiente de elasticidad.

Tabla 6. Coeficientes de elasticidad de materiales

MATERIAL E [psi]

Caucho 1000

Matriz de composite típico de resina 800000 Fibra de nylon 800000 Lignina del bambú 1000000

Fibra de bambú 4000000 Madera 2000000 Aluminio 10600000 Kevlar 49 (fibra) 19000000 Acero 30000000 Carbón (grafito) 34000000 Oxido de Aluminio (zafiro) 60000000 Diamante 170000000 Acero para resortes 30000000

(Navarro 2012)

Para la presión mínima de trabajo para inflar las bolsas de aire se utilizó la ecuación 7 que se encuentra en Metodología.

Pt = 𝜎𝑝 + (𝜎𝑙𝑏 * 2)

Dónde:

Pt = presión mínima total requerida

(41)

28

𝜎𝑙𝑏 = presión mínima bolsas laterales Dando como resultado:

𝑃_𝑡 = 1.738 + (0.086 ∗ 2 )

𝑃𝑡 = 1.910 𝑏𝑎𝑟

Para la realización de todos estos sistemas se utilizó el compresor ya obtenido, para abastecer el método.

Por la forma cilíndrica del fuelle lateral se utilizó la fórmula 8 para el cálculo de volumen que se encuentra en Metodología.

𝑉 = 𝜋𝑟2_ℎ

Datos de la bolsa de aire lateral: r = 4 cm

h = 22 cm

El volumen de la bolsa de aire lateral es:

𝑉 = 𝜋 ∗ 𝑟2_{∗ ℎ}

𝑉 = 𝜋 ∗ 42_{∗ 21}

𝑉 = 1100.44 𝑐𝑚3

Los datos del fuelle neumático son los indicados en la tabla 5.

Tabla 7. Dimensiones totales del pulmón neumático

Descripción Medida (cm)

Diámetro interno del pulmón (di) 10,2

Diámetro externo del pulmón (De) 14,64

Altura del lóbulo (hl) 5,2

Altura total (ht) 11,1

Diámetro del vástago (Dv) 0,3

(42)

29 Figura 16. Dimensiones del pulmón de aire

(Narvaez Morales & Pomaquero Villalovos, 2011)

Tomando en cuenta la figura 15 se determinó que el fuelle neumático se divide en 4 zonas por lo cual el volumen total será calculado con la fórmula 10 que se encuentra en Metodología.

𝑉𝑡 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 + 𝑉4

Volumen de la zona 1 es el volumen del igual que el de la zona 2 ya que los dos lóbulos tienen igual capacidad y su forma es igual a la de un cilindro, y está dada por la fórmula 11 que se encuentra en Metodología.

𝑉1 ≅₁₂𝜋 ℎ𝑙 (2𝐷𝑒2_{+ 𝑑𝑖}2₎

Datos:

De= 14.64 cm di=9.2 cm hl= 4.2 cm

𝑉1 ≅ 𝜋

12 4.2 (2(14.64)2+ 9.22)

𝑉1 ≅ 785.43 𝑐𝑚3

(43)

30 Volumen de la zona 3

Es el Espacio comprendido entre los dos lóbulos, tiene una altura (he) de 0.07cm y un diámetro igual al diámetro interno del fuelle, por lo cual se utilizó la ecuación 12 de volumen de un cilindro que se encuentra en Metodología. Datos:

di= 9.2 cm he= 0.07 cm

𝑉3 ≅𝜋

4 𝑑𝑖2ℎ𝑒

𝑉3 ≅𝜋

4 (9.2)2(0.07)

𝑉3 ≅ 4.82𝑐𝑚3

Volumen de la zona 4

Interpretar la forma del segmento del vástago y como esta es cilíndrica, por lo que se aplica la siguiente ecuación 13 que se encuentra en Metodología: Datos:

Dv= 0.3 cm hv= 11.1 cm

𝑉4 ≅𝜋

4 𝐷𝑣2ℎ𝑣

𝑉4 ≅𝜋

4 (0.3)2(11.1)

𝑉4 ≅ 0,785𝑐𝑚3

Una vez determinado los volúmenes de cada fuelle se aplicó la fórmula 13 del volumen total que se encuentra en Metodología.

𝑉𝑡 𝑑𝑒𝑙 𝑃𝑢𝑙𝑚ó𝑛 = 𝑉𝑡 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 + 𝑉4

Como V1=V2:

𝑉𝑡𝑝 = 2𝑉1 + 𝑉3 + 𝑉4

𝑉𝑡𝑝 = (2(785.43) + 4.82 + 0.785)𝑐𝑚3

𝑉𝑡𝑝 = 1687𝑐𝑚3

(44)

31 debido a que son dos y sobrepasa al volumen del fuelle neumático, por lo cual se aplicó la fórmula 14 que se encuentra en Metodología.

𝑄_𝑝 = 𝑉𝑡𝑝

𝑇𝑝

Dónde:

Qp: caudal del pulmón neumático

Vtp: Volumen total del pulmón neumático Tp: tiempo de llenado del pulmón neumático.

𝑄𝑝 =

1686𝑐𝑚3

4𝑠𝑒𝑔

𝑄𝑝 = 449 𝑐𝑚

3

𝑠𝑒𝑔 = 26.94

𝑙

𝑚𝑖𝑛 = 0.03 𝑚3 𝑚𝑖𝑛

Para calcular el tiempo de llenado de las bolsas de aire lateral se utilizó el caudal obtenido para el sistema y se aplicó la siguiente fórmula 15 que se encuentra en Metodología.

𝑇𝑏𝑙 = 𝑉𝑏𝑙 𝑄𝑏𝑙

Dónde:

Tbl: tiempo de llenado de la boya lateral Vbl: Volumen de la boya lateral

Qbl: caudal de la boya lateral

𝑇_𝑏𝑙 =1256.64 𝑐𝑚3

499 𝑐𝑚_𝑠𝑒𝑔3

𝑇_𝑏𝑙 = 3.518 𝑠𝑒𝑔

Como son dos bolsas laterales el tiempo de llenado se duplica:

𝑇𝑡_𝑏𝑙 = 𝑇_𝑏𝑙1+𝑇_𝑏𝑙2= 6.13 𝑠𝑒𝑔

(45)

32 Tabla 8. Medidas de mangueras recomendada

(Narvaez Morales & Pomaquero Villalovos, 2011)

Se procedió en FluidSIM que proporciona que las cañerías a utilizarse, la boya o fuelle, y determinando su consumo de aire necesario para inflarse, se procedió a escoger las electroválvulas las cuales son dos 3/2 y una 5/2 y válvulas para el manejo del sistema neumático las cuales son reguladoras de caudal y reguladora de presión.

El diseño en FluidSIM permitió conocer como trabajará todo el sistema al cambio de posición de las electroválvulas, regulando el caudal y la presión de aire para el método para un óptimo funcionamiento del fuelle una vez colocado el sistema neumático en el mismo, se observa los elementos seleccionados principalmente el fuelle neumático, las electroválvulas 5/2 y 3/2, el filtro, la fuente o generador de aire para este caso los acoples rápidos, válvulas reguladoras de caudal, válvula reguladora de presión y las cañerías.

Se visualiza como al accionar la válvula 3/2 o 3 vías y 2 posiciones se puede verificar el ascenso o descenso del fuelle de aire, el cual posee en sus cañerías su regulador de caudal para evitar el movimiento excesivos al ascenso o descenso del fuelle, y en el mismo se puede observar dos líneas de camino de aire; línea de aire azul verifica que existe una gran presión en esta parte del método, mientras que la línea de aire turquesa verifica que en esta área existe una presión baja.

(46)

33 llenado un regulador de presión para no exceder la capacidad del fuelle y evitar una explosión de las mismas.

3.11. CONSTRUCCIÓN DE LA BASE DE GATA NEUMÁTICO

3.11.1. SELECCIÓN DEL MATERIAL

Una vez que se encontró todos los parámetros necesarios para la realización de este proyecto se procedió a la construcción de mismo, lo primero que se realizó fue la selección del material de acero ASTM 615 como lo muestra la siguiente tabla 9.

Tabla 9. Construcción de la base de la gata neumática

Detalle Imagen

Lámina de Acero ASTM 615 ya seleccionado previamente a los estudios ya realizados.

Con la máquina de la fresadora realizó trabajo de cepillo de la lámina.

(47)

34 Tabla 9. Construcción de la base de la gata neumática continuación

El siguiente paso en el torno damos forma a la plataforma superior que va sobre el fuelle (Boya).

En el torno realizó los respectivos seguros o pasadores de la base.

Vista previa parte superior de la base la gata neumática.

Gata Neumática terminada por completo el trabajo en la fresadora y el torno.

3.12. NORMAS DE SEGURIDAD

3.12.1. RIESGOS PRESENTES GOLPES CON HERRAMIENTAS

(48)

35

3.12.2. MEDIDAS PREVENTIVAS PARA REALIZAR CAMBIO DEL

NEUMÁTICO

Utilizar las herramientas adecuadas.

Cumplir la técnica de trabajo establecido para el cambio de neumático del vehículo.

Por precaución y seguridad detener el motor, enganchar y acuñar el vehículo para evitar desplazamiento y caída. Elegir superficie plana, firme y estable para instalar el gato neumático de levante.

Una de las medidas preventivas es asegurarse de colocar el gato neumático debajo del marco o eje cerca de la llanta quese va a cambiar.

Ratificar y asegurarse de colocarlo donde se sostenga de una parte metálica firme de la estructura.

Manejar o utilizar una base resistente para evitar el hundimiento del gato neumático, el que debe tener un poder de levante mayor.

3.13. CONTROL ELECTRÓNICO DEL ELEVADOR NEUMÁTICO

Para el suplemento del diseño e implemento del proyecto se realizó la automatización del mismo mediante una placa Arduino, donde una plataforma electrónica maneja una programación de tipo código abierto de claro compresión. Para el manejo del sistema Arduino se deben utilizar placas de la misma denominación, las que acceder cargar la programación desarrollada en el sistema; esta placa es el principio de un micro controlador el cual toma las entradas para recepción de información y salidas para transmisión de datos, la alimentación de 5v en este circuito. Como adicional al proyecto en la placa Arduino se insertó un módulo Bluetooth Hc-05 y un módulo de relés, los mismos que simultáneamente abren y cierran las electroválvulas de forma electrónica e inalámbrica.

Siguiendo el orden se programa la placa Arduino, se procedió a conectar los componentes, primero se conectó el módulo Bluetooth HC-05 tal como lo indica la figura 17.

(49)

36 Con el orden que sigue, ya conectado al módulo Bluetooth se conectó al bloque de relés que son los que llevarán la energía hacia las electroválvulas, como lo indica la figura 18.

Figura 18.Conexión Placa Arduino con bloque de relés.

Una vez concluida con la conexión que comprenden la programación Arduino se desarrolló la aplicación para el control de los pulsadores en el desarrollador APP Inventor 2, el cual tiene un método elemental para el usuario y accede codificar de manera muy fácil, como se ve en la figura 19.

(50)

37 Finalizada la configuración de la portada con los mismos iconos colocados en el plano principal del programa se procedió a programar a través de agrupaciones como se ve en la figura 20.

Figura 20. Desarrollo de bloques de programación App inventor 2

La aplicación se archivó en formato apk, se instaló en un Smartphone, después a configurar el bluetooth en un dispositivo móvil (teléfono celular o Tablet) con el HC-05 del Arduino para proceder a manejarlo.

3.14. CONTROL DE LA APLICACIÓN APP INVENTOR 2

Al utilizar la aplicación App inventor 2 hace fiable que, mediante un Smartphone vía Bluetooth, sea posible manejar las electroválvulas del sistema neumático, la pantalla principal de la aplicación consta de 2 pulsadores que controlarán las electroválvulas como se observa en la figura 21.

(51)

38 Al oprimir el pulsador superior izquierdo de la aplicación, permitirá la apertura de la electroválvula 5/3 y que el fuelle neumático se eleve como se observa en la figura 22.

Figura 22. Fuelle neumático en elevación

Al oprimir el pulsador superior derecho, ejecutará a cerrar la válvula 5/3 y que el fuelle neumático descargue todo el aire y descienda como se observa en la figura 23.

(52)

39

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1. CONCLUSIONES.

Se realizó el diseñó y se construyó un sistema de elevación o gata neumático, que permite aprovechar los beneficios de rapidez, facilidad y seguridad al estar el vehículo elevado con un peso de 1700 kg aproximadamente con una máxima elevación de 50o mm y una mínima de 300 mm.

Se seleccionó el material de acero demostrado en tablas de características, la resistencia que tienes es de 441 Mpa, y su factor de seguridad del material es de 2.7, lo cual dio como resultado el material de características semejantes a los materiales de Acero ASTM A615, su espesor mínimo es 2mm para el cual el material es operativo.

La gata neumática tiene un equipo integrado mediante una aplicación App Inventor 2 que desde un dispositivo celular o tablet que tenga bluetooth permita la tarea sea muy sencilla, en especial cuando se produce en condiciones extremas climatologías o en sitios peligrosos la integridad física del(a) conductor(a) o en los casos en que el tiempo juegue un factor preponderante.

La utilización de la gata neumático con el sistema neumático se realizó las pruebas de funcionamiento del sistema neumático y electrónico, llegando a concluir que su funcionamiento es óptimo para las necesidades del operario recalcando la aplicación App Inventor 2 es portátil, rápido y el conjunto del sistema tiene estabilidad y seguridad.

(53)

40

4.2. RECOMENDACIONES

Se recomienda implementar los estudio sobre la optimización del acero o combinaciones de aleaciones de la base o soporte de la gata neumática que sean apto a componentes estéticos o ambientales tanto como exterior e interior en atractivos o acabados dando la principal exigencias de resistencias y seguridad del material.

Una opción para el mejoramiento de la gata neumática es la fabricación de un fuelle alternativo al de los fuelles que existen en el mercado, lo cual permite que se contrae lo máximo posible.

(54)

41

5. BIBLIOGRAFÍA

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(55)

42 Creus, A. (2012). Neumática e Hidráulica. Barcelona: Marcombo.

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Cálculo en recipientes de paredes delgadas, envolventes de pequeño espesor. (2015). Mecánica de sólidos. Obtenido de

Factor de seguridad y esfuerzo de diseño permisible. (2014). Esfuerzos y cargas admisibles. Obtenido de

Acero al carbono estructural. (2012). Acero ASTM A36. Obtenido de https://es.scribd.com/doc/89693272/Acero-ASTM-A36.

(56)

43

6. ANEXOS

ANEXO 1

(57)

44

ANEXO 2

(58)

45

ANEXO 3

(59)

46

ANEXO 4

(60)

47

ANEXO 5

(61)

48

ANEXO 6

(62)

150

124 120

124

GATA DE ELEVACIÓN NEUMÁTICA

A

B

C

D

E

F

8

7

6

5

4

3

2

1

DIBUJ. VERIF. APROB. FABR. CALID.

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO: LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM ACABADO SUPERFICIAL: TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:

ACABADO: REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:

UTE

REVISIÓN

TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

ESCALA:1:2 HOJA 1 DE 1

A3

PESO:

(63)

A

B

C

D

E

F

8

7

6

5

4

3

2

1

ACABADO: REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS VIVAS

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:

UTE

REVISIÓN

TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

A3

PESO:

Boya neumática Isometría

(64)

100

120 124

2

120

GATA DE ELEVACIÓN NEUMÁTICA

A

B

C

D

E

F

8

7

6

5

4

3

2

1

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:

UTE

REVISIÓN

TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

A3

PESO:

Cilindro de estabilidad - plano vistas

(65)

161

7

3

2

90 86 84 79 71 75

10 90 71 79 75 2

A

B

C

D

E

F

8

7

6

5

4

3

2

1

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:

UTE

REVISIÓN

TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

A3

PESO:

Ensamblaje boya- plano vistas GATO DE ELEVACIÓN NEUMÁTICO

(66)

4 2 5 6 1 3 9 8 7

GATA DE ELEVACIÓN NEUMÁTICA INGENIERÍA AUTOMOTRIZ N.º DE

ELEMENTO N.º DE PIEZA DESCRIPCIÓN CANTIDAD

1 Tubo Seccion cuadrada - Base soporte

PERFIL CUADRADO ACERO

ASTM A-36 12

2 Lamina anclaje - base _soporte LÁMINA DE ACERO AISI 1018_{t= 3mm} 3

3 Base antideslizante _{caucho SBR} FIBRA VILCANIZADA _{ANTIDESLIZANTE} 12 4 Anillo sujecion Acero inoxidable AISI 304 1 5 base plataforma-_boya LÁMINA DE ACERO AISI 1018 1