UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA
DE ARRASTRE PARA VEHÍCULOS LIVIANOS MEDIANTE EL
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
DANNY FABRICIO COLCHA PROAÑO
DIRECTOR: ING. MARIO CARVAJAL, M.Sc.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1724613169
APELLIDO Y NOMBRES: COLCHA PROAÑO DANNY FABRICIO
DIRECCIÓN: Av. MALDONADO Y CALVAS
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2617-770
TELÉFONO MOVIL: 0987306197
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ARRASTRE PARA VEHÍCULOS LIVIANOS MEDIANTE EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
AUTOR O AUTORES: Danny Fabricio Colcha Proaño
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 2016/05/13
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Mario Carvajal, M.Sc
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras En el presente trabajo se desarrolló el proceso de diseño para la fabricación de una barra de tiro para remolque. Este diseño se lo hizo de manera analítica y mediante el método de los elementos finitos con el software ANSYS. Se hizo la descripción de los materiales utilizados en ingeniería, haciendo hincapié en el acero. Igualmente se realizó la descripción de los procesos de fabricación utilizados para la construcción de elementos mecánicos en acero.
camioneta Chevrolet DMAX 3.0 a plena carga y arrastrando un remolque del tipo indicado en la Ley de Tránsito del Ecuador para el tipo de vehículo a utilizar. Las fuerzas obtenidas permitieron obtener las condiciones de esfuerzos a los que se sometieron los componentes de la barra de tiro y así seleccionar los materiales adecuados para su construcción. Se hizo uso de la norma de soldadura AWS D1.1 2010 para utilizar un proceso de soldadura (WPS) precalificado para tener una especificación de la soldadura a aplicar.
En el análisis por el método de los elementos finitos, se procedió a aplicar en un modelo CAD en 3 dimensiones, las fuerzas que se aplicaron en la utilización de la barra de tiro, con todas las fijaciones correspondientes. Con la simulación obtenida se conoció el comportamiento de la barra de tiro y se hizo la comparación cualitativa con los resultados obtenidos analíticamente.
Finalmente se procedió a la construcción de la barra de tiro según las especificaciones obtenidas y con los materiales y procesos descritos previamente.
PALABRAS CLAVES: Diseño, simulación, construcción elementos finitos
The design of the drawbar is made analyzing the forces required in order to defeat the forces of movement resistance that is generated in the model of small truck Chevrolet DMAX 3.0 at full load and Dragging a trailer Indicated type in the Transit Law of Ecuador for the type of vehicle to use one. The obtained forces allowed to Get the Conditions of efforts together components of the drawbar and thus underwent Select the adequated Materials suitable for its construction.it is made of using AWS D1.1 welding standard 2010 in order to use the welding process (WPS) prequalified to have a specification of welding apply.
In the analysis by Finite Element Method, I proceeded to apply in a CAD model in 3 dimensions, the forces that I applied in the use of the Drawbar, with all the corresponding Bindings. With the obtained simulation is known the Behavior of the drawbar and it was made the Qualitative comparison with the analytically obtained results.
Finally we proceeded to the construction of the drawbar according to the specifications obtained with the materials and processes described above.
KEYWORDS Design, simulation , construction, finite element
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, COLCHA PROAÑO DANNY FABRICIO, CI 1724613169 autor/a del proyecto titulado:
DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ARRASTRE PARA VEHÍCULOS LIVIANOS MEDIANTE EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRÍZ 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.
Quito, 18 mayo del 2016
DECLARACIÓN
Yo, DANNY FABRICIO COLCHA PROAÑO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño, simulación y
construcción de un sistema de arrastre para vehículos livianos mediante el método de elementos finitos”, que, para aspirar al título de
Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Danny Colcha, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28.
___________________ Ing. Mario Carvajal, M.Sc.
AGRADECIMIENTO
Primeramente agradezco a Dios por darme la fortaleza, sabiduría, dedicación y paciencia necesaria para poder llegar a cumplir este tan anhelado sueño.
Agradezco a mis padres quienes con su esfuerzo, amor y ejemplo del día a día hoy están cosechando el fruto de su trabajo y dedicación desde la niñez, que pese a la distancia supieron guiarme durante este largo camino, a ellos que sin mirar atrás me levantaron una y varias veces en mis caídas.
A mis dos hermanas, a mi novia que con sus palabras de amor, aliento me motivaron y empujaron a no desmayar nunca en este pasaje de mi vida.
Al Ingeniero Mario Carvajal, que sin dar pausa a este sueño aportó con su tiempo, conocimientos y dedicación para poder llegar a culminar este proyecto.
DEDICATORIA
El presente proyecto de titulación dedico con mucho amor a mis padres Ángel y Flora, a mis hermanas Gaby y Aguedita que me apoyaron incondicionalmente durante toda mi trayectoria.
Danny Fabricio
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xi
ABSTRACT ... xii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1 PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES ... 3
2.1.1 PROPIEDADES FÍSICAS ... 3
2.1.2 PROPIEDADES QUÍMICAS ... 4
2.1.3 PROPIEDADES MECÁNICAS ... 5
2.1.4 CONFORMADO DE METALES ... 7
2.2 LA METROLOGÍA EN EL MECANIZADO ... 10
2.2.1 METROLOGÍA ... 10
2.2.2 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ... 11
2.2.1.1. Metro ... 11
2.2.1.2. Regla graduada ... 11
2.3 ACABADOS SUPERFICIALES ... 12
2.3.1. RECUBRIMIENTOS ... 12
2.4 OPERACIONES DE MECANIZADO ... 14
2.4.1 TALADRADO ... 14
2.4.2 CORTADO ... 14
2.4.2.1 Troquelado ... 15
2.4.2.2 Cizallado ... 15
2.4.3 DOBLADO ... 15
2.5 UNIONES DESMONTABLES ... 17
2.5.1 UNIONES ATORNILLADAS ... 17
ii
2.6 SOLDADURA EN EL MECANIZADO ... 19
2.6.1 PROCESOS DE SOLDADURA ... 19
2.6.1.1 Soldadura heterogénea ... 20
2.6.1.2 Soldadura blanda ... 20
2.6.1.3 Soldadura fuerte ... 20
2.6.1.4 Soldadura homogénea ... 20
2.6.1.5 Soldadura eléctrica con electrodo revestido (SMAW) ... 20
2.6.1.6 Soldadura por arco en protección gaseosa ... 22
2.7 DISEÑO DE ELEMENTOS MECÁNICOS ... 25
2.7.1 RESISTENCIA ... 25
2.7.1.1 Materiales ... 25
2.7.2 EQUILIBRIO ... 26
2.7.2.1 Diagramas de cuerpo libre ... 27
2.7.3 CARGAS EN VIGAS ... 27
2.7.3.1 Esfuerzo cortante y momento ... 28
2.7.4 ESFUERZO EN FLEXIÓN ... 28
2.7.5 TORSIÓN ... 29
2.7.6 CÍRCULO DE MOHR ... 30
2.7.7 DISEÑO ESTÁTICO ... 31
2.7.7.1 Teorías de fallas para el diseño estático ... 31
2.7.7.2 Teorías de los materiales dúctiles ... 31
2.7.7.3 Factor de diseño ... 32
2.7.7.4 Factor de temperatura... 32
2.7.7.5 Factor de concentración de esfuerzos ... 33
2.7.7.6 Factor de seguridad ... 33
2.7.8 SELECCIÓN DE PERNOS ... 34
2.8 SOFTWARE DE SIMULACIÓN Y ANÁLISIS CON EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS ... 35
2.8.1 EL MÉTODO GENERAL ... 35
2.8.1.1 Definición del Método ... 35
2.8.2 SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN ... 35
iii
2.8.2.2 Sistemas discretos y continuos ... 37
2.8.2.3 Método de elementos finitos para un análisis de sistemas continuos ... 39
2.8.3 IMPORTANCIA DEL SOFTWARE ESPECIALIZADO DE DISEÑO 40 3. METODOLOGÍA ... 42
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 47
4.1 PROCESO DE DISEÑO ... 47
4.1.1 RESISTENCIAS QUE SE OPONEN AL AVANCE DE UN VEHÍCULO ... 48
4.1.1.1 Resistencia por rodadura en rueda motriz ... 48
4.1.1.2 Resistencia por pendiente: ... 51
4.1.1.2.1 Resistencia por inercia ... 52
4.1.1.3 Resistencia por el aire... 53
4.1.2 REMOLQUE Y SISTEMA DE ARRASTRE ... 61
4.1.2.1 Resistencia por rodadura ... 63
4.1.2.2 Resistencia por pendiente ... 64
4.1.2.3 Resistencia por inercia: ... 65
4.1.2.4 Resistencia por el aire:... 66
4.1.3 ANÁLISIS DE ESFUERZOS ... 67
4.1.4 SOLDADURA ... 83
4.2 PROCESO DE SIMULACIÓN ... 90
4.3 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE ... 99
4.3.1 CORTE ... 100
4.3.2 TRAZADO ... 100
4.3.3 PERFORADO ... 101
4.3.4 ENSAMBLE Y SOLDADURA ... 102
4.3.5 MONTAJE ... 104
iv
5.1 CONCLUSIONES ... 109
5.2 RECOMENDACIONES ... 110
BIBLIOGRAFÍA ... 111
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Elasticidad de un material ... 5
Figura 2. Estricción de un material ... 6
Figura 3. Forja ... 7
Figura 4. Trefilado ... 8
Figura 5. Extrusión ... 8
Figura 6. Laminación ... 9
Figura 7. Proceso de flexión... 16
Figura 8. Proceso de prensado ... 16
Figura 9. Proceso de soldadura eléctrica con electrodo revestido ... 21
Figura 10. Equipo de soldadura al arco con electrodo revestido... 22
Figura 11. Proceso de soldadura al arco en protección gaseosa... 23
Figura 12. Esquema de un equipo MIG/MAG ... 24
Figura 13. Curvas esfuerzo – deformación para un material dúctil ... 25
Figura 14. Curvas esfuerzo – deformación de un material frágil ... 26
Figura 15. Tipos de vigas y de cargas sobre vigas ... 27
Figura 16. Fuerzas cortantes y momentos de flexión en vigas ... 28
Figura 17. Segmento de la viga recta a flexión pura ... 29
Figura 18. Par de torsión en una barra ... 29
Figura 19. Diagrama del círculo de Mohr ... 30
Figura 20. Comparación de las tres teorías de falla ... 31
Figura 21. Estructura porticada ... 37
Figura 22. Discretización de un elemento tridimensional ... 38
Figura 23. Proceso de diseño ... 43
Figura 24. Proceso de simulación ... 45
Figura 25. Proceso de fabricación y montaje ... 46
Figura 26. Plano de la barra de tiro diseñado en solidworks ... 47
Figura 27. Diagrama de cuerpo libre de resistencias al avance por rodadura en rueda motriz trasera ... 49
vi
Figura 29. Diagrama de resistencia por pendiente ... 51
Figura 30. Diagrama de cuerpo libre de remolque ... 61
Figura 31. Fuerzas en rueda de remolque ... 64
Figura 32. Fuerzas que actúan en el extremo de la barra de tiro por efecto de la resistencia al avance del remolque y su carga. ... 67
Figura 33. Diagrama de corte y momentos para cuerpo soporte de barra de tiro ... 68
Figura 34. Sección trasversal de cuerpo de barra de tiro ... 70
Figura 35. Diagrama de corte y momentos placa lateral de barra de tiro. ... 72
Figura 36. Sección transversal de placa lateral barra de tiro ... 73
Figura 37. Diagrama de cuerpo libre pasador ... 76
Figura 38. Diagrama de fuerza cortante y momentos en pasador ... 76
Figura 39. Diagrama de cuerpo libre en tubo de anclaje ... 78
Figura 40. Diagrama de cuerpo libre de accesorio placa de sujeción bola de arrastre ... 80
Figura 41. Dimensiones de soldadura entre cuerpo principal y placa lateral ... 83
Figura 42. Clasificación de metal base ... 85
Figura 43. Precalentamiento de juntas ... 86
Figura 44. Rango de los ángulos ... 87
Figura 45. Ángulos de soldadura ... 87
Figura 46. Preparación de juntas tubulares ... 88
Figura 47. Parámetros eléctricos de soldadura ... 89
Figura 48. Modelo de la barra de tiro 3D ... 90
Figura 49. Perforaciones ubicadas en las placas laterales ... 91
Figura 50. Mallado de modelo... 92
Figura 51. Esfuerzos generados en la barra de tiro ... 93
Figura 52. Esfuerzos generados ... 93
Figura 53. Desplazamiento en dirección del eje Y ... 94
Figura 54. Desplazamiento en dirección del eje Z ... 94
vii Figura 56. Factor de seguridad en el conjunto de elementos de la barra
de tiro ... 95
Figura 57. Factor de seguridad placas de refuerzo ... 96
Figura 58. Factor de seguridad cuerpo barra de tiro ... 96
Figura 59. Factor de seguridad placas laterales ... 97
Figura 60. Factor de seguridad pasador ... 98
Figura 61. Factor de seguridad tubo de anclaje ... 98
Figura 62. Interiores de los Talleres de la Empresa Electro Ecuatoriana .... 99
Figura 63. Corte del tubo cuadrado ... 100
Figura 64. Trazado de las placas ... 101
Figura 65. Perforado para inserción del pasador ... 101
Figura 66. Unión de piezas ... 102
Figura 67. Remate de soldadura ... 102
Figura 68. Soldadura de las placas que van empernadas al chasis ... 103
Figura 69. Conjunto barra de tiro terminado ... 103
Figura 70. Ajuste de la bola de remolque al conjunto ... 104
Figura 71.Empernado y ajuste de la barra al chasis del lado derecho ... 104
Figura 72. Empernado y ajuste de la barra al chasis del lado izquierdo ... 105
Figura 73. Instalación de la barra de tiro en la camioneta ... 105
Figura 74. Ajuste bola de remolque a la placa ... 106
Figura 75. Reajuste último para la prueba de ruta ... 106
Figura 76. Estado final de la instalación ... 107
Figura 77. Colocación del remolque para la prueba de ruta ... 107
viii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1. Denominación de carreteras por condición de pendiente ... 52
Tabla 2. Fuerza de resistencia al avance y potencia necesaria ... 57
Tabla 3. Fuerza transmitida a las ruedas en cada velocidad del vehículo ... 60
Tabla 4. Esfuerzos de flexión en eje x y eje para varios espesores de
cuerpo de barra de tiro ... 69
Tabla 5. Esfuerzos de torsión para varios espesores de cuerpo de barra de tiro ... 70
Tabla 6. Esfuerzos principales y factor de seguridad para varios
espesores de cuerpo de barra de tiro ... 71
Tabla 7. Composición química y resistencia de acero ASTM A36 ... 71
Tabla 8. Esfuerzo de flexión de placa lateral barra de tiro, varios
espesores ... 73
Tabla 9. Momento de inercia sección transversal de placa lateral barra de tiro, varios espesores ... 74
Tabla 10. Esfuerzo de corte de placa lateral barra de tiro, varios
espesores ... 74
Tabla 11. Esfuerzos principales y factor de seguridad en placa lateral barra de tiro, varios espesores. ... 75
Tabla 12. Esfuerzos de flexión y esfuerzo de corte en pasador, para varios diámetros ... 78
Tabla 13. Esfuerzos principales y factor de seguridad, para varios
diámetros ... 78
Tabla 14. Esfuerzos de tracción nominal, y esfuerzo de tracción con
concentración de esfuerzos de tubo de anclaje ... 79
Tabla 15. Valores de esfuerzo a tracción ... 81
Tabla 16. Esfuerzo en cordón de soldadura ... 84
ix Tabla 18. Materiales asignados para cada componente de la
x
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Especificaciones técnicas del vehículo ... 113
ANEXO 2. dimensiones de la camioneta ... 114
ANEXO 3. Catálogo tubería estructural cuadrada ... 115
ANEXO 4. Catálogo indura, alambres sólidos para proceso MIG... 116
xi
RESUMEN
En el presente trabajo se desarrolló el proceso de diseño para la fabricación de una barra de tiro para remolque. Este diseño se lo hizo de manera analítica y mediante el método de los elementos finitos con el software ANSYS. Se hizo la descripción de los materiales utilizados en ingeniería, haciendo hincapié en el acero. Igualmente se realizó la descripción de los procesos de fabricación utilizados para la construcción de elementos mecánicos en acero.
El diseño de la barra de tiro se realizó analizando las fuerzas que se requieren para vencer a las fuerzas de resistencia al movimiento que se generan en el modelo de camioneta Chevrolet DMAX 3.0 a plena carga y arrastrando un remolque del tipo indicado en la Ley de Tránsito del Ecuador para el tipo de vehículo a utilizar. Las fuerzas obtenidas permitieron obtener las condiciones de esfuerzos a los que se sometieron los componentes de la barra de tiro y así seleccionar los materiales adecuados para su construcción. Se hizo uso de la norma de soldadura AWS D1.1 2010 para utilizar un proceso de soldadura (WPS) precalificado para tener una especificación de la soldadura a aplicar.
xii
ABSTRACT
In this present work was developed the Design Process for making A drawbar trailer. This design was made it analytical way and by means of the Finite Element Method with the ANSYS software. The description of the materials used in engineering, making emphasis in the steel. Equally the description is made of the manufacturing processes used for the construction of mechanical elements in Steel.
The design of the drawbar is made analyzing the forces required in order to defeat the forces of movement resistance that is generated in the model of small truck Chevrolet DMAX 3.0 at full load and Dragging a trailer Indicated type in the Transit Law of Ecuador for the type of vehicle to use one. The obtained forces allowed to Get the Conditions of efforts together components of the drawbar and thus underwent Select the adequated Materials suitable for its construction.it is made of using AWS D1.1 welding standard 2010 in order to use the welding process (WPS) prequalified to have a specification of welding apply.
In the analysis by Finite Element Method, I proceeded to apply in a CAD model in 3 dimensions, the forces that I applied in the use of the Drawbar, with all the corresponding Bindings. With the obtained simulation is known the Behavior of the drawbar and it was made the Qualitative comparison with the analytically obtained results.
1
1. INTRODUCCIÓN
En el presente proyecto se desarrolla el diseño de un sistema de arrastre mediante cálculos estructurales y principios teóricos adecuados, se analizan varias alternativas seleccionando la más apta para el diseño del proyecto. Posteriormente se realiza la simulación utilizando el método de elementos finitos para verificar y analizar el comportamiento del mismo en base a los elementos constitutivos, cargas y esfuerzos sometidos, y determinar las zonas críticas de posibles fallas y deformaciones del sistema de arrastre, posibilitando mejoras en el diseño.
Una vez que los resultados obtenidos en la simulación con el software son idóneos, finalmente se procede a la construcción del sistema de arrastre con el acoplamiento del mismo en un vehículo, y así se garantiza que el producto final es fiable y seguro.
El dominio de los diferentes procesos de conformado permiten que se obtengan partes con mayor resistencia, disminuyendo la cantidad de material, pero al mismo han aumentado la complejidad de las partes y la necesidad de que la repetitividad, velocidad de producción y confianza de los procesos aumenten, esto ha hecho que los costos de las matrices y herramentales utilizados para la fabricación de las partes se incrementen considerablemente. Pero a la vez hoy se dispone de herramientas computacionales que ahorran en tiempo sin necesidad de mecanizar la pieza, además el costo de materiales se elimina.
2 predecir el comportamiento de la lámina metálica sin la ayuda de un software de simulación.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1 PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES
Es el conjunto de características diferentes que tiene cada cuerpo, que pone de manifiesto cualidades intrínsecas de los mismos o su forma de responder a determinadas acciones exteriores.
Las características de los metales son, unas veces cualidades, otras defectos y en algunos casos solo constantes físicas, las propiedades físicas y mecánicas de un material dependen de su microestructura.
De entre las propiedades más relevantes están las siguientes:
Propiedades físicas.
Propiedades químicas.
Propiedades mecánicas.
2.1.1 PROPIEDADES FÍSICAS
Dentro de este conjunto se incluyen tanto las propiedades físicas de la materia como otras que son consecuencia de la acción directa de agentes físicos exteriores, entre las más importantes:
Fusibilidad. Propiedad que tienen los metales de pasar de estado sólido a estado líquido bajo la acción del calor. Por otra parte, existen otros materiales que son utilizados en instrumentos (como algunos hornos especiales) que se les aprovecha su baja fusibilidad. Los materiales que sólo se derriten a temperaturas muy altas se les llaman materiales refractarios. Esta es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas.
4
Dilatabilidad. Propiedad que poseen los cuerpos de aumentar su volumen por efecto del calor. Esta propiedad se suele expresar por el aumento unitario de longitud que sufre el metal al elevarse en un grado su temperatura.
Temperatura de fusión. Cambio de estado, de sólido a líquido que experimenta un metal al aumentar la temperatura de forma progresiva.
Conductividad Térmica. Propiedad de los metales que les permite transmitir el calor a través de su masa.
Conductividad eléctrica. Consiste en la facilidad que poseen los metales de transmitir la corriente eléctrica a través de su masa, se muestra algunos coeficientes de resistencia eléctrica de los metales como se expone a continuación.
2.1.2 PROPIEDADES QUÍMICAS
Las propiedades químicas más importantes son:
Oxidación. Reacción química a partir del cual un átomo, ión o molécula cede electrones; aumentando su estado de oxidación, además la oxidación se produce por la combinación química del oxígeno con los elementos metálicos, este efecto es producido al producirse un incremento de temperatura. En algunos de los casos la oxidación no desemboca en una corrosión, más bien forma una película protectora en la misma.
5 cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos
2.1.3 PROPIEDADES MECÁNICAS
Tenacidad. Propiedad de los metales que les permite oponerse con resistencia a los esfuerzos de rotura o deformación, además es la capacidad que tienen de absorber energía antes de romperse.
Elasticidad. Propiedad de los metales que les permite regresar a su estado original después de haber sido sometidos a deformación una vez que se suprime el esfuerzo. La elasticidad de un metal se observa en la figura 1.
Figura 1. Elasticidad de un material (Gonzáles, 2003)
- Límite elástico. Es la tensión máxima que un material resiste sin sufrir deformaciones permanentes, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente.
6
- Alargamiento de rotura. Se denomina al alargamiento máximo que se puede dar por tracción a un material sin producir rotura.
Plasticidad. Capacidad que tiene los materiales al adquirir deformaciones permanentes, entre las propiedades más importantes se destacan las siguientes:
- Maleabilidad. Es la capacidad que tienen los materiales de adoptar formas, y de reducirse a láminas sin romperse mediante esfuerzos de compresión.
- Ductilidad. Capacidad de los metales que tiene para dejarse estirar mediante esfuerzos de tracción.
- Resistencia a la rotura. Carga a partir de la cual se produce un período de rápido estiramiento de la muestra con una sensible reducción de su sección hasta que se produce la rotura bajo un esfuerzo menor que la tensión antes citada. (Águeda, 2011).
Resistencia a la Fatiga. La fatiga de materiales es un fenómeno por el cual la rotura de los materiales se produce bajo cargas dinámicas cíclicas más fácilmente que con cargas estáticas.
Estricción. Propiedad de los metales de oponerse a la reducción de su sección, cuando estos están sometidos a una carga de tracción, tal y como se observa en la figura 2.
7
Dureza. Es una propiedad que tienen los metales que define la resistencia que oponen a ser penetrados por otros cuya forma y dimensiones se encuentran debidamente normalizadas. Se muestra a continuación en la tabla valores respectivos de dureza del acero así como del aluminio.
Fragilidad. Es la propiedad de los metales de romperse fácilmente bajo la acción de un choque. Un material frágil es aquel que se rompe al rebasar el límite elástico sin experimentar deformación plástica alguna.
Maquinabilidad. Es una propiedad de los materiales que permite contrastar la facilidad con la que pueden ser mecanizados por arranque de viruta, también puede definirse como el mejor manejo de los materiales y la facilidad con la que pueden ser cortados mediante máquina de corte.
2.1.4 CONFORMADO DE METALES
Una característica importante de los metales es que se pueden dar a los objetos forma o contornos fácilmente para obtener piezas de distinta geometría.
Algunas de las operaciones de conformado son:
Forja. Es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frio y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión, el proceso de forja se ilustra en la figura 3.
8
Trefilado. Como se observa en la figura 4, consiste en dar forma a una varilla o cinta metálica tirando de ella a través de un molde o matriz para reducirla a un hilo o para formar un tubo. Para lograr un hilo se requieren normalmente varias operaciones, en las que se reduce gradualmente el diámetro hasta el tamaño deseado (Águeda, 2011).
Figura 4. Trefilado (Gonzáles, 2003)
Extrusión. Como se observa en la figura 5, es una técnica que fuerza al metal a través de una matriz para darle una forma deseada de sección transversal. Al ser empujados con una fuerza de hasta 1.200 toneladas, el metal adopta la forma de la matriz. Solo puede aplicarse a determinadas aleaciones muy dúctiles, que posteriormente se tratan para que consigan la resistencia adecuada. Normalmente una pieza extruida es larga y hueca, o con determinado perfil que no puede conseguirse mediante la estampación (Arcelormittal, 2013).
9
Laminado. Como se observa en la figura 6, es el proceso de deformación usado industrialmente, reduce el espesor del material de trabajo mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos. Los rodillos giran para jalar el material de trabajo y a la vez apretarlo entre ellos.
Figura 6. Laminación (Gutter, 2002)
Estampación. Es un proceso de fabricación por el cual es sometido un metal a una carga de compresión entre dos moldes. La carga puede ser una presión aplicada progresivamente o una percusión, para lo cual se utilizan prensas y martinetes. Los moldes, son estampas o matrices de acero, una de ellas deslizante a través de una guía y la otra fija. (Águeda, 2011).
10
2.2 LA METROLOGÍA EN EL MECANIZADO
La metrología en el mecanizado de las piezas en la actualidad requiere de mayor precisión, ya sea en la reparación de piezas o la sustitución de las mismas, para ello se requiere un control minucioso de los datos y valores del fabricante.
2.2.1 METROLOGÍA
Ciencias que estudian las unidades de medida, así como los instrumentos de medición que se utiliza en el mecanizado y construcción de piezas de materiales férreos y no férreos, dando como resultado productos con un acabado preciso y exacto.
Existen normas que has servido para crear unas reglas fundamentales que:
- Simplifican, reduciendo la variedad de las diferentes zonas o países.
- Unifican todas ellas a una de uso común.
- Especifican los términos relativos a cada valor de forma que no se puedan interpretar de forma arbitraria.
De forma muy resumida, se puede decir que estos objetivos se han conseguido en tres fases, las cuales hoy en día nos sirven para realizar actividades relacionadas a esta rama, a continuación se mencionan las tres fases:
- El primer paso fue el establecimiento del sistema métrico decimal, que se aplica a todas las medidas y permite establecer exactamente cualquier cantidad de una magnitud por muy pequeña o grande que pueda resultar.
- El segundo fue el establecimiento de la unidad en cada una de las magnitudes, que junto con los múltiplos y submúltiplos del sistema métrico decimal permite diferenciar exactamente la cantidad de esa magnitud.
11 van apareciendo conceptos y magnitudes que se desprenden de las oportunas investigaciones que se realizan en los diferentes campos (Shigley, 2011).
2.2.2 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
Instrumentos que sirven para verificar la medida exacta de nuestra estructura, dentro de los instrumentos de medición a utilizar en el trabajo de titulación propuesto, están los siguientes, los cuales determinan magnitudes lineales y de medida directa.
- El metro
- La regla cuadrada
- El calibre o pie de rey
Apreciación. Se denomina así a la menor medida que puede medirse o leerse con un instrumento dado.
Estimación. Cuando la lectura de una medida no coincide con ninguna de las divisiones en que se encuentra graduado un instrumento de medida, la medida se determina por aproximación.
2.2.1.1. Metro
Son instrumentos formados por reglas flexibles graduadas, generalmente en milímetros, por lo que permiten medir con un error máximo de 0,5 mm por estimación.
El metro se lo puede enrollar, haciendo que el transporte se más fácil, además que se puede medir líneas y superficies curvas
2.2.1.2. Regla graduada
12
2.3 ACABADOS SUPERFICIALES
De los acabados superficiales en los materiales puede depender tanto el funcionamiento, como el rendimiento de una máquina o mecanismo, la duración, e incluso sus posibilidades de venta, al presentar un aspecto más o menos atractivo.
Los objetivos funcionales a cumplir por una superficie se clasifican en:
Protectores
• Resistencia a la oxidación y corrosión • Resistencia a la absorción
Decorativos
• Mejora del aspecto
Tecnológicos
• Disminución o aumento del rozamiento
• Resistencia al desgaste, con los consiguientes beneficios de: • Mantenimiento de juegos
• Facilidad de intercambiabilidad • Resistencia a la fatiga
• Reflectividad
• Prevención de gripado • Mejorar la soldabilidad
• Conductividad o aislamiento eléctrico
2.3.1. RECUBRIMIENTOS
Los recubrimientos dentro de un acabado superficial se clasifican en:
Inorgánicos
Inmersión y reacción química (recubrimientos de conversión). Electrolítico.
Procesos de deposición no electrolíticos:
13 • Electroless.
• Plaqueado.
•Procesos de deposición por vapores metálicos.
Orgánicos
• Pulverizado: aerográfico, airless, airmix, electroestático. • Inmersión.
• Rodillos automáticos. • Cortina de pintura. • Pintado en tambor.
• Electropintado (electroforesis). • Cataforesis.
Para satisfacción de los objetivos funcionales los procedimientos habitualmente utilizados son:
Protección
• Pinturas protectoras. • Deposición de metales.
• Recubrimientos de conversión.
Decoración
• Pinturas.
• Recubrimientos cromo, níquel. • Recubrimientos joyería.
Tecnológico
• Recubrimientos electrolíticos. • Metalizados.
• Deposición alto vacío. • Tratamientos mecánicos
14 de lograr que el producto entre en especificaciones dimensionales.
2.4 OPERACIONES DE MECANIZADO
2.4.1 TALADRADO
Operación de maquinado que se usa para introducir agujeros redondos en una pieza de trabajo. El taladrado se realiza por lo general con una herramienta cilíndrica rotatoria (broca).
a) Escariado. Se usa para agrandar un agujero, suministrar una mejor tolerancia en su diámetro y mejorar su acabado superficial. La herramienta se llama escariador, y por lo general, tiene ranuras rectas.
b) Roscado interior. Esta operación se realiza por medio de un machuelo y se usa para cortar una rosca interior en un agujero existente.
c) Abocardado. En el abocardado se produce un agujero escalonado en el cual un diámetro más grande sigue a un diámetro más pequeño parcialmente dentro del agujero. Se usa un abocardo para asentar las cabezas de los pernos dentro de un agujero, de manera que no sobre salgan de la superficie.
d) Avellanado. Es una operación similar al abocardado salvo que el escalón en el agujero tiene forma de cono para tornillos y pernos de cabeza plana.
e) Centrado. También llamado taladrado central, esta operación taladra un agujero inicial para establecer con precisión el lugar donde se taladrará el siguiente agujero.
f) Refrentado. Es una operación similar al fresado que se usa para suministrar una superficie maquinada plana en la pieza de trabajo en un área localizada.
2.4.2 CORTADO
15 el borde estacionario inferior de corte (el dado). Cuando el punzón empieza a empujar el material de trabajo, ocurre una deformación plástica en las superficies de la lámina, conforme éste se mueve hacia abajo ocurre la penetración, en la cual comprime la lámina y corta el metal
2.4.2.1 Troquelado
Se obtiene piezas cuando se ejerce presión con unos punzones sobre un molde o matriz, los pliegos o láminas de chapa se intercalan entre el punzón y la matriz, produciéndose el corte mediante el esfuerzo de la cizalla del punzón sobre la chapa (K. Sipos, 2005).
2.4.2.2 Cizallado
Operación de corte de láminas que consiste en disminuir la lámina a un menor tamaño. Para hacerlo el metal es sometido a dos bordes cortantes. El proceso consiste en un punzón (cuchilla superior) desciende sobre el metal, éste se deforma plástica mente sobre la matriz (cuchilla inferior). El punzón penetra en el metal y consiguientemente, la cara opuesta de éste se comba levemente y se corre hacia la matriz. Cuando la ductilidad y resistencia del material llega a su límite por la tensión aplicada, excede la resistencia de la cizalladura y el metal se cizalla o rompe bruscamente a través del espesor restante.
2.4.3 DOBLADO
Esta operación consiste en dar forma al material, conforme el mecanizado lo requiera para trabajar, y según sean necesarias el requerimiento de quien lo va a mecanizar.
16 Figura 7. Proceso de flexión
(Gutter, 2002)
Prensado. En el prensado como muestra la figura 8, consiste en moldear una lámina metálica en varias direcciones al mismo tiempo, forzándolas entre dos matrices.
17
2.5 UNIONES DESMONTABLES
Los diferentes sistemas de unión o ensamble son uno de los factores que más decisivamente influyen en el desarrollo de los procesos de reparación y, más específicamente, en los tiempos de intervención.
A la hora de establecer el sistema de unión más idóneo, es necesario realizar una serie de consideraciones previas. Entre ellas.
- El grado de accesibilidad de la pieza.
- La frecuencia de sustitución
- Su contribución en materia de resistencia estructural
- Las características de los materiales que se van a unir o ensamblar (Gerling, 2008).
Entre los tipos más importantes de uniones amovibles se encuentran:
- Uniones atornilladas
- Uniones pegadas (no estructurales)
- Uniones articuladas
2.5.1 UNIONES ATORNILLADAS
Los distintos tipos de uniones atornilladas tienen en común la sujeción de las piezas utilizando una barra cilíndrica, con cabeza o sin ella, a la que se le ha tallado una rosca, cuyos filetes al penetrar en los de la otra pieza impiden el desplazamiento relativo.
Entre las uniones atornilladas disponibles en el mercado y las más usuales dentro de los trabajos de montaje y ensamble de estructuras en los diferentes procesos de presentan las siguientes características:
- Fácil desmontaje
- Altas concentraciones de tensiones
- Aspecto de la unión con discontinuidades
- Ejecución de la unión relativamente lenta
- Posibilidad de unir cualquier tipo de material
18
- Ausencia de preparación previa de los materiales que se van a unir
- Equipamiento prácticamente inexistente o de muy bajo coste
- Portabilidad inmediata de la unión (Gerling, 2008).
Con la utilización de elementos atornillados se pretenden conseguir uniones entre diferentes piezas, en las que se trata de impedir su separación en la dirección de los ejes de los tornillos. Los esfuerzos de compresión se consiguen mediante un óptimo cerramiento de la unión atornillada.
Entre las uniones atornilladas que son utilizadas de manera usual en el mercado y los diferentes procesos de ensamble tenemos los siguientes: Tornillos con cabeza y tuerca. Estos dos elementos producen el cerramiento por compresión que impide la separación de las piezas.
Los elementos más importantes que intervienen en este tipo de unión son:
- Tornillos, espárragos, varillas roscadas, etc.
- Tuercas y arandelas
- Elementos de seguridad
2.5.1.1 Tuercas
Las tuercas son cilindros muy cortos normalmente abiertos por los extremos, su diámetro exterior tiene forma de hexágono y su diámetro interior va roscado. Su función se debe a que cuando se la hace girar sobre la rosca de un tornillo o de un espárrago, se genera una importante fuerza de empuje que comprime la unión y mantiene unidos a los componentes del ensamble (Gerling, 2008).
Tipos de tuercas
Entre los tipos de tuercas disponibles en nuestro medio, en el mercado, y las más usuales dentro del ensamble y montaje tenemos los que se detallan a continuación:
19
Tuercas de sombrerete. Se emplean para distribuir mejor la fuerza de apriete con el fin de evitar deformaciones.
Tuercas autoblocantes. Suelen tener un engaste de plástico cuyo ajuste forzado evita que la tuerca se afloje o salga. El anillo de plástico tiene un diámetro interior menor que el diámetro exterior del tornillo
Tuercas almenadas o con ranuras. Tiene unas ranuras o cortes en la parte superior, en las que se introduce una horquilla de seguridad u otro sistema de bloqueo para inmovilizarlas junto al tornillo. La tuerca almenada consiste en una tuerca hexagonal a la cual se le han practicado ranuras que coinciden con el eje de sus caras.
Tuercas ciegas. Están cerradas en uno de sus extremos, y se utilizan tanto por cuestiones estéticas como para mantener limpias y secas las roscas.
2.6 SOLDADURA EN EL MECANIZADO
Proceso que consiste en unir dos piezas empleando una fuente de calor hasta obtener su coalición, estableciéndose la unión del metal fundido de las piezas y del material de aportación. La soldadura es un metal fundido que une dos piezas de metal, de la misma manera que realiza la operación de derretir una aleación.
Los procesos de soldadura que se utilizan para la coalición de los materiales van a depender del tipo de material y las características que posean los mismos.
En cualquier caso, la elección del tipo de unión y del sistema de soldadura a utilizar, dependerá de las especificaciones dadas por el fabricante del material a fundir (Jeffus, 2009).
2.6.1 PROCESOS DE SOLDADURA
Los procesos de soldadura se clasifican en:
- Heterogéneos
20
2.6.1.1 Soldadura heterogénea
Proceso de soldadura que se realiza con piezas de la misma o de naturaleza distinta, permitiendo una unión rígida y permanente entre estos dos metales. Este proceso de soldadura se clasifica en función de su temperatura de trabajo a la que puede estar sometido la chapa, las cuales se citan a continuación.
2.6.1.2 Soldadura blanda
Su principal característica es la utilización de un material de bajo punto de fusión (< 400°C), normalmente el estaño cuya temperatura de fusión se encuentre entre los 150 y 230 °C (Jeffus, 2009).
2.6.1.3 Soldadura fuerte
Este tipo de proceso utiliza un material que proporciona una unión más fuerte que el anterior proceso, por lo general se utiliza el latón, que funde entre los 600 y 900 °C (Prieto, 2012).
2.6.1.4 Soldadura homogénea
Proceso de soldadura la cual permite una unión rígida y permanente entre dos metales únicamente de la misma naturaleza, a este grupo pertenecen la mayoría de los procesos más utilizados: oxiacetilénico, el arco, o por resistencia, etc.
2.6.1.5 Soldadura eléctrica con electrodo revestido (SMAW)
21 distinta polaridad, la temperatura alcanzada por este procedimiento supera los 3.500 °C, necesarios para fundir la zona de soldadura. (Jeffus, 2009). Se trata de una técnica en la cual el calor de soldadura es generado por un arco eléctricamente la pieza de trabajo (metal base) y un electrodo metálico consumible(metal de aporte) recubierto con materiales químicos en una composición adecuada (fundente).
Conocido por su simplicidad y facilidad de uso, el equipo para efectuar soldaduras SMAW es el que se detalla y se observa en la figura 9.
Figura 9. Proceso de soldadura eléctrica con electrodo revestido (Prieto, 2012)
Equipo de soldadura
Como se observa en la figura 10, el equipo de soldadura eléctrica al arco con electrodo revestido está compuesto por:
22
- Una pinza porta electrodo, unida a la máquina por un conductor de gran sección.
- Una mordaza de masa unida de igual forma a la máquina.
- Material de protección del soldador.
- Cables flexibles con buena conductividad eléctrica (Prieto, 2012).
Figura 10. Equipo de soldadura al arco con electrodo revestido (Jeffus, 2009)
2.6.1.6 Soldadura por arco en protección gaseosa
23 Es la que utiliza un gas para proteger la fusión del aire de la atmósfera. Según la naturaleza del gas utilizado se distingue entre soldadura MIG, si utiliza gas inerte, y soldadura MAG, si utiliza un gas activo. Los gases inertes utilizados como protección suelen ser argón y helio; los gases activos suelen ser mezclas con dióxido de carbono. En ambos casos el electrodo, una varilla desnuda o recubierta con fundente, se funde para rellenar la unión.
Figura 11. Proceso de soldadura al arco en protección gaseosa (Gonzáles, 2003)
El baño de fusión se encuentra protegido de los gases atmosféricos bajo una campana de gas, cuya naturaleza varía en función del tipo de sistema, que puede ser:
- Mig
- Mag
- Gmaw
Equipo de soldadura
24 Estas máquinas incorporan un sistema de autorregulación del arco que facilita la operación de soldeo ya que en la práctica es imposible mantener de forma constante la distancia entre el soplete y las piezas a soldar, lo que provocaría una soldadura defectuosa de no incorporar esta función (Gonzáles, 2003).
Al iniciarse la soldadura, el alambre toca la pieza, produciéndose un cortocircuito de intensidad elevada, por lo que se funde el extremo del alambre y se establece un arco cuya longitud viene dada en función de la tensión a la que se ha regulado (Jeffus, 2009).
Cuando el soplete se aleja de la pieza, provoca un alargamiento del arco, aumentando la tensión y disminuyendo la intensidad de la corriente, produciéndose entonces una fusión más lenta. Sin embargo, como la velocidad de salida del hilo es constante, es decir, que sigue saliendo a la misma velocidad, sale más hilo del que se funde, provocando que la longitud del arco vuelva a su valor inicial (Águeda, 2011).
25
2.7 DISEÑO DE ELEMENTOS MECÁNICOS
Este tema tiene como fin ilustrar y describir los parámetros y ecuaciones que permiten determinar la geometría del sistema de arrastre.
2.7.1 RESISTENCIA
Propiedad intrínseca de los elementos constitutivos de un material, y depende de la clase y procesamiento del mismo.
2.7.1.1 Materiales
Los materiales se clasifican en dos grupos, por un lado los dúctiles y por otro los frágiles.
Dúctil. Como se observa en la figura 13, es la capacidad que tiene un material para sufrir deformación, moldearse, malearse o extenderse con mucha facilidad.
Figura 13. Curvas esfuerzo – deformación para un material dúctil
(Norton, 2013)
26 Figura 14. Curvas esfuerzo – deformación de un material frágil
(Norton, 2013)
De las figuras 13 y 14 se tienen:
pl: Límite de proporcionalidad
el: Límite de elasticidad
y:Punto de fluencia
U: Esfuerzo último o límite de resistencia
E: Módulo de elasticidad
Ɛ: Deformación unitaria
Esfuerzo de rotura
Esfuerzo de fluencia
2.7.2 EQUILIBRIO
27
∑ [1]
2.7.2.1 Diagramas de cuerpo libre
Para identificar todos los momentos y fuerzas potenciales, es necesario graficar todos los miembros del sistema, este diagrama muestra la forma de la pieza con todas las fuerzas que interactúan sobre ella.
2.7.3 CARGAS EN VIGAS
Elemento que soporta cargas transversales con respecto a su eje longitudinal, además de soportar cargas en dirección axial. Cuando una viga está sujeta de sus extremos por pasadores o soportes esta simplemente apoyada.
Cuando una viga se somete a vibraciones y aceleraciones pueden causar cargas dinámicas.
Las cargas sometidas en vigas se observa en la figura 15.
28
2.7.3.1 Esfuerzo cortante y momento
Una viga soporta cargas en combinación de fuerzas o momentos distribuidos en todos sus puntos.
Las fuerzas aplicadas crean en la viga momentos de flexión o fuerzas cortantes.
El esfuerzo cortante y momento se observa en la figura 16.
Figura 16. Fuerzas cortantes y momentos de flexión en vigas (Norton, 2013)
2.7.4 ESFUERZO EN FLEXIÓN
29 Figura 17. Segmento de la viga recta a flexión pura
(Mott, 2006)
El esfuerzo de flexión máximo, sucede en los empujes exteriores, se expresa de la siguiente manera:
[2]
Dónde:
M:es el momento de flexión aplicado en la sección en cuestión C: es la distancia del plano neutro al empuje externo
I: es el momento de inercia.
2.7.5 TORSIÓN
Cuando se somete un eje a un par de torsión, este sufre torcedura, en el cual el vector momento es colineal con un eje de un elemento mecánico, es decir en el que una sección transversal gira con respecto a otras secciones transversales en el eje. El par de torsión en una barra se observa en la figura 18.
30 El esfuerzo cortante máximo es:
[3] En dónde:
T: es par de torsión
r :es el radio de la superficie exterior J: es el segundo momento polar del área
2.7.6 CÍRCULO DE MOHR
Como se indica en la figura 19, el uso del círculo de Mohr, un método gráfico, ayuda a minimizar los errores y permite tener un mejor sentido de la condición de esfuerzos en el punto de interés.
1. Determinar los esfuerzos principales máximo y mínimo, y las direcciones en que actúan.
2. Calcular los esfuerzos cortantes máximos y la orientación de los planos donde actúan.
3. Calcular el valor de los esfuerzos normales que actúan sobre los planos donde actúan los esfuerzos cortantes máximos.
4. Calcular los valores de los esfuerzos normales y cortantes que actúan en un elemento con cualquier orientación (Mott, 2006, pág. 145).
31
2.7.7 DISEÑO ESTÁTICO
En los elementos mecánicos el diseño estático se ejerce cuando están sometidos únicamente a cargas estáticas, es decir a las que no varían en el tiempo: en magnitud, punto de aplicación y dirección.
2.7.7.1 Teorías de fallas para el diseño estático
Se establecen dos grupos de materiales para el estudio del diseño estático, los dúctiles y los frágiles.
2.7.7.2 Teorías de los materiales dúctiles
Como se observa en la figura 20, el diseño estático de los materiales dúctiles cuenta con tres teorías: esfuerzo normal máximo, esfuerzo cortante máximo y energía de la distorsión.
Figura 20. Comparación de las tres teorías de falla
32
2.7.7.3 Factor de diseño
Este factor evalúa las condiciones seguras de un elemento, el factor de diseño es la relación que existe entre la carga última y la carga aplicada (Shigley, 2011).
[4]
“Existe tres casos para aplicar el factor de diseño y depende de si un factor de diseño se determina con una sola cantidad o como un conjunto de componentes.
Caso 1, el factor de diseño se aplica a la resistencia, donde S y son las resistencias y son los esfuerzos de diseño normales y a corte.
[5]
Caso 2, el factor de diseño se aplica a la carga o a los esfuerzos, donde
, son carga y esfuerzos permisibles, F son carga y esfuerzos de diseño.
[6]
Caso 3, el factor de diseño es total o global, que puede descomponerse en varias componentes, y se utilizarán factores individuales para la resistencia y para las cargas o bien para los esfuerzos producidos por esas cargas (Mott, 2006, pág. 185).
2.7.7.4 Factor de temperatura
33 = 1 Si T≤ 450°C (840°F) [7] 1-(5. 8 . ) x (T-450) Si 450°C < T ≤ 550 °C [8] ( ) ( ) [9]
Dónde:
: Factor de temperatura
Las condiciones de trabajo del equipo serán las condiciones ambientales normales (T AMB 25c presión atm 1atm) entonces para nuestros propósitos kd siempre va a ser 1.
2.7.7.5 Factor de concentración de esfuerzos
Al poseer agujeros, ranuras, muescas u otras clases de discontinuidades en los elementos mecánicos, estos alteran la distribución de esfuerzos de acuerdo a las fórmulas siguientes:
[10]
Dónde:
: Factor de concentración de esfuerzos
: Esfuerzo máximo
: Esfuerzo nominal
En diseño estático los materiales dúctiles no experimentan concentración de tensiones; pero, los aceros de baja ductilidad y alta resistencia y, aceros endurecidos superficialmente, y los materiales frágiles si les afecta el concentrador de tensiones (Shigley, 2011).
2.7.7.6 Factor de seguridad
34
[11]
Dónde:
F.S: Factor de seguridad
: Esfuerzo último : Esfuerzo admisible
2.7.8 SELECCIÓN DE PERNOS
La fracción P, en relación con la unión de elementos se determina a través de:
(
)
[12]Dónde:
Constante de rigidez del perno
Constante de rigidez de los elementos
P: Carga externa sobre unión del perno Fracción de P tomado por el perno
Fracción de P tomado por los elementos unidos
De esta manera se tiene la tensión sobre el perno y la compresión sobre los elementos respectivamente. De esta manera se presenta la relación que determina la selección del perno.
Entonces la determinación de está dado por:
[13]
Dónde:
35 I: Longitud del perno sometido a solicitación.
El Factor k de lubricación en apriete de pernos, se ha determinado mediante pruebas experimentales que el valor de k es de 0.2.
2.8 SOFTWARE DE SIMULACIÓN Y ANÁLISIS CON EL
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
2.8.1 EL MÉTODO GENERAL
2.8.1.1 Definición del Método
Es un método de proximidad de problemas continuos, de tal manera que:
- El continuo se divide en un número limitado elementos, cuya conducta se especifica mediante un número finito de parámetros asociados a ciertos puntos característicos denominados “nodos”. Estos nodos son puntos de unión de cada elemento con sus adyacentes.
- El sistema completo se forma por ensamble de los elementos, que conforman el conjunto.
- La conducta en el interior de cada elemento queda determinado a partir del comportamiento de los nodos mediante las adecuadas funciones de inserción o funciones de forma.
2.8.2 SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN
36 mecanismo de funcionamiento y de cálculo para enfocarnos en las aplicaciones de los mismos.
Por esta razón la industria automotriz se ve obligado a utilizar programas especializados de simulación, este tipo de programas han permitido optimizar y reducir tiempos de diseño y de ajustes posteriores.
El presente proyecto práctico no intenta explicar la matemática involucrada en el cálculo y definición de los métodos numéricos y en especial el método de elementos finitos
2.8.2.1 Métodos Numéricos
Son herramientas que usan para la formulación de problemas complejos que requieren de un conocimiento básico de las ciencias matemáticas y de ingeniería adaptando un sin número de cálculos que ordenados de una manera lógica resuelven problemas de alta complejidad manejando sistemas de ecuaciones algebraicas, diferenciales, lineales y no lineales (Navarro Marchena, 2011).
Dado que los sistemas de ecuaciones y cálculos tienden a crecer en volumen y en complejidad según la dificultad de las partes el uso de computadores en este tipo de cálculo ha ido aumentando. Hay que resaltar que se debe tener un conocimiento tanto matemático como ingenieril para el uso de este tipo de programas, ya que si las variables y restricciones del entorno son colocadas de manera errónea los resultados que el programa arroja no serán acordes con la realidad, si uno introduce basura en un programa de elementos finitos este arroja basura, esto debido a que los programas no tienen la capacidad de distinguir si los valores y condiciones de frontera son correctos, el programa se limita a resolver las ecuaciones matemáticas ahorrándonos tiempo. Uno de los métodos numéricos más utilizados para la resolución de problemas y el que se usan la mayoría de los programas de simulación es el método de elementos finitos.
37
2.8.2.2 Sistemas discretos y continuos
Una manera natural de abordar el estudio del comportamiento de un sistema es simplificar el modelo matemático, la opción más sencilla es subdividir el sistema en partes o elementos de estudio sencillo, para luego volverlo a reconstruir ensamblado la contribución de cada elemento y predecir así su comportamiento. Existen sistemas en los cuales la división de partes es evidente, cada parte es diferenciable de la otra y se conectan entre sí por uniones denominadas nudos. Este tipo de sistemas se denominan discretos, existen algunos ejemplos claramente visibles como son una estructura porticada, una red de resistencias eléctricas, etc, en las cuales claramente podemos diferenciar cada uno de los elementos que componen el sistema total y las uniones de cada uno de los elementos como muestra a continuación en la figura 21.
Figura 21. Estructura porticada (Gonzáles, 2003)
38 Sin embargo existen muchos problemas en los cuales la división de estos elementos no resulta tan obvia, y si tratamos de realizar una subdivisión la misma puede tornarse tan compleja que solo lograremos expresarla mediante el uso de infinitésimos, lo que conlleva a la solución del problema a un sistema de ecuaciones diferenciales, este tipo de sistemas reciben el nombre de continuos.
En la gran mayoría de casos la solución analítica o exacta de las ecuaciones diferenciales que gobiernan el comportamiento de un sistema continuo son o muy laboriosas o imposibles de resolver, por este motivo para la solución de este tipo de problemas debe orientarse a la obtención de resultados aproximados a través de técnicas que transformen un sistema continuo de infinitas incógnitas a un sistema discreto de finitas incógnitas los cuales presentan soluciones más accesibles, como se muestra en la figura 22, este proceso se llama discretización del problema (Oñate & Zárate, 2001).
39
2.8.2.3 Método de elementos finitos para un análisis de sistemas continuos
Muchos fenómenos físicos se describen con modelos matemáticos que involucran cantidades físicas junto con razones de cambio temporal o espacial.
Estas relaciones se expresan generalmente en ecuaciones diferenciales parciales.
Una de las herramientas utilizadas para resolver esta clase de problemas es el Método de los Elementos Finitos (MEF), el cual es un procedimiento basado en técnicas computacionales de resolución por Métodos Numéricos. Los resultados obtenidos utilizando MEF son raramente exactos. Sin embargo, una solución adecuada se puede obtener si se usa un modelo apropiado de elementos finitos. El método de los elementos finitos es un método genérico para obtener soluciones numéricas.
La diferencia entre un método clásico de solución de los problemas de ingeniería en forma analítica y el MEF es el enfoque del problema. El método clásico considera la estructura como un continuo, cuyo comportamiento lo gobiernan ecuaciones diferenciales parciales u ordinarias. El MEF considera la estructura como el ensamblaje de un número finito de partículas pequeñas. El comportamiento de estas pequeñas partículas y por tanto, de toda la estructura, se obtiene resolviendo las ecuaciones algebraicas que gobiernan a cada partícula, generalmente con la ayuda de un computador. Las partículas se denominan elementos finitos. Los puntos donde estos elementos finitos hacen contacto entre si se conocen como nodos. Y el procedimiento de selección de nodos se llama discretización o modelización.
Normalmente, el análisis por método de elementos finitos involucra los siguientes pasos:
40
2. Definición de las propiedades del elemento. Se asigna las propiedades físicas, mecánicas, electromagnéticas que se requieran para el problema.
3. Ensamblaje de las matrices de rigidez de los elementos: Siendo K la matriz de rigidez, y F las cargas aplicadas a los nodos, se define K* F = U, donde U son las reacciones, los esfuerzos internos o tensiones en cualquier punto de la estructura.
4. Aplicación de las cargas: Fuerzas concentradas o fuerzas puntuales se especifican en esta etapa.
5. Definición de condiciones de frontera: Se definen las condiciones de apoyo de la estructura en el entorno. Usando los elementos de frontera, se pueden determinar las reacciones en los mismos.
6. Solución de las ecuaciones algebraicas lineales. La aplicación secuencial de los pasos descritos conducen a un sistema de ecuaciones algebraicas simultáneas donde los desplazamientos nodales son desconocidos.
7. Determinación de datos: En esta etapa, el usuario puede calcular los esfuerzos, deformaciones, reacciones y la información que le convenga y mediante el post procesador puede visualizar los resultados.
Los pasos 1, 2, 4, 5, y 7 requieren de intervención del usuario en el programa de elementos finitos. Los demás pasos son realizados automáticamente por el programa de computadora.
2.8.3 IMPORTANCIA DEL SOFTWARE ESPECIALIZADO DE DISEÑO
En el campo de la simulación el Ansys es una plataforma de diseño con elementos finitos, que permite realizar tareas como:
- Edificar modelos de estructuras, componentes o sistemas.
- Destinar cargas al elemento creado.
41
- Mejorar diseños existentes
42
3. METODOLOGÍA
En el presente proyecto y para la realización del mismo se requirió de la aplicación del método cuantitativo, ya que al realizar nuestro diseño, simulación, ensamble, construcción y su posterior montaje se nos reveló datos dinámicos conforme van avanzando las pruebas antes de la puesta a punto de la barra de tiro.
El método de investigación cuantitativa fue usado principalmente en la producción de conocimientos, por lo general para describir algo de un proceso o sistema de una forma exacta y coherente, ya que un pre-proyecto es experimento es una prueba o ensayo.
Además se utilizó un método determinista, modelo matemático donde las mismas entradas produjeron invariablemente las mismas salidas, no contemplándose la existencia del azar ni el principio de incertidumbre. Laksjd Estuvo estrechamente relacionado con la creación de entornos simulados a través de simuladores para el estudio de situaciones hipotéticas, o para crear sistemas de gestión que permitieron disminuir la incertidumbre.
La inclusión de mayor complejidad en las relaciones con una cantidad mayor de variables y elementos ajenos al modelo determinista hizo posible que éste se aproxime a un modelo probabilístico o de enfoque estocástico.
El proceso experimental requirió considerar tres momentos o pasos:
- El proceso de diseño
- El proceso de simulación
- El proceso de construcción, ensamble y montaje
43 acoplada y posteriormente permitirá analizar su comportamiento frente a las cargas que se aplican sobre el accesorio (CAE: Computer Aided Enginering) Se utilizó el software SOLIDWORKS 2014, para tener un modelo tridimensional de la barra de tiro. Este software es de tipo ¨DISEÑO PARAMÉTRICO¨, lo que permite tener un modelo que puede cambiarse de acuerdo a la necesidad, con facilidad de no perder las relaciones geométricas que forman el modelo.
En la figura 23, se observa el proceso de diseño llevado acabo partiendo de una necesidad que genera el arrastrar una carga, el proceso se describe a continuación:
Figura 23. Proceso de diseño
