Diseño e implementación de un sistema de gatas automáticas independientes para cada neumático de un vehículo, mediante el accionamiento de motores eléctricos

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE GATAS

AUTOMÁTICAS INDEPENDIENTES PARA CADA NEUMÁTICO

DE UN VEHÍCULO, MEDIANTE EL ACCIONAMIENTO DE

MOTORES ELÉCTRICOS

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

ENRIQUE BLADIMIR MOYA ORTEGA

DIRECTOR: ING. SIMON HIDALGO

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722000641

APELLIDO Y NOMBRES: Moya Ortega Enrique Bladimir

DIRECCIÓN: Ciudadela Ibarra, Barrio la Merced calle

Pedro Castrillon y pasaje C1

EMAIL: bladymoya@hotmail.com

TELÉFONO FIJO: 3690270

TELÉFONO MOVIL: 0984738972

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Diseño e implementación de un sistema de

gatas automáticas independientes para cada neumático de un vehículo, mediante el accionamiento de motores eléctricos.

AUTOR O AUTORES: MOYA ORTEGA ENRIQUE BLADIMIR

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

28 de julio del 2016

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

Ing. Simón Hidalgo

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniería automotriz

RESUMEN: El presente documento se basa en la

elaboración e implantación de un sistema de gatas automatizadas, para lo cual se ha investigado las características y principios de funcionamiento de los componentes que se utiliza para crear el sistema. El diseño de gatas automáticas independientes para cada neumático en un vehículo liviano, mediante el accionamiento de motores eléctricos, se da por la necesidad de mejorar el confort, la seguridad y rapidez para el usuario al tener que remplazar un neumático averiado. Desde el punto de vista técnico y económico, este

proyecto es factible. En lo referente a lo técnico se puede encontrar varia información acerca del funcionamiento de los motores eléctricos, los gatos (dispositivo), los diferentes tipos de chasis. En el aspecto económico para el ensamblaje del producto no es necesaria una gran inversión ya que los materiales se pueden encontrar fácilmente en el mercado local. Para lo cual se realizó de manera experimental las pruebas necesarias y determinar los componentes que se puedan ensamblar y crear el sistema. El cual se puede aplicar en vehículos livianos que tengan el suficiente espacio para su adaptación, como son los de tipo como por ejemplo: un Chevrolet Grand Vitara 4x2 5P así también en una camioneta Mazda doble cabina 4x2. La instalación de las gatas fue realizada en un vehículo CHEVROLET GRAND VITARA, cuyas características en su bastidor permite que el anclaje del elevador sea de forma óptima, rápida y sencilla para el funcionamiento del sistema. El principal inconveniente que tiene el sistema, es la elevación de las ruedas delanteras ya que al ser instaladas a la misma altura que el bastidor y tener un recorrido de tan solo 23 cm debido a que no cuenta la altura del gato (dispositivo) se debe hacer una instalación manual de un acople de la misma altura del gato que es de 12 cm y con eso compensar la altura perdida por la instalación.

PALABRAS CLAVES: Sistema de gatas automáticas

independientes.

the components used to create the system. The design of an independent car jack for each tire in a light vehicle, by driving electric motors, is given by the need to improve the comfort, safety and speed for the driver at the moment of replace a broken tire. From a technical and economic standpoint, this project is feasible, in terms of technically can a sort of information about operating electric motors, car jack (device), different types of chassis in the economic aspect for assembly product is not necessary a great investment because the materials can be easily found on the local market. For that reason it was performed experimentally the necessary tests and determine the components that can be assembled and create the system. Which can be applied in light vehicles that have enough space for its adaptation, such as in: a Chevrolet Grand Vitara 4x2 5D, as well as in a double cabin 4x2 Mazda van. The installation of this device was performed in a Chevrolet vehicle Vitara, whose characteristics in the frame allows the anchoring of the elevator is optimum, quick and easy to shape system performance. The main drawback of the system is the elevation of the front wheels, because when they have being installed at the same height as the frame only have a distance of 23 cm because it does not have the height of the car jack (device), we must do a manual installation of a coupling of the same height of the jack that is 12 cm and then compensate for the lost height for the installation.

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.

f:__________________________________________ MOYA ORTEGA ENRIQUE BLADIMIR

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, ENRIQUE BLADIMIR MOYA ORTEGA, CI 1722000641 autor del proyecto titulado:

Diseño e implementación de un sistema de gatas automáticas independientes para cada neumático de un vehículo, mediante el accionamiento de motores eléctricosprevio a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO APARECE EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO 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, 28 de Julio del 2016

f:__________________________________________ MOYA ORTEGA ENRIQUE BLADIMIR

DECLARACIÓN

Yo, ENRIQUE BLADIMIR MOYA ORTEGA 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.

_________________________ Enrique Bladimir Moya Ortega

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación de un sistema de gatas automáticas independientes para cada neumático de un vehículo, mediante el accionamiento de motores eléctricos”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz

fue desarrollado por Enrique Bladimir Moya Ortega, 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. Simón Hidalgo

DIRECTOR DELTRABAJO

DEDICATORIA

La presente tesis la dedico a mi esposa con mucho amor, ya que ha sido un soporte fundamental en todo este tiempo por su sacrificio, esfuerzo y por darme el aliento necesario para terminar con el trabajo.

A mi hija quien es mi motivación para poder superarme día a día y poderle brindar un futuro lleno de esperanza y posibilidades, un futuro mejor.

A mis padres y hermanos quienes con sus palabras de aliento y su indudable apoyo, por brindarme confianza y fuerza para no decaer y lograr mis objetivos.

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar quiero agradecer a Dios por darme la hermosa familia que tengo y la oportunidad de ingresar a tan prestigiosa institución como lo es la Universidad Tecnológica Equinoccial.

En una mención especial quiero agradecer a mi hermana Elizabeth quien fue la persona que confió en mí y me dio todo su apoyo incondicional para que pudiera realizar mis estudios superiores. De todo corazón mil gracias hermana.

También quiero agradecer a mi esposa Pamela quien fue el motor que me impulso a seguir adelante y no darme por vencido. Gracias mi amor.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ix

ABSTRACT x

1. INTRODUCCIÓN 1

2. MARCO TEÓRICO 4

2.1. GATO (MECANISMO DE ELEVACIÓN) 4

2.1.1. GATOS MECÁNICOS 4

2.1.2. GATOS HIDRÁULICOS 5

2.2. MOTORES ELÉCTRICOS 7

2.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS 8

2.2.2. PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR ELÉCTRICO 9

2.2.3. PRINCIPO DE FUNCIONAMIENTO 10

2.2.4. CAMBIO DE SENTIDO DE GIRO 11

2.3. SISTEMA DE ENGRANAJE 11

2.3.2. RELACIÓN DE TRANSMISIÓN 12

2.4. CIRCUITO ELÉCTRICO 13

2.4.1. PARTES DEL CIRCUITO ELECTRICO 13

2.4.1.1. Generadores 13

2.4.1.2. Receptores 14

2.4.1.3. Conductores 14

2.4.1.4. Elemento de accionamiento y protección 14

2.4.2. CIRCUITO EN SERIE 14

2.4.3. CIRCUITO EN PARALELO 15

2.5. INTERRUPTOR Y PULSADOR 15

2.5.1. INTERRUPTOR 15

2.5.2. PULSADOR 15

ii

2.7. PROTECCIÓN DE CIRCUITOS 16

2.8. SOLDADURA ELÉCTRICA 18

2.8.1. SOLDADURA POR ARCO CON ELECTRODOS REVESTIDO 18

2.8.2.1. Con electrodo refractario (método TIG). 20

2.8.2.2. Con electrodo consumible suelda MIG y MAG 20

2.8.3. SOLDADURA POR RESISTENCIA ELÉCTRICA 21

2.9. CARROCERÍAS 22

2.9.1. CHASIS Y CARROCERÍA DESMONTABLE 22

2.9.2. CARROCERÍAS AUTOPORTANTE (CHASIS COMPACTO) 23

2.10. ESFUERZO Y RESISTENCIA 23

2.10.1. FUERZA CORTANTE Y MOMENTOS FLEXIONANTES EN VIGAS 24

2.10.2. ESFUERZOS UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDOS 25

2.10.3. FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD 27

2.10.4. UNIONES CALCULO DE RIGIDEZ 29

3. METODOLOGÍA 33

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN 36

4.1. INVESTIGACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE

GATAS 36

4.2. DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES PARA LA

CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE GATAS 37

4.2.1 DISEÑO DE TORNILLO DE POTENCIA PARA LA GATA 37

4.2.2 SELECCIÓN DE SISTEMA MOTRIZ. 50

4.2.1. PERNOS FIJACIÓN LATERAL DE ÁNGULO 72

4.3. PERNOS FIJACIÓN DE PLACA APOYO A GATA / PERNO 74

4.4. PLACA DE APOYO. 78

4.4.1. ESFUERZO DE FLEXIÓN EN PLATINAS POSTERIORES 79

4.4.2. SOPORTE PARA BASE DE GATA DELANTERA 84

4.4. INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE GATAS AUTOMÁTICAS ENUN

VEHÍCULO LIVIANO 88

iii

4.6. PRUEBAS DE LEVANTAMIENTO 93

4.7. PRUEBA DEL SISTEMA ELÉCTRICO 93

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 95

5.1. CONCLUSIONES 95

5.2. RECOMENDACIONES 95

BIBLIOGRAFÍA 97

iv

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Designación de los fusibles por colores. 17

Tabla 2. Características de los electrodos 19

Tabla 3.Componentes del sistema de gatas automáticas 37

Tabla 4.Valores de diámetro de tornillo, paso, diámetro de paso y

diámetro de raíz 39

Tabla 5.Longitud de tuerca LT en mm. 40

Tabla 6.Torque de subida, torque de bajada y diámetro de collarín 41

Tabla 7.Esfuerzos en el tornillo y en la tuerca en MPa. 42

Tabla 8.Esfuerzo de Von Misses en MPa. 43

Tabla 9.Esfuerzos principales en el tornillo en MPa. 43

Tabla 10. Esfuerzo cortante máximo en la raíz de la rosca en MPa. 44

Tabla 11. Sy del material del tornillo en MPa y factor de seguridad del

cuerpo del tornillo 45

Tabla 12.Factor de seguridad de flexión en el filete de tornillo y tuerca 45

Tabla 13.Esfuerzo cortante en MPa y factor de seguridad en la tuerca. 46

Tabla 14.Estado de esfuerzos medio y alternativo en el tornillo en MPa 46

Tabla 15.Esfuerzos de fatiga 47

Tabla 16.Esfuerzos medio y alternativo de fatiga en MPa 48

Tabla 17.Resultados de esfuerzo de fatiga Se en MPa y factor de

seguridad 50

Tabla 18.Diámetro de paso dp y diámetro de adendo da 55 Tabla 19.Fuerza transmitida Wt_{, y torque T}

R transmitido por cada

engranaje 57

Tabla 20.Valores tabulados para determinación de KM, YN, QV 63 Tabla 21.Valores tabulados de KO, KV, KS, KM, KB, F (plg) y J 64 Tabla 22.Valores calculados de esfuerzo de flexión , esfuerzo

permisible y factor de seguridad por flexión 64

v

Tabla 24. Calculo de factor de seguridad para diferentes espesores de

platinas 81

Tabla 25.Valores de factor de seguridad para diferentes espesores en

platinas delanteras 83

Tabla 26. Valores de factor de seguridad para diferentes espesores en

acoples en cara horizontal 86

Tabla 27. Valores de factor de seguridad para diferentes espesores en

vi

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Gato mecánico 5

Figura 2. Tornillo y Husillo de gatas mecánicas 5

Figura 3. Esquema de principio de funcionamiento gata hidráulica 6

Figura 4. Árbol genealógico de los motores eléctrico 9

Figura 5. Despiece de un motor eléctrico 10

Figura 6. Movimiento de rotación de un motor eléctrico 10

Figura 7.Sistema de engranajes 11

Figura 8.Esquema de relación de transmisión 12

Figura 9. Esquema de un circuito eléctrico 13

Figura 10. Esquema eléctrico de un circuito accionado por un pulsador 16

Figura 11. Partes del relé 16

Figura 12. Esquema eléctrico de un fusible 17

Figura 13. Esquema de suelda TIG 20

Figura 14. Esquema de suelda MIG 21

Figura 15. Esquema de suelda por resistencia eléctrica 21

Figura 16. Chasis y carrocería desmontable 23

Figura 17. Carrocería autoportante o compacta 23

Figura 18. Esquema de fuerzas que actúan en una viga 24

Figura 19. Esquema de fuerza cortante 25

Figura 20.Distribución de esfuerzo 26

Figura 21.Sección en corte a través de una unión atornillada en tensión 29

Figura 22.Esquema de dimensiones de tornillo de potencia 38

Figura 23.Factor de concentración de esfuerzos 47

Figura 24.Factor de modificación de la condición superficial 49

Figura 25.Factor de confiabilidad 50

Figura 26.Motor eléctrico DC 51

Figura 27.Esquema de tren de engranajes planteado 52

Figura 28. Diagrama de cuerpo libre de un engranaje. 56

vii

Figura 30. Factor dinámico 59

Figura 31. Determinación de S1 y S 60

Figura 32. Determinación de A, B y C para Cma. 60

Figura 33. Factor geométrico de resistencia a flexión J 61

Figura 34.Resistencia a la flexión aplicada de manera repetida a 107 _y

confiabilidad de 0,99 para engranes de acero 62

Figura 35.Factor de confiabilidad KR 62

Figura 36.Factor de ciclo de esfuerzo YN 63

Figura 37.Coeficiente elástico Cp 65

Figura 38.Resistencia de contacto SC 66

Figura 39.Factor de ciclo de esfuerzos ZN 66

Figura 40.Esquema de tren de engranaje con dimensiones de caja

reductora. 68

Figura 41. Número de ruedas dentadas y número de dientes de cada

una de las ruedas 70

Figura 42. Distancia que es el paso y la altura del hilo 71

Figura 43. Esquema de fijación de las platinas en la parte posterior 79

Figura 44.Esquema de platina posterior 81

Figura 45.Esquema de aplicación de peso en platinas delanteras 82

Figura 46. Esquema de platinas delanteras 84

Figura 47.Esquema de soporte para base en gata delantera 84

Figura 48. Fijación de la gata en la parte posterior. 89

Figura 49.Soldadura de la platina delantera. 90

Figura 50.Platina de fijación delantera. 90

Figura 51.U de paquetes. 91

Figura 52.Levantamiento de la rueda posterior LH mediante el

accionamiento del sistema. 91

viii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA ANEXO 1 característica de los gatos eléctricos según el. ... 99

ANEXO 2. Dimensiones y capacidades de un vehículo chevrolet grand vitara 100

ANEXO 3. Tabla de de grados sae de aceros para sujetadores 102

ANEXO 4 Tabla de algunos de los aceros estructurales permitidos por las nsr-98 ....103

ANEXO 5 Vehículo chevrolet grand vitara. 104

ANEXO 6 Elevación de una rueda en vehículo lifan 320 105

ANEXO 7 Conexión eléctrica de los botones pulsadores 106

ANEXO 8 Botones pulsadores 107

ANEXO 9 Relés de control de los gatos (dispositivos) 108

ANEXO 10 Conector eléctrico de los motores eléctricos...109

ANEXO 11 fijación de gato de elevación en la parte posterior. 110

ANEXO 12 Desplazamiento del gato al piso. ...111

ix

RESUMEN

x

ABSTRACT

1

1. INTRODUCCIÓN

El diseño e implementación de un sistema de gatas automáticas independientes para cada neumático en un vehículo liviano, mediante el accionamiento de motores eléctricos, se da por la necesidad de miles de usuarios que no pueden utilizar una gata mecánica o hidráulica, a su vez para facilitar de manera rápida y cómoda el cambio de un neumático.

En el mercado local existen varios tipos de gatas entre ellas las gatas mecánicas de tipo tijera, gatas eléctricas, gatas hidráulicas. Estos tipos de dispositivos pueden ser portátiles y están incluidos en los vehículos. También se puede observar un tipo de mecanismo de elevación automático en vehículos pesados y maquinaria pesada, en estos vehículos el dispositivo trabaja a través de fluido hidráulico y son grandes y robustos los cuales son comunes en retroexcavadoras, vehículos con grúa, ya que en estos vehículos también les permite la fijación y estabilidad al momento del manejo de los mismos y la elevación de cargas así también les da la opción de levantar las ruedas donde se encuentren ubicados los puntos de apoyo . Este sistema propuesto está enfocado en vehículos livianos para mejorar el confort ya que en casos emergentes como el más común que es el tener que remplazar un neumático averiado a mitad de camino y tener que colocar la gata en el chasis del mismo, muchas veces se debe tomar posturas incomodas en el camino para realizar el trabajo. Es más óptimo y cómodo pulsar un botón para levantar el vehículo y realizar el trabajo de remplazar el neumático.

2 Este sistema constituye en fusionar las gatas mecánicas las cuales son accionadas por el usuario en formas de manivela, y motores eléctricos que permitirán el levantamiento del automóvil de forma automática.

En el mercado automotriz ecuatoriano existe un gran porcentaje de mujeres y hombres que son dueños(as) y utilizan automóviles, las cuales muchas de ellas no conocen como colocar una gata en el vehículo y ese es uno de los factores de molestia e incomodidad por no poder solucionar el problema. Este sistema brinda la oportunidad de resolver esa necesidad al suspender el vehículo de una manera segura, cómoda y rápida para que puedan realizar ese trabajo de la manera eficiente.

El incremento de personas que deciden tener un vehículo propio y el desconocimiento de la manera apropiada de utilizar un mecanismo de elevación en el caso de reemplazar un neumático averiado, esto conlleva al planteamiento de la siguiente pregunta ¿Se puede mejorar el confort, la seguridad y reducir el tiempo del usuario cuando en un evento circunstancial se presente el remplazo del neumático o el levantamiento del vehículo?

La investigación se realiza tomando en cuenta la oportunidad de generar un producto nuevo e innovador que permita al usuario de un automóvil sentir comodidad en momento que se genera la necesidad de levantar el vehículo con un neumático sin aire.

El sistema de gatas automática facilitara al usuario el cambio de un neumático brindando seguridad y comodidad, incluso la reducción del tiempo al realizar la tarea.

Los objetivos de realizar este trabajo, es para que la persona que no saben utilizar una gata, tengan la oportunidad de solucionar el gran inconveniente de elevar el vehículo para el cambio de un neumático averiado brindando un trabajo en poco tiempo, fácil y con la seguridad que se requiere para realizar el trabajo.

3

 Investigar el funcionamiento del sistema de gatas automáticas, los procedimientos de mecanizado e incorporación para un sistema de elevación automática.

 Seleccionar los componentes para la implementación del sistema de gatas automáticas independientes para un vehículo liviano, realizando los cálculos pertinentes para el diseño.

 Implementar el sistema de gatas automáticas en un vehículo liviano.

4

2. MARCO TEÓRICO

Para la realizar el sistema de gatas automática para cada neumático mediante el accionamiento de motores eléctricos es necesario conocer los conceptos básicos y el funcionamiento de los elementos principales que componen el mismo.

El ensamblaje de estos elementos permitirá que cuando se genere la necesidad de levantar un vehículo sea de una manera cómoda, fácil, segura y rápida.

2.1. GATO (MECANISMO DE ELEVACIÓN)

El gato es un mecanismo que permite elevar una carga, el accionamiento de este mecanismo puede ser a través de una palanca, manivela o que sea una máquina asistida por un motor eléctrico o un compresor.

Según su principio de funcionamiento se puede encontrar de dos tipos:

 Gatos mecánicos

 Gatos hidráulicos

2.1.1. GATOS MECÁNICOS

Estos mecanismos son más utilizados para elevar cargas relativamente pequeñas como es el caso de los vehículos, estos elementos son accionados por una manivela o por motores eléctricos. Son adecuadas para uso ocasional como es el caso de los automóviles para remplazar un neumático en caso de avería (Roca, 2005).

5

Figura 1. Gato mecánico

Por el accionamiento de una manivela la cual se acopla al tornillo que recorre través de un husillo las tuercas de los extremos se van juntando cuando se gira en sentido horario para que la gata gane altitud y permita levantar el vehículo. Al girar en sentido contrario las tuercas se alejan para que la gata pierda altitud y se compacte. El esquema de funcionamiento se puede observar en la figura 2.

Figura 2. Tornillo y Husillo de gatas mecánicas

2.1.2. GATOS HIDRÁULICOS

6 El funcionamiento del gato hidráulico responde al principio de Pascal, que dice la presión aplicada a un fluido encerrado en un recipiente se transmite a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente sin reducir la presión. En el caso de un líquido que tiene como característica el ser incompresible la presión se transmite de forma instantánea a todos los puntos (Jerry D., 2003).

Es un dispositivo con una forma sencilla, tiene dos émbolos diseñados en forma de "U", uno de sección muy pequeña en el que se aplica la presión al fluido mediante una palanca o una bomba, y el otro de sección muy grande donde se coloca la carga que se quiere elevar. La clave del funcionamiento son las válvulas de una dirección, que permiten el paso del fluido en un solo sentido. De esta manera cuando se acciona el pistón pequeño, una válvula permite el paso del líquido hacia el pistón mayor pero no su retorno. De igual manera la segunda válvula permite la entrada del fluido desde un depósito hacia el émbolo pequeño cuando se alza la palanca, quedando listo el dispositivo para un nuevo ciclo de trabajo (Mott, 2006).

En la figura 3 se puede observar el esquema de funcionamiento de los gatos hidraulicos en el cual en F1 se aplica la presion y en F0 se transmite la presion aplicada en el punto 1.

7

2.2. MOTORES ELÉCTRICOS

Los motores eléctricos son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

En el campo de accionamiento industrial se calcula que del 70% al 80% de la energía eléctrica consumida por los motores se transforma en energía mecánica. Para el proceso de selección de un accionamiento eléctrico corresponde a la elección de un motor industrialmente disponible que pueda cumplir los siguientes requisitos.

 Fuente de alimentación.- tipo, tensión, frecuencia, simetría, equilibrio, etc.

 Condiciones ambientales.- agresividad, peligrosidad, altitud, temperatura, etc.

 Exigencia de carga y condiciones de servicio.- potencia solicitada, velocidad angular, esfuerzo mecánico, configuración física, par motor requerido, ciclo de operación, fiabilidad, etc. (Lobosco, 1989).

Un motor eléctrico es un componente que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos magnéticos variables, los motores eléctricos se componen en dos partes fundamentales una fija con el nombre de estator y una móvil con el nombre de rotor estos son los elementos necesarios en un motor eléctrico.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica que funciona como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción son usados a menudo en automóviles para proveer energía recargando la batería como lo es el alternador (Gilberto, 2004).

8

2.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Estos funcionan generalmente bajo los principios de magnetismo.Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (CC), y por fuentes de corriente alterna (CA) y según el número de fases en Monofásicos, Polifásicos y Universales.

La corriente directa o corriente continua proviene de las baterías, los paneles solares, dínamos, fuentes de alimentación instaladas en el interior de los aparatos que operan con estos motores y con rectificadores. La corriente alterna puede tomarse para su uso en motores eléctricos bien sea directamente de la red eléctrica, alternadores de las plantas eléctricas de emergencia y otras fuentes de corriente alterna bifásica o trifásica como los inversores de potencia.

Los motores eléctricos de corriente alternase pueden clasificar por su velocidad de giro en motores asíncronos y motores síncronos los cuales se definen de la siguiente manera.

Son considerados motores asíncronos cuando la velocidad del campo magnético que se genera por el estator es superior a la velocidad de giro del rotor.

Los motores que tienen igual velocidad entre el campo magnético y el giro del rotor son considerados motores síncronos.

Los motores de corriente continua se clasifica dependiendo del bobinado del inductor y del inducido que pueden ser en:

 De excitación en serie

 De excitación en paralelo

 De excitación compuesta

9

Figura 4. Árbol genealógico de los motores eléctrico (Lobosco, 1989)

2.2.2. PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR ELÉCTRICO

Los motores eléctricos se hallan formados por varios elementos, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes.

10

Figura 5. Despiece de un motor eléctrico (Santamaría, 2009)

2.2.3. PRINCIPO DE FUNCIONAMIENTO

Los motores eléctricos trabajan por magnetismo, esto se da por la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son los sectores donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Para que funcione un motor se sirve de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. Por lo tanto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, por lo que los polos magnéticos iguales se rechazan, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación. En la figura 6se muestra como se produce el movimiento de rotación en un motor eléctrico.

11

2.2.4. CAMBIO DE SENTIDO DE GIRO

El cambio de giro en los motores eléctricos se puede dar de distinta manera siendo así para que los motores eléctricos puedan efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

 Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con relés conmutadores

 Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.

 Para motores de corriente alterna es necesario invertir los contactos del par de arranque (Santamaría, 2009).

2.3. SISTEMA DE ENGRANAJE

El engranaje es el mecanismo que permite transmitir el movimiento de un componente a otro dentro de una máquina. Este está compuesto por ruedas dentadas, de las cuales la de mayor diámetro de denomina “corona” y la de menor “piñón”.

La rueda dentada que está conectada a la fuente de energía es el engranaje motor y la otra está conectada al eje de salida el cual recibe el movimiento del eje motor se le denomina como engranaje conducido como se puede ver en la figura 7 el esquema del sistema de engranajes. Si el sistema se compone por más de un par de ruedas dentadas se le denomina tren de transmisión.

12

2.3.2. RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

Es la relación de velocidades de rotación de dos engranajes conectados entre sí, uno de ellos va a transmitir el movimiento ejerciendo una fuerza sobre el otro, la relación de transmisión se produce por la diferencia entre el diámetro de las ruedas dentadas ya que dependiendo del diámetro y número de dientes se puede obtener distintas velocidades de rotación diferentes. Al cambiar la relación de transmisión se modifica el par de fuerza del motor, esta relación debe permitir que el engranaje motor sea capaz de vencer la inercia del otro conjunto de piñones, en la figura 8 se puede observar la relación en tamaño que tiene el eje conductor sobre el eje conducido. El eje conducto es de menor tamaño con relación al eje conducido de esta manera se logra vencer la inercia con mayor facilidad y aumentar el par motor.

Figura 8. Esquema de relación de transmisión

Para calcular la relación de transmisión se puede realizar la siguiente formula (García, 2014).

=

Dónde:

T: Es la relación de transmisión

Z1: Es el número de dientes del engranaje de entrada

13

2.4. CIRCUITO ELÉCTRICO

Se llama circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos o electrónicos, tales como resistencias, inductancias, condensadores, fuentes, y/o dispositivos electrónicos semiconductores, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales electrónicas o eléctricas (Gil H. , 2002).

2.4.1. PARTES DEL CIRCUITO ELECTRICO

Para determinar el funcionamiento de un circuito eléctrico es importante conocer o determinar las partes de los circuitos eléctricos. Estos constan de un generador, receptor, conductores, elementos de accionamiento y elementos de protección, como se puede observar en la figura 9 el esquema del circuito eléctrico.

Figura 9. Esquema de un circuito eléctrico (Álvarez et al. 2007).

2.4.1.1. Generadores

14 Así también los dinamos y alternadores que son los que producen en la actualidad más de 95% de la energía eléctrica mundial.

2.4.1.2. Receptores

Es un elemento pasivo que recibe la energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía, como por ejemplo la energía térmica que en el calor que produce las resistencias, la energía luminosa que es el que produce las lámparas eléctricas y la energía mecánica que es la fuerza motriz que producen los motores.

Los receptores son de naturaleza resistiva (resistencias), inductiva (bobinas de autoinducción) y capacitiva (condensadores).

2.4.1.3. Conductores

Son elementos pasivos que unen los generadores con los receptores y a través de los cuales se transportan las cargas eléctricas. En el análisis de circuitos se considera conductores ideales sin que ofrezcan ninguna dificultad al paso de la corriente eléctrica y de los casos reales de transporte se presenta su resistencia concentrada en un solo punto como parámetro de un elemento pasivo. Es el caso más importante a la hora de dimensionarlos.

2.4.1.4. Elemento de accionamiento y protección

Todo circuito eléctrico debe tener los adecuados elementos de accionamiento, maniobra y protección que permita gobernar la intensidad de corriente con la mayor eficacia y seguridad posible para las personas, animales e instalaciones (Álvarezet al, 2007).

2.4.2. CIRCUITO EN SERIE

15

2.4.3. CIRCUITO EN PARALELO

En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad, en una derivación paralela, esto garantiza que al dañarse uno de los dispositivos el resto trabaje con normalidad.

2.5. INTERRUPTOR Y PULSADOR

Son dispositivos eléctricos utilizados para abrir o cerrar el circuito. Estos elementos son de accionamiento manual por cuanto su activación está directamente relacionada con la intervención de una persona o usuario para la activación del sistema eléctrico.

2.5.1. INTERRUPTOR

El interruptor es un dispositivo eléctrico que permite el accionamiento manual para abrir o cerrar un circuito eléctrico de forma permanente, dependiendo de su uso o las necesidades propias se puede encontrar interruptores de varios tipos como son: Interruptores simples, conmutados, selectores dobles, selectores triples, rotativos, de palanca, de pedal, de tirador, etc.

2.5.2. PULSADOR

16

Figura 10. Esquema eléctrico de un circuito accionado por un pulsador

2.6 RELÉ

El relé es un dispositivo electromagnético el cual funciona como un interruptor por medio de una bobina y un electroimán, al ser accionado permitirá abrir o cerrar un circuito independiente. El relé está formado por un núcleo compuesto de hierro dulce el cual está recubierto de hilo de cobre, al aplicar un voltaje a la bobina se genera un campo magnético esto provoca que los contactos se conecten los mismos que actual como un interruptor permitiendo que la corriente circule entre los puntos que cerraron el circuito. A continuación en la figura 11 se presenta un esquema de las partes principales de un relé.

Figura 11. Partes del relé

2.7. PROTECCIÓN DE CIRCUITOS

17 fusible averiado trabaje normalmente el sistema. Los fusibles son elementos indispensables como método de protección en los circuitos eléctricos de corriente continua. Los fusibles están compuestos por un conductor de menor sección que el resto del conductor, de tal manera que la sección del fusible es siempre menor pero suficiente para permitir el paso de la energía para que el circuito funcione con normalidad (Domínguez, 2016).

A continuación se observa en la figura 12 el esquema eléctrico de un fusible.

Figura 12. Esquema eléctrico de un fusible

En el mercado actual se puede encontrar fusibles dependiendo de las necesidades que genere el circuito eléctrico, estos se puede identificar mediante colores según el amperaje que soporte cada fusible. Es importante conocer la designación de los fusibles enchufable por colores como muestra la Tabla 1 ya que se puede determinar rápidamente y con seguridad el tipo de fusible que se necesite según el color que tiene el mismo.

Tabla 1. Designación de los fusibles por colores.

Intensidad en A Color del fusible

3 Violeta

4 Rosa

5 Beige

7.5 Marrón

10 Rojo

15 Azul

20 Amarillo

25 Blanco

18

2.8. SOLDADURA ELÉCTRICA

La soldadura es en una técnica imprescindible para el crecimiento de nuestra industria. En la actualidad es uno de los principales campos o medios de fabricación y reparación de productos metálicos. Es casi imposible citar una industria que no utilice algún tipo de soldadura ya que es un método eficiente seguro y económico para la unión de metales. (Gianchino, 2007)

2.8.1. SOLDADURA POR ARCO CON ELECTRODOS REVESTIDO

La característica más importante de la soldadura con electrodos revestidos, es que el arco eléctrico se produce entre la pieza y un electrodo metálico recubierto. El recubrimiento protege el interior del electrodo hasta el momento de la fusión. Con el calor del arco, el extremo del electrodo se funde y se quema el recubrimiento, de modo que se obtiene la atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido desde el núcleo del electrodo hasta el baño de fusión en el material base.

Un electrodo es una varilla metálica, de composición similar al metal a soldar con un material que recubre a la varilla llamado revestimiento. Cuando se aplica una corriente a través del circuito, se genera un arco eléctrico entre el extremo del electrodo y la pieza, este arco realiza la fusión del electrodo el metal base y da lugar al cordón de soldadura que permite la unión entre los metales.

Existen electrodos para soldar con corriente continua y corriente alterna, así también electrodos que se puede soldar con los dos tipos de corriente. En la familia de los electrodos se diferencia por el tipo de composición del material a soldar y para determinada posiciones. (Gianchino, 2007)

19 que se va a realizar como se presenta en la Tabla 2 se puede escoger un electrodo según las características de los electrodos.

Tabla 2. Características de los electrodos TIPO

C CLASIFICACIO N SEGÚN AWS

TIPO DE CORRIENTE

POSICIONE S

RESUNTADOS DE A SODADURA Aceros

ordinarios E-6010 CC+ H, V, C, T

Gota caliente, buena penetración, cordón plano

E-6011 CC+, CA H, V, C, T cualquier trabajo de soldadura E-6012 CC-, CA H, V, C, T gota fría, pequeña penetración,

para penetración no muy buena, buen contorno de cordón, pocas proyección

E-6013

CC-, CC+,

CA H, C, C, T E-6014 CC-, CA H, V, C, T

E-6020

CC+, CC-,

CA H, C, buen rendimiento, grandes rellenos

E-6024

CC+, CC-,

CA H, C,

E-6027

CC+, CC-,

CA H, C,

polvo de hierro, gran aportación, buena penetración

E-7014

CC+, CC-,

CA H, V, C, T

polvo de hierro, baja penetración, gran velocidad

E-7024

CC+, CC-,

CA H, C,

polvo de hierro, gran aportación, pasa de simple o múltiple

bajo hidrogeno

E-7016 CC+, CA H, V, C, T _{soldeo de arco con elevado S o} elevado C, aceros sensibles a las fisuras so a porosidad

E-7018 CC+, CA H, V, C, T E-7028 CC+, CA H, C, SIGLAS DESCRIPCION

CC+ Corriente continua polaridad inversa

CC- Corriente continua polaridad directa

CA Corriente alterna

H Horizontal,

V Vertical

C Cornisa,

T Techo

20

2.8.2. SOLDADURA POR ARCO EN ATMÓSFERA INERTE

Este procedimiento se basa en aislar el arco y el metal fundido de la atmósfera, mediante un gas inerte (helio, argón, hidrógeno, anhídrido carbónico, etc.).

2.8.2.1. Con electrodo refractario (método TIG).

Este tipo de suelda, genera el arco entre el electrodo de Wolframio o tungsteno el cual no se consume y el metal de aportación es una varilla sin revestimiento de composición similar a la del metal base la cual se va a soldar como se puede observar en la figura 13 el esquema de suelda TIG.

Figura 13. Esquema de suelda TIG 2.8.2.2. Con electrodo consumible suelda MIG y MAG

21 En la figura 14 se presenta el esquema de soldadura MIG, donde se puede apreciar los principales componentes que intervienen en este proceso de suelda.

1. Dirección de la soldadura 2. Tubo de contacto

3. Hilo

4. Atmósfera de gas protector 5. Baño de fusión

6. Cordón de soldadura 7. Metal de base.

Figura 14. Esquema de suelda MIG (Gianchino, 2007)

2.8.3. SOLDADURA POR RESISTENCIA ELÉCTRICA

Este tipo de suelda se basa en el efecto Joule: el calentamiento es producido cuando pasa una corriente eléctrica a través de la unión de las piezas. Las piezas generalmente quedan soldadas por pequeñas partes circulares aisladas y regularmente específicas que debido a su pequeña sección de suelda se llama suelda por puntos. Las piezas que se desea unir se sujetan por medio de los electrodos, a través de ellos se hace pasar la corriente eléctrica para que funda los puntos. La pieza queda unida por estos puntos, cuyo número dependerá de las aplicaciones y del tamaño de las piezas que se unen como se puede observar en la figura 15.

22 Este tipo de soldadura por puntos es de gran ayuda y tiene gran importancia en la industria automotriz moderna, sobre todo en chapa fina. Se emplea en la fabricación de carrocerías de automóviles, y en otras industrias como electrodomésticos por ejemplo, neveras, y en la industria eléctrica y de juguetería.

2.9. CARROCERÍAS

Se considera que es un conjunto de elementos integrados por una estructura interna, que aporta una rigidez necesaria y un revestimiento externo, que cierra el conjunto y su configuración física.

En su interior esta acondicionado espacios para los pasajeros, los componentes mecánicos del vehículo que incluye elementos de confort y seguridad además de un portaequipaje.

Las características de resistencia y peso, dependen de la configuración que la carrocería puede adoptar. Existen dos tipos básicos de carrocería.

2.9.1. CHASIS Y CARROCERÍA DESMONTABLE

Chasis y carrocería desmontable o independiente se trata de carrocerías que se monta en un chasis independiente. Este tipo de chasis se emplea en vehículos que deben soportar grandes esfuerzos o cargas como son: todoterreno, la mayoría de camionetas, camiones, remolques.

El chasis está compuesto por una estructura de gran resistencia llamado bastidor sobre él está montado el motor, la suspensión, el sistema de dirección, los frenos y las ruedas.

Es bastidor es una estructura constituida por una estructura de vigas y largueros dispuestos a lo largo del vehículo unidos por travesaños los cuales pueden estar fijos mediante soldadura, atornillados o remachados de manera trasversal o diagonal.

23

Figura 16. Chasis y carrocería desmontable (Jiménez, 2014).

2.9.2. CARROCERÍAS AUTOPORTANTE (CHASIS COMPACTO)

Es una estructura más sencilla y compacta que la anterior, diseñada para vehículos que no necesitan ser sometidos a grandes esfuerzos, esta carrocería esta mayormente presente en vehículos de tipo turismo.

Estas carrocerías están formadas por una estructura reforzada capaz de albergar todos los espacios y elementos necesarios de vehículo sin utilizar un bastidor ya que cuenta con la rigidez necesaria para soportar esfuerzos producidos durante el movimiento del vehículo y los esfuerzos mecánicos. Este tipo de carrocerías provee de mayor seguridad a los ocupantes mediante el diseño de una estructura metálica llamada célula de seguridad con referente al habitáculo de pasajeros como se puede notar en otro color en la figura 17 el esquema de la carrocería autoportante.

Figura 17. Carrocería autoportante o compacta (García et al, 2014)

2.10. ESFUERZO Y RESISTENCIA

24 Varios procesos de trabajo en metales y tratamiento térmico, como el forjado, el laminado y el formado en frío, causan variaciones en la resistencia de punto a punto en toda la parte. (Nisbeth, 2008)

Los materiales presentan las siguientes resistencias, estos datos son dados por el fabricante según la calidad del material.

Sut: Resistencia a la ruptura

Sp: Resistencia de prueba

Sy: Resistencia a la fluencia

El esfuerzo es una propiedad de estado en un punto específico dentro de un cuerpo, la cual es una función de la carga, la geometría, la temperatura y el proceso de manufactura. En un curso elemental de mecánica de materiales, se hace hincapié en el esfuerzo relacionado con la carga y la geometría con algún análisis de los esfuerzos térmicos.

Los esfuerzos normales y cortantes se identifican con las letras griegas

σ(sigma) y τ(tau), respectivamente. Si la dirección de σes saliente de la superficie se considera un esfuerzo de tensión y es un esfuerzo normal positivo. Si σ entra hacia la superficie es un esfuerzo compresivo y comúnmente se considera una cantidad negativa. En el caso de las unidades en el sistema internacional, el esfuerzo se representa en Newtons por metro cuadrado (N/m2); 1 N/m2 = 1 pascal (Pa). (Nisbeth, 2008)

2.10.1. FUERZA CORTANTE Y MOMENTOS FLEXIONANTES EN VIGAS

En la figura 18se muestra una viga que se apoya en las reacciones R1 y R2 cargada con las fuerzas concentradas F1, F2 y F3. Si la viga se corta en alguna sección localizada en el eje x = x1 y se quita la parte izquierda como en un diagrama de cuerpo libre, deben actuar una fuerza cortante interna V (Mott R. L., 2006)

25 y un momento flexionante M sobre la superficie cortada para asegurar el equilibrio en la figura 19 se puede observar la fuerza cortante se obtiene sumando las fuerzas a la izquierda de la sección cortada.

Figura 19. Esquema de fuerza cortante (Nisbeth, 2008)

El momento flexionante es la suma de los momentos de las fuerzas a la izquierda de la sección tomada respecto de un eje a través de la sección aislada. En la figura 3-3 se muestran las convenciones de signo usadas para el momento flexionante y la fuerza cortante en este libro. La fuerza cortante y el momento flexionante se relacionan mediante la ecuación (Groover, 1997)

=

Dónde:

V: Fuerza cortante interna

dM: Momento flexionante dx: Eje horizontal

2.10.2. ESFUERZOS UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDOS

Con frecuencia, en el diseño se adopta el supuesto de una distribución uniforme del esfuerzo.

26 esfuerzo uniforme significa que si se corta la barra en una sección alejada de los extremos y se remueve una parte, se puede reemplazar su efecto aplicando una fuerza uniformemente distribuida de magnitud σ A al extremo cortado. Por ello se dice que el esfuerzo σ está uniformemente distribuido y se calcula mediante la ecuación (Mott R. L., 2006)

=

Dónde:

σ: Esfuerzo

F: Fuerza

A: Área

En la figura 20 se muestra la distribución de esfuerzo, la magnitud máxima del esfuerzo en flexión ocurrirá donde ytiene la magnitud más grande como se puede observar en la figura 20 mencionada anteriormente la magnitud más grande es en C que es la magnitud desde el eje x hasta el filo del

espesor del material.(Nisbeth, 2008)

Figura 20. Distribución de esfuerzo (Nisbeth, 2008)

Si se designa σmáx como la magnitud máxima del esfuerzo en flexión y

c como la magnitud máxima de y

á =

Dónde:

σmáx: Magnitud máxima del esfuerzo en flexión

M: Momento de flexión

c: Magnitud máxima en y

27 El momento de flexión se calcula mediante la formula

=

F: Fuerza

d: Distancia

La magnitud máxima en y se calcula mediante la expresión

=

Dónde:

e: Espesor

La inercia se calcula mediante la fórmula.

=

∗

Dónde:

l: Longitud

h: Altura

2.10.3. FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD

Un enfoque general del problema de la carga permisible contra la carga de pérdida de función es el método del factor de diseño determinado, al que algunas veces se le llama método clásico de diseño, también determinístico. La ecuación fundamental en este caso, el factor se conoce como factor de seguridadη, que tiene la misma definición que el factor de diseño, pero por lo general difiere en su valor numérico(Nisbeth, 2008).

=

Dónde:

η: Factor de seguridad

S : Resistencia a la fluencia

28 Para calcular el factor de seguridad en pernos se da por la ecuación

=

Dónde:

η: Factor de seguridad

A : Área de tracción

S : Resistencia a la fluencia

F: Carga de apriete

C: Constante de rigidez

P: Carga aplicada en la junta

También se puede calcular el factor de seguridad en pernos mediante la expresión

=

−

Dónde:

:

A : Área de tracción

S : Resistencia a la fluencia

F: Carga de apriete

: Rigidez de los elementos

: Rigidez del perno

: Fuerza aplicada en el perno

Factor de seguridad de separación de la junta

=

Dónde:

N : Factor de seguridad de separación de la junta

29

F : Fuerza aplicada en el perno

k : Rigidez de los elementos

k : Rigidez del perno

2.10.4. UNIONES CALCULO DE RIGIDEZ

El agarre de una conexión consiste en el espesor total del material sujetado. Se puede tener más de dos elementos incluidos en el agarre del perno. En la figura se ilustra una sección en corte a través de una unión atornillada en tensión.

Figura 21. Sección en corte a través de una unión atornillada en tensión (Mott R. L., 2006)

Como se mencionó con anterioridad, el propósito del perno consiste en sujetar dos o más partes. Apretando la tuerca se estira el perno, y de esta manera se produce la fuerza de sujeción, que se llama pre-tensión o precarga del perno. Existe en la conexión después de que la tuerca se apretó en forma apropiada, sin importar si se ejerce o no la fuerza externa de tensión P.

En conjunto el material actúa como resortes de compresión en serie y de aquí que la relación del resorte total de los elementos. La rigidez de la parte de un perno o de un tornillo dentro de la zona de sujeción en general consistirá en dos partes, la de la parte del cuerpo sin rosca y la de la parte roscada:

30

=

,

=

Dónde:

At: área de esfuerzo sometida a tensión

lt: longitud de la parte roscada de agarre

Ad

:

ld: longitud de la parte sin rosca en agarre

E: Módulo de elasticidad del material,

También se pude expresar la rigidez del perno mediante la formula (Mott R. L., 2006)

=

Dónde.

k : Rigidez del perno

E: Modulo de elasticidad

d: Diámetro del perno

l: Longitud del perno

También se puede expresar de la siguiente manera.

=

Donde

Eb: Módulo de elasticidad del perno

L: Longitud de agarre

Para el cálculo de Rigidez de los elementos que están sujetos a fijación se

debe considerar el módulo del resorte o rigidez de los miembros de la junta

atornillada a través de las siguientes expresiones: (Nisbeth, 2008)

=

+ ,

31

=

Dónde:

k : Rigidez de los elementos

E: Módulo de elasticidad

d: Diámetro del perno

l: Longitud de agarre

A : Área de tracción

E : Módulo de elasticidad

L: Longitud del perno

Cuando no se conoce la fuerza de apriete, se determina el perno a utilizar calculando el área de tracción para pernos de diámetro menor a 3/4: (Norton, 2012)

=

⁄

Dónde:

A : Área de tracción

F : Fuerza aplicada en el perno

S : Resistencia a la fluencia

Para determinar la fuerza aplicada en el perno se utiliza la siguiente formula

(Nisbeth, 2008)

=

Dónde:

F : Fuerza aplicada en el perno

F : Fuerza aplicada en la junta η : Número de pernos

Es importante determinar la rigidez de la unión y se define C como constante de rigidez de la unión la cual se calcula a través de la formula (Nisbeth, 2008)

32 Donde

C: Constante de rigidez

k : Rigidez del perno

k : Rigidez de los elementos

En pernos es importante determinar la fuerza de apriete de prueba aplicando la formula (Nisbeth, 2008).

=

Dónde:

Fp: Carga de prueba del perno

Sp: Resistencia de prueba

At : Área de tracción del perno

La carga de apriete real Fipara juntas no removibles se da por se define por

la ecuación(Nisbeth, 2008).

,

≤

≤ ,

Dónde:

F: Carga de apriete

F : Carga de prueba del perno

Siendo la conexión reutilizable se considera el factor (Nisbeth, 2008).

= ,

Donde

S: Carga de apriete

33

3. METODOLOGÍA

El Diseño e implementación de un sistema de gatas automáticas independientes para cada neumático en un vehículo liviano mediante el accionamiento de motores eléctricos, se realizó con base en la investigación de los componentes necesarios y los tipos de chasis en el cual puede ser implementado este sistema. De acuerdo a los resultados obtenidos, se debe utilizar un tornillo de diámetro 24 mm, con paso 3 mm, rosca cuadrada, fabricado en acero SAE 1045 para satisfacer los requerimientos de carga y resistencia a esfuerzos y fatiga, puesto que el factor de seguridad mínimo que se obtiene es en el caso de fatiga, el cual es de 1,427. El conjunto de la caja reductora se determinó una relación de transmisión de 1:60 y los respectivos factores de seguridad de 8 ruedas dentadas. Se determinó un torque mínimo de 35Nm torque, la potencia necesaria de 40.11W que debe tener un motor eléctrico para el sistema. Mediante el método experimental se puede determinar que el sistema de gatas automática se puede aplicar en vehículos livianos que tengan el suficiente espacio para su adaptación, el tipo de vehículos en el que se puede instalar el sistema debe ser de chasis independiente ya que este tipo de chasis brinda las características necesarias para instalar el sistema.

Los gatos eléctricos que fueron instalados en la parte inferior de un vehículo Chevrolet Grand Vitara 4x2 5P, tienen una capacidad de carga nominal de 800 Kg y según los datos del fabricante de estos mecanismos. El vehículo tiene como peso bruto 1950 Kg en total por lo que se puede determinar mediante la distribución del peso del vehículo dividiendo el peso del vehículo para los cuatro puntos de los neumáticos, teniendo como objetivo levantar un peso promedio de 487Kg por cada punto de los neumáticos

34 cuales están conformadas por dos piezas el lado corto mide 12 cm de largo por 10 cm de ancho y el dado largo mide 24 cm de largo por 10 cm de ancho. Estas platinas se fijan al chasis por el lado más corto con pernos de 3/8”las mismas que sirven solo de soporte a los gatos debido a que el chasis del vehículo es el que va a soportar el peso del mismo al momento de la elevación. En la parte posterior para el anclaje de los gatos al vehículo se implementó una platina por lado que miden 10 cm por 20 cm, de la misma manera que las anteriores estas sirven de fijación de los gatos a la funda de transmisión posterior, estas platinas no soportan el peso del vehículo al momento de la elevación, solo son elementos de acople de las gatas al vehículo. De esta manera los cuatro gatos eléctricos son acoplados al vehículo en la parte inferior del chasis.

Para determinar la confianza en la instalación de las platinas y el anclaje de las gatas se realizó los cálculos del factor de seguridad con los que estarían trabajando cada uno de los sujetadores y las platinas de fijación. Con el cálculo de factor de seguridad se puede determinar el espesor de las platinas que se va a utilizar en la instalación, así también la seguridad que los pernos escogidos puedan soportar los esfuerzos que se genera en cada uno de los anclajes. Y no se aflojen por efecto de vibraciones.

Para el control y accionamiento independiente de los dispositivos se implementó un circuito eléctrico el cual permite controlar y regular la altura que se desea elevar de cualquiera de los neumáticos. El circuito consta de un fusible de 30 A, 8 relés, 4 switch de vidrios, 4 gatos eléctricos, 40 m de cable conductor N° 14 y material eléctrico como terminales de riel, aislante, conectores.

36

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. INVESTIGACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA

DE GATAS

Con base en las pruebas realizadas, se pudo determinar que el sistema de gatas automática se puede aplicar en vehículos livianos que tengan el suficiente espacio para su adaptación, el tipo de vehículo en el que se puede instalar el sistema debe ser de chasis independiente ya que este tipo de chasis brinda las características necesarias para instalar del sistema.

Los gatos eléctricos están instalados en la parte inferior de vehículo, es por eso que el sistema no aplica para toda clase de automóviles vehículos livianos debido al espacio, ya que si se instala el sistema en automóviles con chasis de tipo compacto no tiene el suficiente espacio para la fijación y protección de los gatos (dispositivo), los mecanismos podrían sufrir daños a circular por caminos irregulares o al pasar por un rompe velocidades muy comunes en nuestro país.

Es por eso que el sistema se puede instalar en vehículos todo terreno, camionetas, o vehículo con chasis independiente tipo bastidor como por ejemplo un Chevrolet Grand Vitara 4x2 5P así también en una camioneta Mazda doble cabina 4x2.

El sistema de gatas automáticas funciona a través de un circuito eléctrico el cual es el medio de accionamiento que tiene el usuario a las gatas, consta de pulsadores instalados en la consola central del vehículo que permite la activación independiente de cada uno de los elevadores.

37

4.2. DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES PARA LA

CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE GATAS

Con base a la investigación realizada previamente se puede determinar que los componentes necesarios para crear un sistema automatizado de gatas en vehículos livianos, para lo cual es necesario establecer los cálculos de diseños necesarios para determinar los componentes de las gatas como lo es el diámetro, el pasa, el factor de seguridad del perno de poder de la gata así también determinar la relación de trasmisión de la caja reductora y determinar el motor eléctrico el cual sirve de accionamiento de las gatas también los mecanismos de anclaje de las gatas al chasis.

Para tener en cuenta los componentes que se necesita para crear el sistema de gatas automáticas se puede visualizar a continuación se detalla en la Tabla 3, los componentes que van a ser utilizados en el sistema los cuales van a permitir el accionamiento de cada una de las gatas:

Tabla 3. Componentes del sistema de gatas automáticas

COMPONENTE CANTIDAD

Gatos eléctricos 4

Pulsadores 4

Relés 8

Fusible 30 A 1

Cable conductor 40 m

4.2.1 DISEÑO DE TORNILLO DE POTENCIA PARA LA GATA

La distribución de los componente depende directamente de la disponibilidad del espacio físico del vehículo en el cual van a ser instalados.

38 por lo que si se divide este peso para cuatro quedando lo siguiente.

Peso en promedio de levante de cada una de las gatas instaladas en el vehículo.

=

=

.

Kg

La carga que se requiere levantar será de 487,5 kg. Para propósito de diseño, se deberá considerar que el dispositivo pueda levantar un 50% adicional a la carga requerida para que el dispositivo no quede muy justo. Se procederá a diseñar el tornillo de potencia requerido.

Carga + 50% adicional: 731,25 kg Carga de diseño: 750 kg

Para conocer el diámetro de tornillo que debe usarse se procede de la siguiente manera:

a) Cálculo de la profundidad de la rosca, el ancho de rosca, el diámetro de paso, el diámetro menor y el avance.

Para rosca métrica cuadrada se obtiene el diámetro medio , diámetro menor , con las siguientes relaciones como se puede observar en la figura 22 el esquema de dimensiones de un tornillo de poder.

39 Para conocer el diámetro medio y el diámetro de raíz se aplica la siguiente formula

=

−

2

=

−

Dónde:

dm = diámetro medio

d = diámetro mayor dr= diámetro de raíz

p = paso

Aplicando la formula mencionada se logra obtener el siguientes datos que se presenta en la Tabla 4 los valores de diámetro de tornillo, paso. Diámetro de paso y diámetro de raíz a partir de la figura se obtienen los siguientes resultados

Tabla 4. Valores de diámetro de tornillo, paso, diámetro de paso y diámetro de raíz Diámetro mayor (mm) Paso (mm) Diámetro de paso (mm) Diámetro raíz (mm) Avance (mm) Profundidad

(mm) Ancho de rosca (mm)

10.00

1.50

0.75

0.75

9.25

8.50

1.50

12.00

1.75

0.88

0.88

11.13

10.25

1.75

14.00

2.00

1.00

1.00

13.00

12.00

2.00

16.00

2.00

1.00

1.00

15.00

14.00

2.00

20.00

2.50

1.25

1.25

18.75

17.50

2.50

24.00

3.00

1.50

1.50

22.50

21.00

3.00

La longitud de la tuerca requerida se obtiene con la siguiente relación:

=

Donde

= 1,8 2,5

= 2,5 3,5

Se considera una tuerca del mismo material del tornillo (acero), por tanto se

40 Por tanto aplicando la relación detallada anteriormente se obtienen las siguientes longitudes de tuerca presentada en la Tabla 5 longitudes de tuercas en mm:

Tabla 5. Longitud de tuerca LT en mm.

Diámetro mayor (mm)

Diámetro de paso (mm)

1

10.00 9.25 16.65

12.00 11.13 20.03

14.00 13.00 23.40

16.00 15.00 27.00

20.00 18.75 33.075

24.00 22.50 40.50

b) Cálculo del par de torsión necesario para elevar y bajar la carga. El par de torsión (torque) necesario para subir la carga requerida es:

=

2

+

−

+

2

El par de torsión requerido para bajar la carga es:

=

2

−

+

+

2

Dónde:

f = f

coeficiente de fricción por ser la tuerca y el tornillo ambos del mismo material. F: fuerza aplicada

d