Sede Santo Domingo Portada
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
Informe del proyecto técnico para obtener el título de:
INGENIERO AUTOMOTRIZ
TÍTULO:
DISEÑO DE LOS COMPONENTES DE UNA RECTIFICADORA DE DISCOS Y TAMBORES
Autor
ESMERALDAS EQUIZABAL DIEGO ALEJANDRO
Director
ING. GUALOTUÑA QUISHPE ELVIS PATRICIO. MSC.
Santo Domingo de los Tsáchilas – Ecuador
II
Sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal
Ing. Elvis Gualotuña Quishpe, MsC. ____________________
DIRECTOR DE TESIS
APROBADO
Ing. Miriam Recalde Quiroz, MsC ____________________
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
Ing. Arturo Falconí Borja, MsC. ____________________
MIEMBRO DEL TRIBUNAL
Ing. Xavier Orbea Hinojosa, MsC. ____________________
MIEMBRO DEL TRIBUNAL
III
Institución: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
Título: DISEÑO DE LOS COMPONENTES DE UNA
RECTIFICADORA DE DISCOS Y TAMBORES.
Fecha: ENERO, 2018
Responsabilidad del autor
El contenido del presente trabajo está bajo la responsabilidad del autor y no ha sido
plagiado.
IV
INFORME DEL DIRECTOR
Santo Domingo, 18 de diciembre del 2017.
Señora Ingeniera
Miriam Recalde Quiroz
COORDINADORA DE FACULTAD
CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS Presente.-
Señora Coordinadora
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo escrito de titulación
realizado por el señor: DIEGO ALEJANDRO ESMERALDAS EQUIZABAL, cuyo título es: “DISEÑO DE LOS COMPONENTE DE UNA RECTIFICADORA DE
DISCOS Y TAMBORES”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, el mismo que no ha sido plagiado, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes.
Revisión
Atentamente.
V
Dedicatoria
Al regalo más grande que Dios me ha dado, mis padres, por ser
mi guía y razón de vida.
A mis padres, por ser mi modelo de superación y estar
presentes con su apoyo moral, psicológico y económico en las
situaciones más difíciles.
A mis compañeros, docentes y aquellas personas que
contribuyeron a acercarme a mi objetivo.
VI
Agradecimiento
A los que influyeron en el transcurso de mi preparación
académica.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial, por permitirme ser
parte de ella y culminar mi carrera.
A mi director de tesis, Ing. Elvis Gualotuña, por brindarme la
oportunidad de compartir su conocimiento científico.
Al Ing. Arturo Falconí, director de carrera, por su
disponibilidad y colaboración ante toda eventualidad.
A mis padres y hermanos que supieron depositar su confianza e
inculcarme los senderos de lo profesional.
Este logro es en gran parte gracias a ustedes.
VII
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172215055-2
APELLIDO Y NOMBRES: Esmeraldas Equizabal Diego Alejandro
DIRECCIÓN: Coop. Abdón Calderón
EMAIL: diegochuriito@hotmail.es
TELÉFONO FIJO: 02-2766060
TELÉFONO MOVIL: 0994391689
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño de los componentes de una
rectificadora de discos y tambores
AUTOR O AUTORES: Diego Alejandro Esmeraldas Equizabal
FECHA DE ENTREGA DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN:
Enero, 2018
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Elvis Gualotuña Quishpe, MsC.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 180 y máximo
250 palabras
El sistema de frenos está diseñado para
disminuir o detener el vehículo a
voluntad del conductor. El sistema de
frenos al presentar daños o
irregularidades en la superficie de
fricción afectaría la eficiencia de frenado
del vehículo. El presente proyecto
técnico consiste en obtener la solución a
los diferentes tipos de daños que sufre la
superficie de fricción de discos y
tambores de freno, al tener contacto
VIII
mediante el diseño de componentes de
una rectificadora de discos y tambores de
freno, se dará pauta para el desarrollo de
una rectificadora, que ayude al
mantenimiento de las superficie de
fricción de manera que el sistema de
frenos tenga un mayor coeficiente de
fricción al aplicar el frenado al vehículo,
se cumplirá al no contar con
irregularidades de tal que alarguemos la
vida útil del elemento.
Al realizar el proyecto se siguió el
proceso de diseño de la carcasa superior
del banco rectificador iniciando por el
análisis de la estructura mediante
software de diseño asistido por
computadora CAD además la selección
del material y componentes
indispensables para su construcción y
control que determinaran la viabilidad y
desempeño del proyecto con sus análisis
de factor de seguridad, desplazamiento
estático, tensiones Von Misses,
deformaciones unitarias. Además se
realizaron cálculos matemáticos con el
fin de determinar parámetros y cargas a
aplicar en el diseño, concluyendo con un
análisis general de datos obtenidos.
PALABRAS CLAVES: Material de fricción, Superficie de
fricción, Coeficiente de fricción,
IX
driver's will. The braking system when
presenting damages or irregularities in
the friction surface would affect the
braking efficiency of the vehicle. The
present technical project consists of
obtaining the solution to the different
types of damages suffered by the friction
surface of discs and brake drums, by
having frequent contact with the friction
material of either the pads or brake pads,
due to the bad condition of the roads in
our environment, through the design of
components of a disc grinder and brake
drums, guidelines will be given for the
development of a grinding machine,
which helps the maintenance of the
friction surface so that the brake system
has a greater coefficient of friction when
applying braking to the vehicle, by not
having irregularities, the useful life of
the element will be extended.
When the project was carried out, the
process of designing the upper casing of
the rectifier bank was followed,
beginning with the analysis of the
structure using CAD computer-aided
design software, as well as the selection
of the material and essential components
for its construction and control to
determine the feasibility and
X
deformations. In addition mathematical
calculations were carried out in order to
determine parameters and loads to apply
in the design, concluding with a general
analysis of obtained data.
KEYWORDS Friction material, Friction surface,
Coefficient of friction, CAD software.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de
la Institución.
f:__________________________________________
ESMERALDAS EQUIZABAL DIEGO ALEJANDRO
XI
Yo, ESMERALDAS EQUIZABAL DIEGO ALEJANDRO, CI 1722150552 autor
del proyecto titulado: Diseño de los componentes de una rectificadora de discos y
tambores, previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de
la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en
formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea
integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del
Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a
tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar
un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de
propiedad intelectual vigentes.
Santo Domingo, 08 de enero de 2018
f:_________________________________________________
ESMERALDAS EQUIZABAL DIEGO ALEJANDRO
XII
Portada... I
Sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal ... II
Responsabilidad del autor ... III
Aprobación del director... IV
Dedicatoria ... V
Agradecimiento ... VI
Formulario de registro bibliográfico ... VII
Declaración y autorización ... XI
Indice de contenido ... XII
Indice de figuras ... XIV
Indice de tablas ... XVI
I INTRODUCCIÓN ... 1
II MARCO REFERENCIAL ... 3
III METODOLOGÍA PARA LA PRAXIS PROFESIONAL UTILIZADA ... 30
Método deductivo ... 30
Método análisis ... 30
Método descriptivo ... 31
Selección de maquina rectificadora de discos y tambores ... 32
Selección de software de diseño ... 33
Cálculos Mecánicos ... 38
Calculo del sistema de transmisión ... 39
Análisis de transmisión entre eje motriz y eje conducido ... 41
Análisis de transmisión entre eje Conducido y eje del rectificador ... 42
Calculo de Potencia requerida ... 43
Calculo del Diámetro del eje ... 45
Selección de rodamiento ... 45
IV ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ... 57
Selección de modelo de rectificadora y software de diseño ... 57
Análisis de Carcasa superior ... 58
XIII
Selección de rodamiento y banda ... 65
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 66
Conclusiones: ... 66
Recomendación ... 68
REFERENCIA BIBLIOGRAFÍCA ... 69
XIV
Figura 1. Sistema convencional de frenos ... 3
Figura 2. Elementos constituyentes de un freno de disco. ... 4
Figura 3. Elementos constituyentes de un freno de disco ... 5
Figura 4. Composición de los Disco de freno ... 7
Figura 5. Partes del disco de freno. ... 7
Figura 6. Partes del tambor de freno ... 9
Figura 7. Composición de material de Fricción ... 10
Figura 8. Test de Fading ... 12
Figura 9. Zapatas y pastilla de freno ... 13
Figura 10. Rectificadora de disco de freno portátil... 18
Figura 11. Rectificadora de disco y tambores de freno. ... 18
Figura 12. Principio de funcionamiento motor eléctrico ... 20
Figura 13. Motor CC ... 20
Figura 14. Motor AC... 21
Figura 15. Transmisión mediante polea y banda ... 21
Figura 16. Engrane tornillo sin fin ... 22
Figura 17. Rectificadora de discos y tambores (C 9335) ... 23
Figura 18. Rectificadora de discos y tambores (C 9370) ... 24
Figura 19. Hierro fundido en un molde ... 25
Figura 20. Perfiles de Acero ... 26
Figura 21. Usos del dibujo asistido por computador ... 27
Figura 22. Interface de Solidworks ... 28
Figura 23. Interface de Inventor ... 28
Figura 24. Interface software CAD MSC Software ... 29
Figura 25. Fragmento del libro Diseño en ingeniería Mecánica de Shigley ... 29
Figura 26. Rectificadoras de disco y tambores de freno ... 32
Figura 27. Tensiones Von Mises Carcasa superior ... 36
Figura 28. Desplazamiento estático de la Carcasa superior ... 36
Figura 29. Deformaciones unitarias de la Carcasa superior ... 37
Figura 30. Factor de Seguridad ... 37
XV
Figura 34. Caja de engranajes con valores de medida para análisis ... 48
Figura 35. Diagrama de fuerzas y reacciones ... 50
Figura 36. Sistema de transmisión por polea. ... 53
Figura 37. Análisis de resultados de los modelos presentados . ... 57
Figura 38. Análisis de resultados de los tipos de software para la selección. ... 58
XVI
Tabla 1. Características básicas de la fundición de los discos ... 6
Tabla 2. Características de los materiales que componen un tambor de freno ... 8
Tabla 3. Tipos de materiales de fricción y propiedades de revestimiento ... 11
Tabla 4. Fallas técnicas en las superficies de frenado. ... 14
Tabla 5. Características técnicas de la rectificadora C 9335 ... 23
Tabla 6. Características técnicas de la rectificadora C 9370 ... 24
Tabla 7. Composición química de acero 4340 ... 26
Tabla 8 Propiedades Mecánicas de acero 4340 ... 26
Tabla 9 Tratamiento Térmico de acero 4340 ... 26
Tabla 10. Selección de rectificadora de discos y tambores ... 33
Tabla 11. Selección de software de diseño ... 34
Tabla 12. Propiedades del material de la carcasa superior ... 35
Tabla 13. Resultados de Estudio de la Carcasa Superior ... 38
Tabla 14. Factores de Velocidad de corte ... 39
Tabla 15. Fuerzas de corte según el material ... 44
Tabla 16. Factor de velocidad de Rodamientos ... 46
Tabla 17. Factor de esfuerzos dinámicos de Rodamientos. ... 47
Tabla 18. Valores de juegos radicales de Rodamientos FAG. ... 47
Tabla 19. Cargas dinámicas en función del diámetro del eje ... 52
Tabla 20. Máquinas de transmisión ... 54
Tabla 21. Propiedades de estudio de la Carcasa superior ... 58
Tabla 22. Unidades ... 59
Tabla 23. Sujeción en carcasa superior ... 59
Tabla 24. Cargas aplicadas en Carcasa ... 60
I INTRODUCCIÓN
En nuestro país es muy común utilizar el sistema de frenos de un vehículo con mayor
regularidad, esto se debe al mal estado de las vías, las cuales hacen que los frenos
sean usados con mayor incidencia provocando un desgaste tanto en las piezas fijas
como en las móviles del sistema de frenos ocasionando muchas irregularidades
debido al uso excesivo de los frenos causa recalentamiento y ocasiona el
debilitamiento de los materiales involucrados en cada frenada. El deterioro de los
frenos es debido al calor excesivo que produce cambios químicos en el revestimiento
de los frenos que reducen la fricción y también causa el desgaste de los tambores y
discos de freno. Entonces al existir un degaste la vida útil de los discos y tambores de
freno disminuye ya que son piezas móviles del sistema de freno, y nos llevaría hacer
un mantenimiento en el cual se elimine las irregularidades en la superficie de frenado
tanto de los discos como de los tambores de freno, el cual se realiza con una
rectificadora de discos y tambores.
Uno de los principales problemas en el Ecuador, es el alto valor de la sobre tasa
arancelaria de importación de máquinas. La Resolución No. 011-2015 del Comex
establece una tarifa arancelaria del 15% para las máquinas que efectúen distintas
operaciones de mecanizado, de esta manera se ven afectadas las maquinas
rectificadoras de discos y tambores. (Comex, 2015)
Bajo este punto importante actualmente en el Ecuador existe mucha incertidumbre
debido a los cambios de orden económico y político los cuales en sociedades como la
nuestra (países en desarrollo) siempre buscan el surgimiento de soluciones propias
para nuestros problemas más fundamentales. Lo cual al existir una sobretasa
arancelaria para la importación de las máquinas de rectificadora de discos y
tambores de freno, se ve afectado el Sector encargado de realizar el mantenimiento
de sistemas de freno.
Debido a esto muchas personas en el Ecuador realizan trabajos de rectificado de
Discos y tambores de freno de manera empírica o con máquinas (tornos) que
exceden los años de uso, ocasionando accidentes laborales incluso hasta perdida de
al Sector afectado se propone el diseño de los componentes de una rectificadora de
discos y tambores.
El diseño de los componentes de una rectificadora de discos y tambores ayudara al
sector afectado de manera que las maquinas se puedan ensamblar en nuestro país y
dar una pauta para desarrollar una rectificadora en la Universidad Tecnológica
Equinoccial Sede Santo Domingo, ya que la misma necesita una máquina de
mecanizado de discos y tambores de frenos, lo que sería de gran ayuda para que los
estudiantes adquieran mejores conocimiento teórico-práctico y desarrollen
habilidades que les puedan ayudar en el ámbito laboral a futuro.
Objetivo general
Diseñar los componentes de una rectificadora de discos y tambores.
Objetivos específicos
• Analizar el sistema de frenos y superficie de frenado. • Identificar tipos de rectificadoras de disco y tambores.
• Identificar procedimientos de diseño según normas y reglamentos nacionales
Internacionales.
• Definir cuáles componentes se pueden diseñar y construir en el Ecuador con alto
estándares de calidad.
• Diseñar los componentes de la rectificadora de discos y tambores en un Software
de diseño.
Para el desarrollo del proyecto se utilizara la metodología investigativa en donde se
buscará información referente al tema en diferentes libros, revistas científicas,
internet, etc. De estas fuentes se tomará los conceptos más relevantes para ser
analizados y dicha información será tomada como base para la realización de este
proyecto.
También, se aplicara el método descriptivo utilizado primordialmente para describir
algunas características fundamentales de los elementos de la rectificadora de discos y
tambores, utilizando criterios sistemáticos que permitan poner de manifiesto un
II MARCO REFERENCIAL
Sistema de frenado
El sistema de frenado de un vehículo es muy importante por ser uno de los
elementos de la seguridad activa de los vehículos. Resulta ser muy útil al momento
de tratar detener y/o disminuir la velocidad de un vehículo en marcha en distintos
tipos de superficies o condiciones del camino.
El sistema de frenado del vehículo se basa en el principio de la absorción de la
energía cinética provocada por el movimiento del vehículo, al aplicar el freno la
superficie en movimiento con la superficie de frenado entran en contacto generando
fricción entre las superficies transformándola a energía calorífica, cabe decir que
entre más calor se genere en el sistema de frenado más rápido se detendrá el
vehículo. (Sanjuan, 1996)
Figura 1 Sistema convencional de frenos Fuente: (Casado, 2012)
Frenos de Discos
Los frenos de disco en la actualidad son muy utilizados en los sistemas de frenado de
los vehículos tanto en las ruedas delanteras como en las traseras. Como se muestra en
la figura 2, este sistema consiste en ejercer presión en las superficies de frenado del
disco con dos pastillas de fricción y un cilindro que ejerce una presión sobre las
pastillas que, a su vez las presionan contra el disco, deteniendo su movimiento.
(Pablo Luque Rodriguez, 2008)
Debido a esto este sistema es muy efectivo ya que el calor que se genera en cada
frenado se disipa rápidamente al tener todos sus componentes al aire libre evitando
por su gran efectividad en frenados cortos, la capacidad de auto regulación y su bajo
costo en mantenimiento.
El material con el cual se fabrican los discos de freno son algunos, esto se debe a la
aplicación que se le vaya a dar y en qué tipo de vehículo se lo va a aplicar, pero para
este proyecto técnico nos basaremos en los convencionales, los cuales existen de
acero o de fundición gris nodular de grafito laminar los cuales son muy comunes en
la mayoría de vehículos en nuestro país.
Figura 2 Elementos constituyentes de un freno de disco. Fuente: (Jose Font Mezquita, 2006)
a) Disco de frenos b) Pastilla de fricción c) Mordaza o pinza
La gran ventaja de los frenos de disco que ofrece mucha estabilidad y un frenado
muy efectivo, además la facilidad de instalación y la facilidad que tiene de disipar el
calor generado en cada frenada.
Frenos de Tambores
Los frenos de tambor poseen un par de zapatas de fricción en forma de semicírculo
que presionan la superficie interna de frenado del tambor que está en movimiento
porque va conectada con la rueda del vehículo. Como se muestra en la figura 3, las
zapatas de fricción están montadas en el plato de freno que va fijo al eje trasero de
manera que no se gire. Al pisar el pedal de freno el conductor, la presión en el
circuito cerrado de fluido aumenta y esa presión pasa a cada cilindro de la rueda la
hacer la acción de frenado las zapatas regresas a su lugar por medio de unos resortes
de retorno ya que los otros extremos están pivotes y no se expande, es necesario que
las zapatas estén lo más cerca posible a la superficie de frenado del tambor, esto se
logra con un ajustador de rosca con el cual ayuda a calibrar los frenos de tambor y
lograr mantener la máxima fuerza de frenado en las ruedas traseras.
Figura 3 Elementos constituyentes de un freno de disco Fuente: (Jose Font Mezquita, 2006)
Antiguamente el frenado se realizaba mediante una cinta enrollada a una polea,
consiguiéndose la acción de frenado mediante la inmovilización de la polea por la
aplicación de sendos esfuerzos en los extremos de la cinta. (Jose Font Mezquita,
2006)
Superficie de frenado
El sistema de frenado de un vehículo, para un óptimo rendimiento, depende mucho
de las características de fricción. El rozamiento entre dos elementos, detiene el
movimiento de las ruedas y transforma la energía de rozamiento en calor, que es
disipado a la atmosfera por las corrientes de aire que circulan a través de ellos
durante el desplazamiento del vehículo. (Jose Font Mezquita, 2006)
La fricción estática es la resistencia al movimiento de un cuerpo que se encuentra en
contacto con una superficie estacionaria. La fricción cinética es la acción de un
cuerpo deslizándose sobre la superficie de otro. (Colin, 2009)
En los frenos del vehículo, el circuito cerrado de fluido genera la presión para
cantidad de fricción que existe entre dos cuerpos depende del coeficiente de presión
de una superficie contra la otra, la temperatura y el área de la superficie de fricción.
La superficie de frenado del disco y tambor son muy importantes porque interactúan
con el material de fricción, por lo tanto deben estar en buenas condiciones, no contar
con cristalización, ondulación y/o existir un excesivo desgaste en la superficie de
frenado, si hay una de estas condiciones se tendría que realizar un mantenimiento en
las superficie de frenado de manera que brinde un rendimiento óptimo en el frenado
del vehículo.
Superficie de frenado del disco
La superficie de frenado del disco es perfectamente plana y su geometría es
uniforme, es muy importante saber que no todos los discos tienen las mismas
dimensiones y condiciones de trabajo, estos van de acuerdo al diseño del vehículo, y
especificaciones de la marca.
El material escogido para fabricar los discos de freno es la fundición gris nodular de
grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las prestaciones durante el
periodo de vida de los discos. Existen también, discos de materiales compuestos en
matriz de carbono, usados en la alta competición y en los frenos de los aviones,
aunque debido al alto coste que tienen son inviables para los vehículos comunes. En
la actualidad se están desarrollando discos de freno en aluminio con una base de
carburo de silicio, ya que su menor peso los hace muy atractivos, pero la mala
disipación de calor que tienen los hacen inviables de momento, ya que necesitan un
sobredimensionamiento importante que hacen que pierdan las ventajas del reducido
peso. (Manual de la pastilla de freno, 2011)
Tabla 1: Características básicas de la fundición de los discos
Propiedades Físicas Valores
Resistencia a tracción 240 N/mm2
Dureza 170-250 HB
Temperatura 250-400 oC
La composición básica del material de los discos es una fundición gris nodular de
grafito laminar, que contiene entre un 92% y un 93% de hierro. Además del hierro
otros componentes básicos tales como el silicio, manganeso y otros garantizan la
calidad de un elemento crítico en el frenado como es el disco. En el gráfico siguiente
podemos ver el porcentaje de los diferentes materiales que junto con el hierro, que
supone el 93% del total, el resto de materiales suponen entre el 7% y el 8% que resta
de la composición total del disco. Del hierro otros componentes básicos tales como el
silicio, manganeso y otros garantizan la calidad de un elemento crítico en el frenado
como es el disco. En el gráfico siguiente podemos ver el porcentaje de los diferentes
materiales que junto con el hierro, que supone el 93% del total, el resto de materiales
suponen entre el 7% y el 8% que resta de la composición total del disco. (Manual de
la pastilla de freno, 2011)
Figura 4. Composición de los Disco de freno Fuente: (Manual de la pastilla de freno, 2011)
El disco de freno está compuesto por partes las cuales son detalladas en la figura 5.
Figura 5. Partes del disco de freno. Fuente: (Autor)
FILTRO TERMICO
SUPERFICIE DE FRICCION
Superficie de frenado del tambor
La superficie de frenado del tambor es perfectamente redonda y tiene un acabado
superficial en toda la superficie de contacto contra el elemento de fricción, el proceso
de fricción, se lleva da cuando dos cuerpos solidos interactúan sus superficies una
contra la otra. Para que este proceso ocurra, la velocidad entre las dos superficies
debe ser distinta la una de la otra, debe existir una presión entre las superficies en
contacto y un factor de fricción entre las superficies. (Pablo Luque Rodriguez, 2008)
Los tambores de freno son fabricados en hierro fundido gris, porque deben cumplir
ciertas características:
• Fácil fusión y moldaje • Buena resistencia mecánica • Buena resistencia al desgaste • Buena capacidad amortizadora • Resistencia a la compresión • Excelente rectificado
Sus propiedades harán del hierro fundido gris de gran importancia para la industria
automovilística. Por esta razón SAE por intermedio de la especificación SAE J-431
elaboro una clasificación de estos materiales. Esta clasificación SAE también fue
adaptada por la ASTM en su norma 159-72 “Hierro Fundido gris para uso
automovilístico “. (Fricción, 2014)
Tabla 2: Características de los materiales que componen un tambor de freno
Característica Clase SAE
composición G 2500 G 3500B G 3500C
carbono total 3.20-3.60 3.20-3.60 3.20-3-60 silicio 1.60-2.10 1.30-1.80 0.60-1.80 magnesio 0.60-0.90 0.60-0.90 0.60-0.90
azufre 0.12 0.12 0.12
fosforo 0.15 0.15 0.15
El resultado en los tipos de material para tambores que podemos observar en la tabla
2. Es en la resistencia a la tracción observamos que para los tipos de material (G
3500B) y (G3500C) tenemos un valor 24.5 (kg/mm2) lo que nos muestra que este
tipo de material se lo utiliza en tambores de freno de servicio pesado y extra pesado
donde se requiere mayor fuerza de tracción debido a las cargas que son expuestas al
momento de un frenado. Por otra parte el tipo de material el (G 2500) con 17.5
(kg/mm2) para tambores de vehículos livianos, pero contienen mayor silicio con
valor de (1.60-2.10) un valor de (0.30) por encima que los otros dos tipos de
material.
En trabajo, el tambor se dilata por la acción de las fuerzas radiales y por el efecto del
aumento de la temperatura, lo que puede disminuir las superficies de contacto,
debido a una modificación en el diámetro interno del tambor con relación al diámetro
externo de la balata y aumentar, consecuentemente los puntos de presiones
localizados. La dilatación del tambor de freno y la disminución del coeficiente de
fricción de las balatas bastan para provocar el fenómeno llamado Fading o fatiga. Por
lo tanto los fabricantes de tambores de freno deben fabricar sus productos para
favorecer la disipación de calor y reducir el aumento de la temperatura.
En la figura 6, se muestra el tambor de freno y sus partes.
Figura 6. Partes del tambor de freno Fuente: (Autor)
Elementos de fricción
Se denomina elementos de fricción al material que entra en contacto con la superficie
de frenado. El material destinado a ser pegado o remachado sobre un soporte
metálico, y que junto con este constituyen la zapata de un freno de tambor. Por otra SUPERFICIE DE FRICCIÓN
parte, se denomina pastilla de freno al conjunto compuesto por el soporte metálico al
que se adhiere el material de fricción.
Los materiales de fricción utilizan las siguientes materias primas las cuales son:
• Fibras.- Son muy comunes porque resisten particularmente altas temperaturas la más utilizada es la fibra de amianto debido a que son fáciles de darle estructura y
resistencia mecánica. Actualmente se suelen utilizar fibras alternativas como las
de kevlar, lana de acero, fibra acrílica, fibra de vidrio y demás materiales
denominados NON ASBESTO.
• Resinas.- es un material aglutinante pueden ser fenólicas puras o modificadas, al igual que las fibras resisten altas temperaturas y dan fricción dimensional al
material.
• Cargas.- son materiales que se usan como cargas con el fin de darle a los materiales compuestos funciones especiales tales como; disipación de calor,
modificadores de coeficiente de fricción, lubricantes y antioxidantes.
Figura 7. Composición de material de Fricción Fuente: (Manual técnico de pastillas de freno, 2011)
Tipos de Material de fricción
Es un proceso bastante estandarizado. Las variables del proceso son las que cada
fabricante define en función del tipo de materiales que emplea, es decir, de la
Tabla 3: Tipos de materiales de fricción y propiedades de revestimiento
Tramados Modelados De bloque rígido Resistencia a la compresión, Kpsi 10-15 10-18 10-15 Resistencia a la compresión, MPa 70-100 70-125 70-100
Resistencia a la tensión, Kpsi 2,5-3 4-5 3-4 Resistencia a la tensión, MPa 17-21 27-35 21-27
Temperatura Máxima, oF 400-500 500 750 Temperatura Máxima, oC 200-260 260 400 Velocidad máxima ft/min 7500 5000 7500
Velocidad máxima m/s 38 25 38
Presión máxima Psi 50-100 100 150
Presión máxima KPa 340-690 690 1000
Coeficiente de Friccion, medio 0,45 0,47 0,40-0,45 Fuente: (Diseño de Elementos de Maquina II. Embragues y freno, 2011)
El coeficiente de fricción entre dos superficies en movimiento, se define como la
resistencia que ofrecen los materiales para deslizarse con la aplicación de una fuerza
normal, cuya dirección es perpendicular al plano de trabajo. La cantidad de fricción
que se produce por el contacto de dos cuerpos cualquiera se refiere como su
coeficiente de fricción, lo cual es la cantidad de fuerza requerida para mover uno de
los cuerpos mientras se mantiene contacto con el otro. (Fricción, 2014)
El coeficiente de fricción tanto de forros como de las pastillas van a variar en función
de la temperatura, la presión y también con la velocidad con la que se trabaje, su
valor puede oscilar entre 0,3 y 0,4, y durante el proceso de frenado puede alcanzar
temperaturas permanentes de 400 oC, y durante cortos periodos 600 oC o más. En cuanto se refiere a la presión de trabajo, los forros pueden estar en el entorno de los
15 bares y las zapatas pueden alcanzar los 30 bares de presión. (Pablo Luque
Rodriguez, 2008)
El fading es uno de los fenómenos más peligrosos que se pueden dar en un sistema
de freno, ya que, el fading es la pérdida de eficacia de frenada en caliente. El material
de fricción presenta distintos valores de coeficiente a diferentes temperaturas, si este
coeficiente de fricción comienza a bajar demasiado rápido y a una temperatura
relativamente baja; se producirá el fenómeno del fading cuando la temperatura del
sistema sea superior a ese límite que presenta el material de fricción, con lo cual el
A continuación se muestra en la figura El test de fading está compuesto por 20
frenadas consecutivas en las cuales se mide tanto la temperatura de inicio de la
frenada, así como la temperatura final que se alcanza. Además del coeficiente de
fricción que mide la capacidad que tiene el material de fricción de frenar el vehículo.
Todas las frenadas se realizan desde 100 km/h hasta 0 km./h, el parámetro que
siempre se debe de cumplir es que la deceleración media obtenida siempre sea de 4
m/s2 Para lo cual las presiones aplicadas en el circuito son las que consiguen la deceleración antes comentada. (Fricción, 2014)
Figura 8. Test de Fading Fuente: (Fricción, 2014)
En la Figura 8 se observa como el material 1 es una pastilla original tiene un
comportamiento bastante bueno con la temperatura, ya que aunque cae su coeficiente
con el aumento de la temperatura siempre se mantiene en valores que podemos
considerar aceptables para un material de fricción. Vemos como cuando la
temperatura ya es de 640ºC se mantiene aún en un valor de µ= 0,46. Si consideramos
que 640ºC es una temperatura muy alta para una conducción normal, es decir, en
circunstancias normales de conducción descendiendo un puerto, nuestros frenos
podrán alcanzar esa temperatura aunque no abusemos de ellos. A partir de este punto
su descenso es más pronunciado pero siempre manteniendo el valor del coeficiente
por encima de µ = 0,35 lo cual permite mantener el control del vehículo. Coeficientes
de fading inferiores a µ = 0,25 puede resultar peligroso, en determinadas
circunstancias. Sin embargo vemos como el material 2 de una pastilla genérica,
presentará problemas de fading ya que en el mismo punto descrito anteriormente su
bajando hasta alcanzar valores de µ= 0,20 que lógicamente notaremos que la pérdida
de eficacia es muy considerable.
En la figura 9, se muestra la zapata y la pastilla de freno con su material de fricción
el cual puede variar según el tipo de aplicación que se le va a dar y el diseño del
fabricante.
Figura 9. Zapatas y pastilla de freno Fuente: (Autor)
Fallas técnicas en la superficie de frenado de discos y tambores de freno
Un buen funcionamiento del sistema de freno es esencial en todos los vehículos, pero
no obstante todos los vehículos estos expuestos a problemas o fallas del sistema de
frenado debido al mal estado de sus componentes ya sean móviles o fijos.
En la siguiente tabla, podemos observar los problemas, causas, consecuencias y
Tabla 4. Fallas técnicas en las superficies de frenado.
FALLA NOMBRE PROBLEMA CAUSA CONSECUENCIA SOLUCION
Sobrecalentamiento, fricción conjunta
La pastilla de freno no se desprende del disco de freno
y roza continuamente.
Esto puede dar lugar a un sobrecalentamiento del sistema de frenos
-Pastilla de freno, agarrotada.
-Pistón de freno, agarrotado en la mordaza.
-Conducción con el pedal de freno pisado.
-Efecto de frenado deficiente debido a la vitrificación de la superficie de la pastilla de freno -Ruidos molestos -En el peor de los casos puede reventar la superficie de
fricción del disco de freno
- Cambio de pastillas y rectificado de superficie de fricción del disco.
- Cambio de Disco de freno
Formación de estrías y ranuras
En las superficies de fricción del disco de freno se han formado estrías y ranuras.
-Cuerpos extraños entre el disco y la pastilla de freno -Corrosión
-Discos de freno demasiado
blandos
-Material de baja calidad de las pastillas de freno -Esfuerzo
excesivo del sistema de freno
-Efecto de frenado limitado/reducido -Ruidos molestos -Cambio de pastillas y rectificado de superficie de fricción del disco.
-Cambio de Disco de freno.
Tabla 4. (Cont.)
Corrosión
En las superficies de fricción de los discos y pastillas de freno se ha formado fuerte corrosión.
-Influencias del tiempo (p. ej. sales de deshielo, humedad)
-Vehículo
estacionado largo tiempo con el freno de mano apretado
-Pistones de freno
agarrotados en la mordaza
-Pistón de freno no retrocede correctamente
-Vibraciones y trepidaciones de los frenos debido a depositaciones en
los discos de freno
-Desarrollo de ruido
Efecto de frenado reducido
-Sobrecalentamien to de los discos y pastillas de freno debido a puntos oxidados -Cambio de pastillas y rectificado de superficie de fricción del disco. -Limpieza del disco, superficie de fricción y remover toda los
puntos de oxidación y cambio de pastillas de ser necesario. Ovalizacion Cuando el diámetro del tambor tiene variaciones en distintos puntos de la superficie de frenado y las balatas muestran mayor desgaste en un lado que en el otro.
-Deformación del tambor se debe al calor excesivo que se genera al aplicar los frenos.
-El desgaste de las zapatas se da en un solo lado o en varios punto, lo que no es un frenado uniforme.
Si el diámetro de la superficie de frenado del tambor se observa
dentro de los límites
Tabla 4. (Cont.)
Cristalización
Se lo reconoce por que la superficie de frenado del tambor tiene un acabado tipo espejo, lo que causa que las dos superficies de fricción se endurezcan.
-Esto produce chirridos que pueden llegar a ser insoportables.
-Menor
adherencia entre las zapatas y el tambor de freno, es decir, ser reduce la eficacia de los frenos.
-Se recomienda cambiar el material de fricción de la zapata y un rectificado del tambor, en caso de ser un daño drástico
remplazar tambor.
Ralladuras
Se caracteriza por la aparición de ralladuras en la superficie de frenado del tambor
-Esto se produce por una elevada temperatura del sistema de frenado o un uso excesivo del freno de parte del conductor
-Produce el desgaste
prematuro de los forros de las zapatas de freno.
-Se recomienda
Como pudimos observar en la tabla 4, la mayoría de fallas son ocasionadas por el
conductor ya sea exceso de velocidad o descuido del vehículo, al no llevar un control
de los mantenimientos correspondientes al sistema de freno. Una gran solución para
la mayoría de las fallas en cuanto a la superficie de frenado tanto del disco y tambor
de freno, es la rectificación de las superficies las cuales en su mayoría de fallas son
afectadas, no obstante el rectificado es muy recomendado como mantenimiento
preventivo-correctivo, alarga la vida útil del disco y tambor, de manera que
funcionen correctamente y las superficies queden perfectamente planas libres de
irregularidades y un agarre perfecto con su elemento de fricción sea zapata o pastilla
de freno.
Rectificadora de discos y tambores de freno
Es una máquina herramienta que se utiliza para realizar trabajos de mecanizado por
arranque de viruta en la parte exterior de las piezas, en un rango de mayor
confiabilidad, precisión dimensional en los discos y tambores de freno, de manera
que se corrijan las imperfecciones en su superficie de frenado.
Tipos de rectificadoras de discos y tambores de freno
En el mercadoexisten dos diferentes tipos de rectificadoras de discos y tambores de
freno, las portátiles (solo discos) y las tipo torno paralelo (disco y tambor).
Portátiles
Es una máquina-herramienta la cual no es necesario el desmontaje del disco de freno,
va incorporado un kit completo con accesorios para todo tipo de autos livianos y
medianos, cuenta con elementos de medición y compensaciones electrónicas. En la
Figura 10. Rectificadora de disco de freno portátil. Fuente: (http://cuenca.doplim.ec)
Tipo torno
Este tipo de rectificadora es un torno que utiliza los mismos principios de
funcionamiento que los tornos paralelos convencionales, pero gracias a su diseño y
características especiales fue creada para realizar exclusivamente trabajos de
mecanizado de discos y tambores de frenos. Es más pequeño que un torno
convencional y cuenta solo con elementos de acople, por lo tanto tiene menos
elemento que un torno convencional, logrado un trabajo más preciso y mucho más
rápido. En la figura 11 se muestra uno de los modelos existentes de una rectificadora
de discos y tambores de freno.
Estructura de la rectificadora de disco y tambor de freno
La estructura de una rectificadora de discos y tambores se compone igual que un
torno paralelo es decir de dos estructuras principales:
• Elementos sujeción • Componentes cinemáticos
Elementos de sujeción
Cabezal.- Es elemento donde se coloca y sujeta el eje. Su giro o movimiento es dado a la caja de velocidad.
Carro móvil.- Este elemento tiene pista de movimiento en los ejes o rieles de avance, en éste se sujeta cualquiera de sus dos tipos de porta cuchillas.
Componentes cinemático Motor
Es un motor eléctrico este produce el movimiento que hace girar la pieza. Su
velocidad de giro es constante.
Motor eléctrico
Motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte en trabajo mecánico la
energía eléctrica que reciben en sus bornes, a través de medios electromagnéticos.
El magnetismo se conoce a la aparición de dos polos: polo norte "N" y polo sur "S",
que son las regiones en donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un
motor para realizar su función, se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que
existen entre sus polos, figura 12. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar
formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos iguales se
Figura 12. Principio de funcionamiento motor eléctrico Fuente: (automatismoindustrial.com)
Existe una gran variedad en cuanto a motores eléctricos, los más destacados los
encontramos gracias al tipo de corriente utilizada para su alimentación y se los
denomina de corriente continua (CC) y corriente alterna (AC).
Motores de corriente continua (CC)
Son los motores más sencillos dentro del campo de los motores eléctricos, pero
comparten el mismo principio de funcionamiento que los motores de corriente
alterna, figura 13. Anteriormente eran los más utilizados por su sencillez y su variada
gama de potencias, además eran mejor controlables.
Figura 13. Motor CC Fuente: (asifunciona.com)
A su favor juegan la sencillez de construcción y manejo. Lo desfavorable es que para
funcionar en corriente continua necesitaría incorporar un transformador que nos
convirtiera la corriente alterna en continua.
Motores de corriente alterna (AC)
Los motores asíncronos, figura 14, se rigen bajo la acción de dos campos
magnéticos. El campo magnético generado en el estator genera a su vez otro campo
el campo magnético giratorio del estator. Dentro de este tipo de motores existen los
de jaula de ardilla, que son motores asíncronos pero que cambian el bobinado del
rotor por unas placas conductoras dispuestas alrededor y todo el largo del rotor, con
esto se consiguen pares de rotación de mayor constancia que en el motor asíncrono
normal.(Villareal Ruben,2016)
Figura 14. Motor AC
Fuente: (maquinaselectricasunam.jimdo.com)
Caja de velocidades.- Es el conjunto de ruedas dentadas o poleas que determinan el sentido de giro y velocidad del cabezal, es decir, la velocidad que va a tener el eje
donde está sujeta la pieza a maquinar. Estas multiplican o desmultiplican la
velocidad del motor.
Polea y banda
Las bandas o correas son cintas cerradas de materiales resistentes a tensiones y
esfuerzos, utilizadas para lograr transmitir un movimiento de rotación entre ejes
generalmente paralelos como se muestra en la figura 15. Su funcionamiento no es
ruidoso y no necesita lubricación, aunque con revoluciones altas de giro puede haber
salto entre polea y correa, es decir, se desconectarían y no habría se lograría
transmitir la fuerza o movimiento rotativo.
Caja de avance.- Es el conjunto de engranajes que determinan la velocidad de los ejes de avance donde se asientan los carros móviles, estos engranajes se conectan a
una rueda dentada fija del cabezal, es decir, su velocidad depende de la velocidad a la
que gire el cabezal.
Engranes sin fin y corona
El engranaje de este tipo se utiliza en la transmisión de movimiento entre dos árboles
que se cruzan sin cortarse, normalmente forman un ángulo de 900 como se muestras en la figura 16. El sin fin y la corona de un juego tienen el mismo sentido de la hélice
como los engranes helicoidales cruzados, pero los ángulos de las hélices suelen ser
muy diferentes. Debido a esto es necesario especificar el ángulo de avance ƛ en el sin
fin y el ángulo de la hélice ψ en la rueda. (Budynas, 2012)
Este tipo de sistema de engranaje permite obtener una gran reducción de velocidad,
dándonos un bajo rozamiento y una marcha silenciosa. Sin embargo, como en todos
los engranajes helicoidales, presenta un empuje axial elevado, por lo que exige la
utilización de cojinetes adecuados para poder soportar dichos esfuerzos.
Figura 16. Engrane tornillo sin fin Fuente: (forum.lawebdefisica.com)
Entones debido al contacto que hay entre la hélice del tornillo y los dientes de la
rueda, al girar el tornillo sin tener un desplazamiento axial, transmite el movimiento
de giro a la rueda; de tal manera que, en una rotación completa del tornillo sin fin, la
rueda gira un arco similar al paso de la rosca del tornillo sin fin. La transmisión en
este tipo de sistema de engranes siempre se realiza del tornillo sin fin (rueda
conductora) a la rueda helicoidal (rueda conducida) y no al revés; es decir, el sistema
Ejes de avance.- Son los que transmiten el movimiento de la caja de avance o de los motores de velocidad variable a los carros móviles. Posee 2 ejes conocidos como X y
Z.
Los elementos y componentes antes mencionado son partes de casi todas las
rectificadoras de discos y tambores, según el fabricante de las maquinas van sus
componentes y elementos unos obvian algunas partes pero en si su función de
rectificado va ser garantizado en función al fabricante.
Modelos de Rectificadora de disco y tambores de freno
En esta parte del proyecto se analizan algunos modelos de rectificadora y sus
especificaciones y características, que nos ayudaran para la toma de selección de la
maquina rectificadora de disco y tambores. A continuación en la figura 17 se muestra
la maquina rectificadoras de discos y tambores modelo C9335
Figura 17. Rectificadora de discos y tambores (C 9335) Fuente: (sbmperu.com)
Tabla 5. Características técnicas de la rectificadora C 9335
Especificación Unidad C9335
Rango de procesar el diámetro Tambor de freno Milímetro 180-330 Placa del freno Milímetro 180-330 Velocidad giratoria del objeto r/min 90 Recorrido máximo de la herramienta Milímetro 100
Dimensión total (LxWxH) milímetros 695x565x635 Dimensión del embalaje (LxWxH) Milímetro 750x710x730
N.W/G.W Kilogramo 200/260
A continuación en la figura 18 se muestra la maquina rectificadoras de discos y
tambores modelo C9370
Figura 18. Rectificadora de discos y tambores (C 9370) Fuente: (jrgallegos.com)
Tabla 6. Características técnicas de la rectificadora C 9370
Especificación Unidad C9370
Rango de procesar el diámetro Tambor de freno
Milímetro 152-711
Placa del freno Milímetro 152-711 Velocidad giratoria del objeto r/min 70, 80, 118 Dimensión total (LxWxH) milímetros 1200x920x1140 Dimensión del embalaje (LxWxH) Milímetro 1100x1070x1140
N.W/G.W Kilogramo 300/400
Potencia del motor kilovatio 0.75
Materiales de Construcción
La selección de un material para construir un elemento estructural es una de las
decisiones más importantes al momento de diseñar. (García, 2015)
Para la construcción de las carcasa, se podrían usar hierro fundido es muy común y
debido a su costo bajo y cuenta con buena maquinabilidad y buena resistencia al
desgaste lo que soportarían perfectamente las solicitaciones requeridas por un banco
de rectificado. Una de las ventajas que tiene el implementar hierro fundido su alta
tensión de rotura tiene mucha resiliencia, es decir, capacidad de absorber
deformaciones en el período elástico.
Hierro Fundido (Fundición Gris)
Es un elemento muy común en la construcción de elementos estructurales los cuales
mecanizado. Lo más habitual es fabricar estos elementos por fundición Gris ya que
es común encontrar diseños muy sobredimensionados en relación a los esfuerzos que
van a soportar. En el hierro fundido es muy fácil darle maleabilidad y en nuestra
construcción de nuestra carcasa para el banco rectificador se presentan diferentes
detalles como agujeros, alojamientos, huecos, etcétera que permiten el montaje de
otros elementos de la máquina o conducciones eléctricas. En la figura19 se muestra
la colada de hierro fundido que es puesta en un molde.
Figura 19. Hierro fundido en un molde Fuente: (cerrajerosmadrid.com)
Acero
El acero es sin duda el material de ingeniería más utilizado por la humanidad. El
nombre de acero engloba una gran gama de materiales que en muchos casos tienen
aplicaciones específicas y en general tienen en el tratamiento térmico una etapa
imprescindible para su utilización. (Ramirez, 2015)
Según su contenido cada elemento aleante otorga propiedades específicas al acero.
Cuando varios elementos están presentes, el efecto puede ser mayor. Hay sin
embargo, composiciones de aleación para las cuales los elementos individuales no
ejercen su influencia con respecto a una cierta propiedad en la misma dirección, sino
se contrarrestan el uno al otro. (Ramirez, 2015)
Para la construcción de los ejes y los engranes se usara un acero AISI 4340 que tiene
diferentes usos Piezas y herramientas sometidas a las más grandes exigencias y a los
más altos esfuerzos estáticos y dinámicos. Cigüeñales, cardanes, piñones, pernos y
tornillos de alta resistencia, engranajes para máquinas, discos de freno, barras de
A continuación en las tablas se detalla sus propiedades del acero mencionado.
Tabla 7. Composición química de acero 4340
Composición química (%)
C Mn Si P S Cr Ni Mo
0,38-0,43 0,60-0,80 0,15-0,35 0,035
Max 0,04 Max 0,70-0,90 1,65-2,00 0,20-0,30 Fuente: (Aceros aleados, 2015)
Tabla 8 Propiedades Mecánicas de acero 4340
Propiedades Mecánicas Resistencia a la
tracción
Límite de fluencia Dureza (HB) Elongación
95-105 kgf/mm2
60-74 kgf/mm2
280-340 10-18%
Fuente: (Aceros aleados, 2015)
Tabla 9 Tratamiento Térmico de acero 4340
Tratamiento Térmico (oC)
Forjado Normalizado Revenido Recocido Templado 850-1100 870-900 530-670 750-850 840-880 Fuente: (Aceros aleados, 2015)
Continuación en la figura 20 se muestran los tipos de perfiles que se muestran los
aceros.
Figura 20. Perfiles de Acero Fuente: (construmatica.com)
Este acero puede presentarse como planchas, perfiles estructurales, tubos, barras,
Herramientas de diseño Mecánico Diseño virtual
Software de diseño asistido por computadora (CAD)
El software CAD puede ser usado de dos maneras particulares, por medio de
lenguajes de programación, paquetes aplicativos. El desarrollo por medio de
lenguajes de programación abiertos con lleva un amplio dominio, conocimiento de
las tecnologías de exhibición, manejo del análisis matemático, geométrico y
vectorial. Por otra parte el uso de paquetes aplicativos debido a su amplio desarrollo
acelerado, su especialización en los diferentes campos de aplicación, su diseño de
arquitectura abierta y su facilidad de uso han permitido su rápida aceptación y rápido
aprendizaje de manejo del software. (Oswaldo Rojas Lazo, 2006)
El CAD es un método de análisis, una manera de crear un modelo del
comportamiento de un producto aun antes de que se haya construido. Los dibujos en
papel pueden no ser necesarios en la fase del diseño, por eso en la figura 21 se
muestra la utilización de un software de diseño por computador y sus usos.
Figura 21. Usos del dibujo asistido por computador Fuente: (Oswaldo Rojas Lazo, 2006)
Solidworks
Es un software utilizado para un diseño mecánico en 3D, su primer lanzamiento al
mercado como una herramienta útil de diseño fue en 1995 con el fin de ayudar a los
diseñadores de elementos con una tecnología más accesible. El proceso consiste en
traspasar la idea mental del diseñador virtualmente al sistema CAD. Además es una
gran ayuda para el diseño tridimensional que integra un gran número de funciones
planos y otras funcionalidades que le permiten validar los proyectos de forma rápida,
precisa y de manera muy confiable. Cabe decir que en la actualidad este software de
diseño mecánico es muy utilizado por sus herramientas de diseño muy avanzadas y
simulaciones antes de la creación del elemento a construir.
Con el programa es posible modelar piezas, conjuntos y extraer tanto planos técnicos
como otro tipo de información necesaria para la producción. La interface principal
del software se muestra en la figura 22.
Figura 22. Interface de Solidworks Fuente: (myallsharing.blogspot.com)
Inventor
Es un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D producido por la empresa
de software Autodesk, figura 23. Entró en el mercado en 1999, muchos años después
del primer software de modelado virtual y se agregó a las series de diseño mecánico
de Autodesk. Permite que las computadoras personales ordinarias puedan construir y
probar montajes de modelos extensos y complejos. (Villareal Rubén, 2016)
MSC Software
Es un software computacional que realiza análisis sobre mecanismos, figura 24. Está
formado de varios módulos que permiten hacer simulaciones del funcionamiento por
medio de animaciones, realizar análisis de vibraciones, realizar análisis de esfuerzos,
entre otras características. (Villareal Rubén, 2016)
Figura 24. Interface software CAD MSC Software Fuente: (Media.mscsoftware.com, 2017)
Diseño por Cálculos
El diseño mecánico es una tarea compleja que requiere muchas habilidades. Es
necesario sub-dividir grandes relaciones en una serie de tareas simples. Primero se
aborda la naturaleza del diseño en general, luego el diseño en la ingeniería mecánica
en particular. (Budynas, 2012)
En la siguiente figura 25 se detalla los factores que entran en un diseño mecánico por
cálculos.
III METODOLOGÍA PARA LA PRAXIS PROFESIONAL UTILIZADA Metodología
El desarrollo del proyecto se sustentara en la aplicación de métodos científicos de
investigación, específicamente deducción, análisis y descriptivo en los que nos
basaremos en el desarrollo de este proyecto.
Método deductivo
Es un método científico de razonamiento que consiste en tomar conclusiones
generales para explicaciones particulares. El método se inicia con el análisis de los
postulados, teoremas, leyes, principios, etcétera, de aplicación universal y de
comprobada validez, para aplicarlos a soluciones o hechos particulares.
De este modo se puede decir que la deducción permite, mediante el razonamiento
lógico, tomar una decisión sobre el grado de certeza que posee una hipótesis o
formular un juicio a partir de otros juicios.
De esta manera se hizo el estudio de los diferentes componentes que se encuentran
conformando el sistema de freno tanto de disco como de tambores, aunque tienen el
mismo principio de funcionamiento, constan con algunos elementos diferentes en la
aplicación del freno en el vehículo. Aplicando el método deductivo y analizando los
postulados de los diferentes autores expuestos en la bibliografía se deduce que la
superficie de fricción y el material de fricción influyen en el tipo de calidad o
estabilidad de frenado aplicado por el conductor, teniendo un coeficiente de fricción
mínimo o máximo dependiendo de los materiales expuestos a fricción en cada
frenada.
Método análisis
Este método consiste en la separación de las partes de un todo para estudiarlas en
forma individual y las relaciones que las une. Se hará un análisis de lo más
compuesto a lo más simple.
Este método se aplicó en separación de la estructura de la maquina rectificadora de
elementos de sujeción y componentes cinemáticos, debido a que todas la maquinas
rectificadoras de discos y tambores constan con estas dos estructuras pero cabe decir
que algunas máquinas tienen más elementos que otras, por lo que se hizo una
selección de maquina en el apartado de contenido técnico, de manera que se tenga
una visión clara de la máquina y los componentes a diseñar en el presente proyecto
técnico.
Método descriptivo
Es un método científico que consiste en evaluar algunas características de una
situación particular en uno o más puntos del tiempo. En esta investigación se
analizan los datos reunidos para descubrir así, cuales variables están relacionadas
entre sí.
Este método nos da un enfoque, el que permitirá recolectar información por medio de
los cálculos realizados en el contenido técnico del presente proyecto, lo que será una
guía para saber la vialidad y las variables presentes en el proyecto, puesto que
construirá una visión próxima a la realidad. Además de describir los procesos
operativos del diseño mediante el uso del software Solidworks, lo que nos permite
observar un contexto del diseño en simulación real con las cargas a las que está
expuesta en su funcionamiento. Sabiendo que todas las pruebas ejecutadas en el
diseño de los componentes son los indicadores que permitirán medir el grado de
confiabilidad de los materiales seleccionados para una futura construcción.
Contenido técnico
Dentro del diseño de los componentes de una rectificadora de discos y tambores que
ayuda al mantenimiento del sistema de frenado.En los automóviles donde mediante
el método deductivo se partirá con necesidades de fabricación y los sustentos para
dar pautas para su construcción y ensamble de componentes del mismo, hemos
llegado a plantear nos los siguientes pasos a seguir según lo estudiado en el marco
referencial.
1. Selección de Banco rectificador.
3. Diseño de componentes.
4. Selección de Motor Eléctrico.
5. Calculo del diámetro del eje.
6. Selección de rodamiento.
7. Selección de banda
Selección de maquina rectificadora de discos y tambores
A continuación en la figura 26 se muestra las maquinas rectificadoras elegidas para
realizar nuestro proyecto, se dispondrá de 2 rectificadoras de disco y tambores de
freno, se analizaran las 2 opciones de rectificadora bajo matriz de criterios de
selección, considerando los parámetros indicados, se tomara en cuenta la máquina de
rectificado que se muestre más óptima para realizar el proyecto técnico.
Figura 26. Rectificadoras de disco y tambores de freno Iz (C9335) y Dr (C9370) Fuente: (sbmperu.com)
La matriz de criterios de selección identifica y evalúa las alternativas para lograr un
objetivo, lo principal es definir los criterios de selección y comparar las alternativas
del proyecto a desarrollarse.
En la matriz de criterios de selección se pueden valorar tanto cuantitativo como
cualitativo en este caso el proyecto opto por dar valores cuantitativos, a continuación
se detallan los valores asignados y su respectiva ponderación.
Valores de asignación 0 - 1:
𝑃𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝐹𝑖𝑜𝑛 = % ×𝐶𝑎𝑙𝑖𝑓𝑖𝐹𝑎𝐹𝑖𝑜𝑛= ?
𝑃𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝐹𝑖𝑜𝑛= 15% 𝑋 1,00 = 0,15
Tabla 10. Selección de rectificadora de discos y tambores
Criterios de selección Alternativas
% C 9335 C 9370
Calf. Pond. Calf. Pond. Seguridad operacional 15% 1.00 0.15 0.50 0.08 Importancia productiva 20% 1.00 0.20 0.50 0.10 Régimen de operación 10% 1.00 0.10 1.00 0.10
Adaptabilidad 15% 0.50 0.08 0.75 0.11
Mantenibilidad 10% 0.50 0.05 0.50 0.05
Costo 30% 1.00 0.30 0.75 0.23
Total 100% 0.88 0.67
Dentro de los tipos de banco rectificador de disco y tambores analizados, el que más
se adecua en base a criterios de selección es el modelo C 9335 por ofrecer ventajas
de importancia productiva al tener dos ejes de rectificado uno para disco y otro para
tambor. En cuanto al modelo C 9370 en la adaptabilidad resulta ser mejor que el
modelo antes mencionado, por no necesitar de complementos adicionales mecánicos
como una estructura de trabajo.
Selección de software de diseño
Como se estudió en el marco teórico hay diferentes software de diseño a los cuales
debemos estudiarlos de forma detalla y seleccionar el que más se acopla a el
proyecto a realizar.
Para un mejor diseño de la rectificadora de discos y tambores, se tomara criterios de
selección de software. Lo que se busca es permitir un diseño confiable y
personalizado de los componentes de la rectificadora. Tomando como referencia lo
estudiado en el marco teórico, se analizaran las 3 opciones de software de diseño
bajo matriz de criterios de selección, considerando los parámetros indicados en la
tabla 13.
Valores de asignación 0 - 1:
• 0,75= “Muy bueno, costo accesible, factible” • 1= “Muy bueno, factible, costo bajo, cumple”
𝑃𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝐹𝑖𝑜𝑛 = % ×𝐶𝑎𝑙𝑖𝑓𝑖𝐹𝑎𝐹𝑖𝑜𝑛= ?
𝑃𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝐹𝑖𝑜𝑛= 15% 𝑋 1,00 = 0,15
Tabla 11. Selección de software de diseño
Criterios de selección Alternativas
% Solidworks Inventor MSC software Calif. Pond. Calif. Pond. Calif. Pond. Resultados reales 20% 1,00 0,20 1,00 0.20 0,50 0,10 Facilidad de manejo 15% 1,00 0,15 0,00 0,00 0,00 0,00 Análisis de esfuerzos 20% 1,00 0,20 1,00 0,20 0,50 0,10 Confiabilidad de valores 25% 1,00 0,25 1,00 0,25 0,00 0,00 Portabilidad 15% 0,50 0,08 0,50 0,08 1,00 0,15
Costo 5% 1,00 0,05 1,00 0,05 1,00 0,05
Total 100% 0,93 0,78 0,40
Los tipos de software de diseño analizados, en esta matriz de criterios de selección
son comunes en el mercado ecuatoriano, debido a esto fueron seleccionados y
evaluados en cuanto a la necesidad del proyecto, lo cual se obtuvo un valor
cuantitativo en la ponderación para seleccionar el software de diseño. El programa
MSC software obtuvo el valor cuantitativo más bajo de los software analizados, por
otra parte Inventor es un muy buen software, con diseños de alta calidad pero para el
proyecto se necesita tener un conocimiento básico y los elementos a manejar con el
software, Solidworks es el que obtuvo el mayor valor cuantitativo en todos los
criterios de selección aplicados, ya que es un software con el cual se tiene
conocimiento básico y se ha podido interactuar a lo largo de la carrera universitaria.
Diseño de Componentes
Una vez ya seleccionado la máquina y el software de diseño se recurre a la
utilización del software Solidworks, en el que se tuvo que seguir el siguiente
proceso:
• Definir los componentes a diseñar en el Software.
• Realización de los elementos en 3D, teniendo en cuenta parámetros,
características de la rectificadora de discos y tambores C 9335.
• Simulación de cargas al elemento diseñado. • Factor de desplazamiento del diseño. • Factor de seguridad del diseño.
Aplicando el método deductivo, el cual nos permitirá elegir los componentes de la
maquina rectificadora que se diseñaran en el software de diseño, ya una vez conocido
todos los elementos del banco rectificador. Se elaborarán planos de la carcasa
superior para posteriormente modelarlos en un programa de simulación CAD,
teniendo en cuenta las prestaciones que se encuentran en el mercado ecuatoriano.
Diseño de carcasa superior
Se analizó las condiciones de diseño referente al alojamiento de rodamientos, su baja
elasticidad y alta dureza para evitar desgaste en el lugar del alojamiento. Se realizó
un análisis de los planos de la carcasa superior mediante el método de elementos
finitos que es aplicado para la solución de problemas donde se destacan: análisis de
estructura, problemas de transferencia de calor, flujo de fluidos, transporte de masa
así como el cálculo de potencial electromagnético, en este caso solo analizaremos la
estructura de la carcasa superior.El material que se usó para el análisis de la carcasa
superior es Fundición Gris del repertorio de materiales de Solidworks.
Tabla 12 Propiedades del material de la carcasa superior
No Nombre de solido Material Masa Volumen 1 Cortar-Extruir Fundición Gris 22.7304 kg 0.003157 m^3
Nombre de material: Fundicion Gris Origen del material Archivos Pc Nombre de biblioteca de
materiales: Carcasa superior de rectificador.SLDPRT Tipo de modelo del material: Isotropico elastico lineal
Nombre de propiedad Valor nidades Tipo de valor Modulo elastico 6.61781e+010 N/m^2 Constante
Coeficiente de Poisson 0.27 NA Constante
Modulo Cortante 5e+010 N/m^2 Constante
Densidad 7200 kg/m^3 Constante
Se somete a los esfuerzos propios del diseño y se le aplican las cargas en los puntos
de alojamiento de los rodamientos y se le aplica la temperatura de funcionamiento
para tener datos reales y que sean confiables al momento de ser presentados.
Figura 27 Tensiones Von Mises Carcasa superior Fuente: Autor
Como se observa en la figura 27 la carcasa superior no sufre tensiones elevadas, se
observa una ligera tensión en el eje de rectificación.