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Diseño de los componentes de una rectificadora de discos y tambores

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(1)

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

(2)

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

(3)

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.

(4)

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.

(5)

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.

(6)

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.

(7)

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

(8)

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,

(9)

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

(10)

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

(11)

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

(12)

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

(13)

XIII

Selección de rodamiento y banda ... 65

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 66

Conclusiones: ... 66

Recomendación ... 68

REFERENCIA BIBLIOGRAFÍCA ... 69

(14)

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

(15)

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

(16)

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

(17)

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

(18)

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

(19)

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

(20)

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

(21)

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

(22)

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

(23)

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

(24)

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

(25)

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

(26)

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

(27)

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

(28)

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

(29)

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

(30)

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.

(31)

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

(32)

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

(33)

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

(34)

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.

(35)

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

(36)

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

(37)

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.

(38)

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

(39)

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

(40)

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

(41)

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

(42)

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,

(43)

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

(44)

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)

(45)

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.

(46)

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

(47)

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.

(48)

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:

(49)

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:

(50)

• 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.

(51)

• 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

(52)

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.

Referencias

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