piezoeléctricos documento final

7/25/2019 Piezoelctricos Documento Final

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INSTITUTO TECNOLGICO DE QUERTARO

Piezoelctricos: Pisando hacia el futuro

Carlos Miguel De Santiago Romero

Oscar Arturo Goo! Guerrero

"rano #u$re% Ri&era

Ingenier'a en Mecatr(nica

Agosto)Diciem*re +,-.

/+,-.0A1o el General'simo #os2 Mar'a Morelos ! 3a &(n 4

Resumen


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El gran aumento e la 5o*laci(n en el muno 6a ocasionao 7ue la emanaenerg2tica cre%ca en gran meia0 lo 7ue conlle&a a 7ue muc6os ini&iuos seen8o7uen en el estuio ! la im5lementaci(n e tecnolog'as m$s moernas 5ara lageneraci(n0 almacenamiento ! utili%aci(n e energ'as reno&a*les9 El tra*a:o 7uese 5resenta a continuaci(n se centra en el ise1o ! construcci(n e una *alosa

7ue sea ca5a% e trans8ormar la energ'a mec$nica e 5eatones a energ'ael2ctrica 7ue 5uea ser almacenaa ! 5osteriormente utili%aa como alimentaci(ne un sistema e iluminaci(n e *a:a 5otencia0 en este caso con8ormao 5orLEDs9

El ise1o e la *alosa consiste en &arias eta5as0 ese imensiones0 elesarrollo e un mecanismo0 ise1o e las 5ie%as0 6asta la selecci(n emateriales 5ara 5oer elegir el m$s con&eniente 5ara el 5ro!ecto9

La siguiente eta5a escri*e el ise1o ! esarrollo e los circuitos electr(nicos 7ue

tiene como o*:eti&o almacenar el &olta:e generao en una *ater'a9

Una &e% concluio el ise1o0 se 5asa a la eta5a e integrar la 5arte mec$nica conla 5arte electr(nica0 simular el mo&imiento ! los e8ectos 7ue tienen *uscano una*uena a5ro;imaci(n a la realia0 5ara sa*er si es un 5ro!ecto &ia*le9

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Abstract

T6e great increase in t6e


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ndice

CA3ITULO I 3RESENTACION .

-9-Introucci(n 9 9 9 9 9 9 9 ?

-9+Anteceentes 9 9 9 9 9 9 9 ?

-9@3lanteamiento el 5ro*lema 9 9 9 9 9

-9BEstao el arte 9 9 9 9 9 9 9

-9.i5(tesis 9 9 9 9 9 9 9 --

-9?O*:eti&os -+

-9?9- O*:eti&o general

-9?9+ O*:eti&os es5ec'8icos

CA3ITULO II MARCO TEORICO -@

+9-Motor a 5asos 9 9 9 9 9 9 9 -B

+9+Engranes 9 9 9 9 9 9 9 -.

+9+9- Tren e engrana:es 9 9 9 9 9 -.

+9+9+ Relaci(n e transmisi(n 9 9 9 9 -?

CA3ITULO III METODOLOGIA DISEFO -@9- 3arte mec$nica 9 9 9 9 9 9 -

@9+ 3arte el2ctrica 9 9 9 9 9 9 9 @,

CA3ITULO I ANALISIS DE RESULTADOS @.

B9- O*:eti&os alcan%aos 9 9 9 9 9 9 @?

B9+ Conclusi(n 9 9 9 9 9 9 9 @?

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CAPTULOIPREE!TACI"!

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#$# Introducci%n

Actualmente la emana energ2tica no s(lo en M2;ico sino en too el muno 6acrecio en gran meia0 lo cual es un 5ro*lema !a 7ue la manera en la 7uegeneramos la energ'a el2ctrica e5ene e la 7uema e com*usti*les 8(siles o e

car*(n mineral0 lo cual 6a estao a1ano el meio am*iente ese 6ace &ariosa1os9 Se 6a &enio *uscano la manera e generar energ'a el2ctrica 5or otrosmeios como lo sonH energ'a solar0 e(lica0 geot2rmica0 etc9

En este tra*a:o se *usca generar energ'a el2ctrica meiante una *alosa 5or lacual 5asen &arios 5eatones0 generano una 5e7ue1a cantia e energ'a caa&e% 7ue alguien la 5isa9 Esta 8orma e o*tener energ'a 5uee arse meiante osmaneras i8erentesH con materiales 5ie%oel2ctricos generan &olta:e al a5lic$rseles5resi(nJ0 o con un motor accionao meiante un mecanismo9

#$& Antecedentes

La 5ro5ieae la 5ie%oelectricia 8ue o*ser&aa 5or 5rimera &e% 5or 3ierre !

#ac7ues Curie en -- estuiano la com5resi(n el cuar%o9 Al someterlo a la

acci(n mec$nica e la com5resi(n0 las cargas e la materia se se5aran9 Esto

5ro5icia una 5olari%aci(n e la carga0 lo cual causa 7ue salten c6is5as9

3ara 7ue en la materia ocurra la 5ro5iea e la 5ie%oelectricia e*e cristali%ar

en sistemas 7ue care%can e centro e simetr'a 7ue 5osean isimetr'aJ !0 5or lo

tanto0 e e:e 5olar9 De las @+ clases cristalinas0 en +- no e;iste el centro

mencionao9 En @- e estas clases ocurre la 5ro5iea 5ie%oel2ctrica0 en ma!or o

menor meia9 Los gases0 los l'7uios! los s(lioscon simetr'a no 5oseen

5ie%oelectricia9

Si se e:erce 5resi(n en los e;tremos el e:e 5olar se 5rouce 5olari%aci(nH 8lu:o

e electronesse irige 6acia un e;tremo ! genera en 2l una carga negati&a0

mientras 7ue en el e;tremo o5uesto se inuce una carga 5ositi&a9

Cuano se utili%an l$minas e cristal estrec6as ! e gran su5er8icie0 el

alto &olta:eo*tenio Knecesario 5ara 7ue salte la c6is5aK es ma!or9 Las l$minas

estrec6as se cortan e manera 7ue el e:e 5olar cruce 5er5enicularmenteic6as

caras9

6
https://es.wikipedia.org/wiki/Propiedades_f%C3%ADsicashttps://es.wikipedia.org/wiki/Propiedades_f%C3%ADsicashttps://es.wikipedia.org/wiki/Cuarzohttps://es.wikipedia.org/wiki/Eje_de_simetr%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/Gashttps://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquidohttps://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lidohttps://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttps://es.wikipedia.org/wiki/Perpendicularhttps://es.wikipedia.org/wiki/Cuarzohttps://es.wikipedia.org/wiki/Eje_de_simetr%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/Gashttps://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquidohttps://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lidohttps://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttps://es.wikipedia.org/wiki/Perpendicularhttps://es.wikipedia.org/wiki/Propiedades_f%C3%ADsicas


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La corriente generaa es 5ro5orcional al $rea e la 5laca ! a la ra5ie% e la

&ariaci(n e la 5resi(n a5licaa ortogonalmentea la su5er8icie e la 5laca9

Otra a5licaci(n im5ortante e la 5ie%oelectricia resulta 5or cum5lirse la

5ro5iea in&ersaH

Si la 5laca e material 5ie%oel2ctrico se somete a una tensi(n &aria*le0 se

com5rime ! se rela:a0 oscilano a los im5ulsose una se1al el2ctrica9

Cuano esta 5laca est$ en contacto con un 8luio le transmite

sus &i*raciones! 5rouce ultrasonios9

La 5rimera a5licaci(n 5r$ctica e la 5ie%oelectricia0 7ue surge e la cualia e

trans8ormar una se1al mec$nica 5resi(nJ en una se1al el2ctrica corrienteel2ctricaJ0 es la el s(nar9

Al 8inal e la3rimera guerra munialse escu*ri( 7ue las onas

sonoras5roucias 5or los su*marinos5o'an ser etectaas 5or un tro%o

e cuar%osumergio en el agua0 en el 7ue se me'an las corrientes generaas !

5osi*ilita*a la etecci(n e la irecci(n 5ro&eniente el sonio9

El s(nar consta e una sona 5ie%oel2ctricoJ 7ue es un transuctor es ecirH

8unciona segn la sucesi(n e e&entos siguienteH

Emite &i*raciones 7ue 5roucen onas ultras(nicas en el agua en la

irecci(n el e:e 5olar es ecirH reci*e su eco9

El emisor se mue&e 5ara 7ue la ona emitia *arra el es5acio 6asta

locali%ar la irecci(n en 7ue se encuentra el o*st$culo9

El eco reci*io gol5ea el cristal 5ie%oel2ctrico ! 5rouce una corriente

el2ctrica9

7
https://es.wikipedia.org/wiki/Ortogonalidad_(matem%C3%A1ticas)https://es.wikipedia.org/wiki/Impulsohttps://es.wikipedia.org/wiki/Vibraci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonidohttps://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3narhttps://es.wikipedia.org/wiki/Primera_guerra_mundialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Primera_guerra_mundialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Onda_sonorahttps://es.wikipedia.org/wiki/Onda_sonorahttps://es.wikipedia.org/wiki/Submarinohttps://es.wikipedia.org/wiki/Cuarzohttps://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_piezoel%C3%A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Transductorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Ecohttps://es.wikipedia.org/wiki/Ortogonalidad_(matem%C3%A1ticas)https://es.wikipedia.org/wiki/Impulsohttps://es.wikipedia.org/wiki/Vibraci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonidohttps://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3narhttps://es.wikipedia.org/wiki/Primera_guerra_mundialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Onda_sonorahttps://es.wikipedia.org/wiki/Onda_sonorahttps://es.wikipedia.org/wiki/Submarinohttps://es.wikipedia.org/wiki/Cuarzohttps://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_piezoel%C3%A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Transductorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Eco


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Pinalmente0 el ato e la istancia a la cual se encuentra el o*st$culo 7ue

reemite un eco se o*tiene a5licano los c$lculos eri&aos e la teor'a

ele8ecto Do55ler9

Referencia: https://es.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricidad

#$' Planteamiento del Problema$

El ser 6umano re7uiere e energ'a 5ara 5oer su*sistir0 mane:ar su entorno !

5roucir *ienes9 Casi toos los ti5os e energ'a 7ue conocemos 5ro&ienen irecta

o inirectamente el sol9 3or e:em5lo0 el &iento es causao 5or la energ'a cin2tica

e la raiaci(n solar la cual 5rouce una i8erencia e 5resi(n entre las i8erenciase tem5eraturas e las masas e aire9 Los com*usti*les 8(siles o 6irocar*uros

5ro&ienen e la energ'a transmitia 5or el Sol ! el 5roceso e escom5osici(n en

ausencia e o;'geno e es5ecies &egetales0 7ue 5o*laron la tierra 6ace millones

e a1os9

Se 5ueen a*arcar os granes gru5os e 8uentes energ2ticas las cuales sonH

reno&a*les ! no reno&a*les9

La energ'a con&encional o no reno&a*le 5ro&iene e 8uentes 7ue se agotan0 como

5uee ser el uranio0 gas e !acimientos0 car*(n ! 5etr(leo9 Una &e% agotaas no

se 5ueen regenerar o taran emasiao tiem5o en 6acerlo9 Las energ'as

reno&a*les son a7uellas 7ue no se agotan0 como 5uee ser la energ'a el sol0 la

energ'a e(lica0 la energ'a 5roucia 5or la atracci(n gra&itatoria e la luna

energ'a mareomotri%J0 la energ'a e la tierra energ'a geot2rmicaJ0 etc9

Muc6os 5a'ses 6an intentao isminuir su e5enencia a los com*usti*les 8(siles

5or meio e in&estigaciones en 8uentes e energ'a /&eres4 o reno&a*les0 7ue

isminu!an la gran contaminaci(n 7ue e;iste 6o! en 'a0 sin em*argo 6o! 5or 6o!

los com*usti*les 8(siles son la 8uente e energ'a 7ue m$s se utili%a en el 5laneta9

8
https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Dopplerhttps://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Dopplerhttps://es.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricidadhttps://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Dopplerhttps://es.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricidad


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En el muno actual0 contamos con una enorme 5o*laci(n 7ue emana

gran'simas cantiaes e energ'a0 es necesario entonces reali%ar ciertos

cam*ios 7ue generen esarrollo0 5ero 7ue estos a su &e% est2n e la mano con la

sosteni*ilia el 5laneta9

Esta 5ro5uesta e tra*a:o e grao 5retene 5ro8uni%ar en el tema e la

generaci(n e energ'a 5or meio e materiales 5ie%oel2ctricos9 Estos son una

8uente e energ'a muc6o m$s lim5ia 7ue los com*usti*les 8(siles0 aem$s0

5resentan la &enta:a e 7ue no se agotan9

#$( Estado del arte

Algunas e las a5licaciones e estos sonH

Alta&oces e aguos t)u5J e tocaiscos9

Mec6erosel2ctricos

Encenio electr(nico e cale8ones! estu8asa gas9

Sensores

Transuctoresultras(nicos como los ca*e%alese los ec(gra8osJ9

Transuctor 5ie%oel2ctrico

Trans8ormaores 5ie%oel2ctricos9

Destartraoresoontol(gicose ultrasonio0 5ara remoci(n el t$rtaroo

sarro interental
https://es.wikipedia.org/wiki/Tweeterhttps://es.wikipedia.org/wiki/Encendedorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Calentador_de_aguahttps://es.wikipedia.org/wiki/Cocina_(artefacto)https://es.wikipedia.org/wiki/Transductorhttps://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Cabezal&action=edit&redlink=1https://es.wikipedia.org/wiki/Ec%C3%B3grafohttps://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_piezoel%C3%A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Transformador#Transformador_piezoel.C3.A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Tartratohttps://es.wikipedia.org/wiki/Odontolog%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo_dentalhttps://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo_dentalhttps://es.wikipedia.org/wiki/Tweeterhttps://es.wikipedia.org/wiki/Encendedorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Calentador_de_aguahttps://es.wikipedia.org/wiki/Cocina_(artefacto)https://es.wikipedia.org/wiki/Transductorhttps://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Cabezal&action=edit&redlink=1https://es.wikipedia.org/wiki/Ec%C3%B3grafohttps://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_piezoel%C3%A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Transformador#Transformador_piezoel.C3.A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Tartratohttps://es.wikipedia.org/wiki/Odontolog%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo_dentalhttps://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo_dental


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Actuaores9

Piltros SA9

ir(8onos Geo8'sicaJ9

L'neas e retaro9

Motores 5ie%oel2ctricos9

Otras a5licaciones sonH

Puentes e alta tensi(nH La 5ie%oelectricia irecta e algunas sustancias como

el cuar%o0 5uee generar i8erencias e 5otencial e miles e &oltios93ro*a*lemente la a5licaci(n m$s conocia es el enceneor el2ctrico e cigarrosH

5resionano el *ot(n se origina 7ue un 5ercusor gol5ee un cristal 5ie%oel2ctrico0 !

la tensi(n el2ctrica 5roucia enciene el gas cuano la corriente salta so*re un

5e7ue1o 6ueco9 El Trans8ormaor 5ie%oel2ctricoH es un multi5licaor e tensi(n

AC0 7ue en &e% e usar aco5lamiento magn2tico como ocurre con los

trans8ormaores 6a*ituales0 utili%a aco5lamiento acstico entre la entraa ! la

salia9 Se a5lica una tensi(n e entraa a tra&2s e una longitu corta e una

*arra 5ie%oel2ctrica0 creano una tensi(n alternante en la *arra 5or el e8ecto

5ie%oel2ctrico ! originano la &i*raci(n e toa la *arra9 Se elige tal 8recuencia e

&i*raci(n 7ue coincia con la 8recuencia resonante el *lo7ue0 t'5icamente en el

rango e -,, >ilo6ercios a - mega6ercio9 Se genera una tensi(n e salia m$s

alta en la otra secci(n e la *arra 5or e8ecto 5ie%oel2ctrico9 Se 6a emostrao la

multi5licaci(n e -,,,H-9 Una caracter'stica e;tra e este trans8ormaor es 7ue0 al

o5erar a su 8recuencia e resonancia0 5uee a5arecer una carga inucti&a9

Sensores 5ie%oel2ctricosH La tecnolog'a 6a a&an%ao nota*lemente en los ltimos

a1os en sensores 5ie%oel2ctricos0 los cuales se utili%an caa &e% en m$s

a5licaciones9 Cuano se a5lica una 5resi(n a un cristal0 se e8orma el$sticamente9

Esta e8ormaci(n origina una carga el2ctrica 7ue ura algunos segunosJ9 La

!"


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se1al el2ctrica resultante 5uee meirse como una inicaci(n e la 5resi(n 7ue se

a5lica al cristal9 Estos sensores no 5ueen etectar 5resiones est$ticas0 5ero se

usan 5ara meir 5resiones r$5iamente cam*iantes u otras 8uentes e c6o7ue o

&i*raci(n9 El renimiento e los sensores e 5resi(n in$mica se e;5resa a

menuo en uniaes e 5resi(n relati&a tales como 5sir en &e% e 5sigJ0 5or lo

tanto re8erenciano la meia a la conici(n inicial el cristal9 El rango m$;imo e

tales sensores es .,,, o -,,,, 5sir9 Los sensores 5ie%oel2ctricos son sensi*les a

las &ariaciones e tem5eratura ! re7uieren am5li8icaci(n ! ca*leao es5ecial9 Los

transuctores e 5resi(n electrost$tica J son 5e7ue1os ! resistentes9 La 8uer%a en

el cristal 5uee a5licarse longituinalmente o en irecci(n trans&ersal0 ! en

cual7uier caso originar$n una se1al e alta tensi(n 5ro5orcional a la 8uer%a

a5licaa9 La se1al e tensi(n autogeneraa el cristal es til one no es 5osi*le5ro5orcionar energ'a al sensor9 a 7ue el cuar%o es un mineral comn0 estos

transuctores son generalmente *aratos9 Seleccionano el cristal a5ro5iaamente0

el ise1aor 5uee asegurar tanto una *uena linealia como una sensi*ilia a la

tem5eratura reucia9 Los transuctores e 5resi(n usualmente generan se1ales

e salia en el rango e mili&oltios -,, m a +., mJ9

3el'culas 5ie%oel2ctricasH Las 5el'culas 5ie%oel2ctricas se o8recen en cuatro

&ariaciones0 5ara las siguientes a5licacionesH Meiores e tensi(n in$micos0

sensores e &i*raci(n 5ara alarmas0 interru5tores0 alta&oces ! micr(8onos e

contacto9

Sensores e c6o7ueH En este sensor0 el elemento 5ie%oel2ctrico 5rouce un

&olta:e 7ue es 5ro5orcional a la aceleraci(n e un im5acto o una &i*raci(n a la 7ue

se e;5one9 El sensor e c6o7ue utili%a cer$micos 5ie%oel2ctricos 5ara con&ertir la

energ'a el im5acto en una se1al el2ctrica 5ro5orcional9 El sensor e c6o7ue

5ie%oel2ctrico utili%a un ia8ragma /uni8orme4 7ue consiste en un circo cer$mico

laminao a un isco e metal9 El ia8ragma se sostiene en su circun8erencia 5or

un so5orte met$lico9 El sensor se caracteri%a 5or ser com5acto0 ise1o ligero0 !

!!


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con&eniente 5ara un am5lio rango e a5licaciones 7ue re7uieren im5acto !

&i*raci(n9

Re8erenciasH 6tt5Htoo5roucti&ia9*logs5ot9m;+,,,.las)ltimas)

inno&aciones)en)los)sensores-96tml

6tt5H


13/38

K Dise1ar los sistemas electr(nicos 5ara transmitir ! almacenar la energ'a

generaa 5or el mecanismo9

K E&aluar meiante simulaci(n0 el esem5e1o *a:o carga com5resi&a e los

circuitos electr(nicos 7ue alimentan el sistema e iluminaci(n9

!3


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CAPTULOII1ARCO TE"RICO

!4


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&$ 1arco te%rico

La e&oluci(n tecnol(gica e los materiales cer$micos su5lant( a los materiales5ie%oel2ctricos naturales0 ! e;5anieron en &ariea la siguiente generaci(n emateriales 5ie%oel2ctricos0 usaos en a5licaciones 5ara la acstica0 (5tica0

meicina ! comunicaci(n inal$m*rica9Pactores ele&aos e con&ersi(n e energ'a el2ctrica ! energ'a mec$nica0 entreotros atri*utos0 6acen 7ue 6a este 5ro!ecto se le 5uea ar un gran uso 3isano! generanoJ9

3ara nuestro 5ro!ecto sustituimos lo 7ue son los materiales 5ie%oel2ctricos 5or unmotor a 5asos como el 7ue se muestra en la Pig9 +9-H

Fig. 2.1- Motor a pasos

Re8erenciaH 6tt5H


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&$& En/ranes

3ara la 5arte e lo 7ue nos generara los giros al motor a 5asos utili%aremos untren e engranes el cual nos a!uara a 7ue nuestro motor a 5asos e m$s energ'a!a 7ue girara m$s9

Se enomina engrana:e al mecanismoutili%ao 5ara transmitir 5otencia e uncom5onente a otro entro e una m$7uina9 Los engrana:es est$n 8ormaos 5oros rueas entaas0 e las cuales la ma!or se enomina corona! elmenor 5i1(n9

Un engrana:e sir&e 5ara transmitir mo&imiento circularmeiante el contacto erueas entaas9 Una e las a5licaciones m$s im5ortantes e los engrana:es es latransmisi(n el mo&imiento ese el e:ee una 8uente e energ'a0 como 5ueeser un motor e com*usti(n internao un motor el2ctrico0 6asta otro e:e situao acierta istancia ! 7ue 6a e reali%ar un tra*a:o9

&$&$# Tren de en/rana-es#e lla$a tren de engrana%es &'ig. 2.2( a a)*ella trans$isi+n en la )*e e,isten$-s de dos engrana%es.

os trenes de engrana%es se *tilizan c*ando:

a relaci+n de trans$isi+n )*e se )*iere conseg*ir diere $*cho de la

*nidad. 0 os e%es de entrada 1 de salida de la trans$isi+n est-n $*1 ale%ados.

#e )*iere )*e la relaci+n de trans$isi+n sea $odicale.

os trenes de engrana%es se p*eden clasicar en trenes si$ples si e,iste s+lo*na r*eda por e%e 1 co$p*estos si en algn e%e ha1 $-s de *n engrana%e.

a$in se p*ede diferenciar entre trenes red*ctores 1 $*ltiplicadores segn)*e la relaci+n de trans$isi+n sea $enor o $a1or )*e la *nidad.

H

Fig. 2.2- Tren de engranaje

!6
https://es.wikipedia.org/wiki/Mecanismohttps://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quinahttps://es.wikipedia.org/wiki/Corona_(mecanismo)https://es.wikipedia.org/wiki/Pi%C3%B1%C3%B3n_(mecanismo)https://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_circularhttps://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81rbol_de_transmisi%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n_internahttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Mecanismohttps://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quinahttps://es.wikipedia.org/wiki/Corona_(mecanismo)https://es.wikipedia.org/wiki/Pi%C3%B1%C3%B3n_(mecanismo)https://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_circularhttps://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81rbol_de_transmisi%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n_internahttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico


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Re8erenciaH 6tt5sH


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Grueso el ienteH

ueco el ienteH

Di$metro interiorH

3ie el ienteH

Ca*e%a el ienteH

Altura el ienteH

Distancia entre centrosH

Ecuaci(n general e transmisi(n]H

Re8erenciaH 6tt5sHes9i5eia9orgiEngrana:e

!8
https://es.wikipedia.org/wiki/Engranajehttps://es.wikipedia.org/wiki/Engranaje


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CAPITULO III1ETO2OLO3A 42IE5O

!


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'$ 1etodolo/0a

El 5ro!ecto se i&ie 5rinci5almente en os 5artesH

Mec$nicaH el ise1o el mecanismo 7ue &amos a usar0 sus 5artes ! su

ensam*la:e

El2ctricaH el circuito el2ctrico 7ue &amos a utili%ar uni2nolo con la 5arte

mec$nica

'$# Parte mec6nica

El esarrollo e la 5arte mec$nica se i&ie en las siguientes eta5asH

Eta5a -

El ise1o e la lo%a como 5ie%a 8i:a e too el mecanismo0 se ecii( 7ue lome:or ser'a 7ue tu&iera una 8orma c*ica0 no mu! grane0 5ara 7ue lainstalaci(n e la lo%a no sea 5ro*lem$tica0 5ero lo su8icientemente am5lia5ara colocar toos los elementos el mecanismo sin amontonarlos9 3aracomen%ar el ise1o se eciieron las imensiones e la lo%a0 se acor( 7ueser'an @,;@,;@,cm9

Pig9 @9-) Lo%a

Eta5a +

El ise1o e la 5arte m(&il e la lo%a0 encargaa e 5roucir mo&imientocon caa 5isaa 5ara es5u2s trans8ormar ese mo&imiento en energ'ael2ctrica9 La 5ie%a e*e e estar montaa so*re una correera0 5araasegurar 7ue el mo&imiento s(lo sea lineal en sentio &ertical ! no sees&'e al momento e so5ortar la carga0 otra 5arte im5ortante es 7ue e*e

e lle&ar un resorte en la 5arte e a*a:o 5ara 7ue el mecanismo regrese asu 5osici(n original es5u2s e caa 5isaa9 Nos eciimos 5or unacremallera 5ara 5oer transmitir el mo&imiento lineal e una 5isaa amo&imiento angular en un tren e engrana:es9

3ara comen%ar el ise1o nos *asamos en la altura 7ue e*er'a tenernuestra lo%a9 Nos eciimos 5or +.mm9

2"


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En mec$nica0 una cremallera Pig9 @9+J es un 5risma rectangular con una e suscaras laterales tallaa con ientes9 Estos 5ueen ser rectos o cur&aos ! estaris5uestos en 5osici(n trans&ersal u o*licua9

Fig. 3.2 CremalleraReferencia:http://concrso.cnice.mec.es/cnice2!!"/material1!#/operadores/ope$cremallera.htm

Dese el 5unto e &ista tecnol(gico 5oemos consierarla como un caso 5articulare la ruea entaa0 5ues 5uee su5onerse 7ue es un engrana:e e raio in8inito9

Se em5lea0 :unto con un engrana:e5i1(nJ0 5ara con&ertir un mo&imiento giratorioen longituinal o &ice&ersa9 Nosotros lo usamos 5ara con&ertir el mo&imientolongituinal a giratorio9

La cremallera ise1aa se muestra en la Pig9 @9@

2!
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_cremallera.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_ruedentada.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_ruedentada.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_cremallera.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_ruedentada.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_ruedentada.htm


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Fig. 3.3- %lano de la cremallera

Esta cremallera &a aco5laa :unto con una 5laca 7ue so*resale e la lo%aPig9 @9BJ ! un resorte 7ue asegura 7ue el mecanismo &a a regresar a su5osici(n original [email protected]

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Fig. 3.&- Resorte

Eta5a @

El ise1o el tren e engrana:es9 Esta 5arte es mu! im5ortante 5ues es la5arte 7ue tam*i2n &a ir unia a la 5arte el2ctrica el 5ro!ecto0 *as$nonos

en teor'a e mo&imiento e engranes ise1amos nuestro mecanismo con @engranes 5ara trans8ormar una 5isaa en una re&oluci(n e nuestro motor05ara 5oer 5roucir electricia9 La construcci(n el tren e engrana:es&iene e;5licaa a etalle en la secci(n e ise1o9

La istancia 7ue se mue&e una cremallera es igual a la istancia el arco elengrane al 7ue mue&e 7ue &iene ao 5or la siguiente 8(rmula er Pig9@9?JH

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Fig. 3."- 'ongitd de arco

Re8erenciaH 6tt5H


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M)moulo

D5) i$metro 5rimiti&o

N) nmero e ientes

M= 64mm

80dientes

MW9

Toos los engranes e*en tener el mismo m(ulo9

El seguno engrane e*e e girar el o*le 7ue el 5rimero as' 7ue su relaci(n ese +9

La relaci(n entre engranes est$ aa 5or el nmero e ientes e am*osengranesH

r=N

1

N2

2=80dientes

N2

N+WB, ientes9

As' 7ue el seguno engrane e*e tener B, ientes

Sa*ieno el nmero e ientes ! el m(ulo el seguno engrane 5oemoscalcular el i$metro 7ue e*e tenerH

M(N)=Dp

(.8)(40dientes)=Dp

D+W@+mm3ara el ltimo engrane la relaci(n es e B 5ues necesitamos 7ue gire B &eces m$s7ue el seguno as' 7ueH

r=N

2

N3

25


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4=40dientes

N3

N@W-, ientes

M(N)=Dp

(.8)(10dientes)=Dp

D@Wmm

As' 5ues tenemos las meias e toos nuestros engranes 7ue necesitamos 5araeste mecanismoH

Engrane N^ ientes Di$metro 5rimiti&o M(ulo- , ?Bmm 9

+ B, @+mm 9@ -, mm 9

Los 5lanos e los tres engranes se 5resentan en las Pig9 @9Z0 @9 ! @9res5ecti&amente

26


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Fig. 3.#- (ngrane 1

27


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Fig. 3.)- (ngrane 2

28


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Fig. 3.*- (ngrane 3

Eta5a B

El moelao e toas las 5ie%as utili%ano el so8ts9 Caauna e las 5ie%as antes mencionaas 8ue moelaa en el so8ts 5ara esta eta5a9 Las 5ie%as se e*en se ensam*lar 5ara

2


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asegurarse e 7ue tengan las meias correctas ! se logre el mo&imientoeseao er Pig9 @9-,J9

Fig. 3.1!- (nsam+laje de todas las pie,as.

3"


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'$& Parte elctrica

De igual manera el esarrollo e la 5arte el2ctrica est$ i&io en las siguienteseta5asH

Eta5a -

Estuio e i8erentes elementos electromec$nicos ca5aces e generar&olta:e con un mo&imiento en su 5arte mec$nica9 Re&isamos 'namos !&arios ti5os e motores ! eciimos 7ue la me:or o5ci(n es usar un motor a5asos0 !a 7ue no consta e un solo em*o*inao0 lo 7ue nos 5ermitegenerar m$s energ'a 7ue un motor comn9

La carga ! escarga e la energ'a almacenaa 5uee ser reali%aa mec$nica !oel2ctricamente9 El em*o*inao 5uee girar 5or aco5lamiento irecto o inirectocon el e:e el motor0 ! 5uee ser escargao el2ctricamente 5or meio e ungeneraor e;terior9 Esta era la is5osici(n e la ma!or'a e los ise1ostraicionales9 Los sistemas m$s actuali%aos son casi siem5re el2ctricos un sologeneraor 6ace rotar ! e;trae la energ'a generano electricia9

El alto esarrollo e la electr(nica e 5otencia 5uee conseguir 7ue la ona esalia se a5ro;ime a una 8unci(n senoial one los ruios ! los arm(nicos sonreucios 5ara a:ustarse a las e;igencias e la re9 3or esta ra%(n una con&ersi(ne 5otencia e8ica% es 8unamental9 Las 52rias en esta con&ersi(n se concentranen tres eta5asH

` Recti8icaci(n

` In&ersi(n ! conmutaci(n el motor

` Piltrao e la se1al e salia9

La com*inaci(n e la nue&a tecnolog'a con los GTO0 IGT"0 circuitos econ&ersi(n a&an%aa ! trans8ormaores 6acen 5osi*le esta con&ersi(n e8ica%9

1odelo elctrico

El moelo el2ctrico el generaor 5ie%oel2ctrico est$ re5resentao 5or un circuitoRC tal como se muestra en la Pig9 @9--

3!


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Fig. 3.11-Circito RC representando n generador pie,oelctrico

D(neH

H Ca5acitancia e a5ilamiento

H Resistencia 5or 52rias

H Resistencia 5or 8uga

H olta:e en circuito a*ierto 5roucio en el 5ie%oel2ctrico como resultao e una8uer%a a5licaa

Moelano el sistema el2ctrico0 se 5uee e;5resar la ca5acitancia e a5ilamientocomo

W 0 rA /hpiezo

D(neH

,H 3ermisi&ia li*re el es5acio W 9.-,-+ b

H 3ermisi&ia relati&a el material 5ie%oel2ctrico

AH drea trans&ersal el 5ie%oel2ctrico

H Es5esor el 5ie%oel2ctrico

32


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Aem$s e lo anterior0 el material 5ie%oel2ctrico 5resenta una resistencia serie07ue es la 52ria iel2ctrica interna el material 7ue se e;5resa como

Wtan

D(neH

H Precuencia angular e o5eraci(n el generaor

TanH Pactor e isi5aci(n

E;iste una resistencia 5aralela0 7ue re5resenta 52rias 5or 8ugas en el material !

es el oren e 106

Se 5uee e;5resar entonces la energ'a el2ctrica almacenaa en el 5ie%oel2ctricocomo resultao e la com5resi(n mec$nica as'

2W q2

+

D(neH

W Es la carga el2ctrica almacenaa en el material9

3or ltimo se tiene una ecuaci(n general 5ara e;5resar

Wk33Fhpiezo

A ,9.,J -+J

Eta5a +

El ise1o el circuito el2ctrico Esta 5arte es algo com5licaa !a 7uenecesitamos 7ue el circuito se encargue no s(lo e almacenar la energ'a sino tam*i2n 7ue es5u2s alimente un sistema e iluminaci(n0 e maneralineal0 5ara e&itar 7ue li*ere el &olta:e e manera instant$nea9

La metoolog'a e;5erimental ao5taa consisti( enH

) 6acer un *arrio en 8recuencia a 8in e etectar lasJ 8recuenciasJ e resonancia! anti resonancia el circuito9

33


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) Elegir os e tales 8recuencias una e resonancia ! otra contigua e antiresonanciaJ0 en torno a las cuales 8uera ma!or la ensia e atos 7ue5ui2ramos tomar9

) Rele&ar meiciones e + ! el es8asa:e alreeor e ic6as 8recuencias9

) Meir las resistencias R- ! R+

1ediciones realizadas

Durante nuestras meiciones0 la 8uente arro:( una am5litu m$;ima

-W ,9 f ,9,+J olt Asimismo o*tu&imosH

R-W 9B?-,@ f ,9,--,@J O6m

R+W 9?--,@ f ,9,--,@J O6m

Del Gr$8ico se es5renen las os 5rimeras 8recuencias e resonancia 8s ! antiresonancia 85 m$;imo ! m'nimo e corriente0 res5ecti&amenteJ e nuestro cristal5ie%oel2ctrico0 a sa*erH

8s W .,,.9. %

85 W .,++9, % 8s) W .,,@9@ % 8sX W .,,Z9 % ! el 8actor e calia Q W---@+9@@

En la resonancia serie0 la corriente es m$;ima con un &alor I W @B9@-,)? Am5mientras 7ue en la anti resonancia la corriente es casi nula9

allamos tam*i2n otras /5are:as4 e 8recuencias resonantes ! anti resonantes0tales comohH

8s-W .,,.9. % Q-W ---@+ 85-W .,++9, %

8s+W -.,-.. % Q+W B+.,+ 85+W -.,+-Z %

34


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8s@W +B+Z % 85@W +B@+Z %

8sBW B+ZB-Z % 85BW B+Z?Z@ %

Circuito RLC SerieEn la 8recuencia e resonancia0 el circuito se 6ace 5uramente resisti&o0 as' 7ueconocieno

Ima; 0 R+ 0 ! e tensi(n e la 8uenteJ0 6allamos 7ue la resistencia e7ui&alente elcristal &ale

R W -9?.-,B f ,9-B@-,B O6ms jR W J

Aem$s0 sa*emos 7ue en un circuito RLC Serie se cum5le 5ara la 8recuencia eresonanciaH

fs= 12 LC

el 8actor e calia QH

Q= fs

fs=

2 fsL

R+R2=1

R L

C

Se es5e:an los &alores e L ! C0 inuctancia ! ca5acia l0 con

L W +?9? f -.@9,. enr! jL W -ZJ

C W -9,-,)-B f -9Z@@-,)-. Para jC W -?J

El ise1o 5reliminar el circuito se muestra en la Pig9 @9-+

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Fig. 3.12- Circito elctrico para almacenamiento de energa.

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CAPTULO I7A!8LII 2EREULTA2O$

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Resultados

El 5ro!ecto result( ser *astante com5le:o0 en un solo semestre no 8ue 5osi*leterminarlo al -,,0 !a 7ue 6a! muc6'simas cosas a tomar en cuenta es5u2s elise1o el mecanismo ! el circuito0 como lo sonH materiales a utili%ar0 costos e

materiales0 6acer un 5rototi5o0 5ro*ar la resistencia el 5rototi5o0 6acer 5rue*as5ara &eri8icar 7ue 8uncione como se ise1(0 en 8in con el corto tiem5o con el 7ueis5usimos no 8ue 5osi*le cu*rir toas esas $reas 5ara 5oer consierar el5ro!ecto terminao com5letamente

($# Ob-eti.os alcanzados

El o*:eti&o general no 8ue alcan%ao0 5ues se necesita 6acer un 5rototi5o !5ro*arlo en &arias coniciones 5ara asegurar 7ue 8uera til ! so*re too 7ue 8uera&ia*le 5roucirlo en masa 5ara ser im5lementao en *an7uetas u otros lugares9

Los o*:eti&os 7ue se reali%aron com5letamente sonH

Dise1o e la *alosa Dise1o el mecanismo 7ue trans8orma la energ'a mec$nica a el2ctrica Dise1o 5reliminar el circuito e almacenamiento e energ'a Simular el ensam*la:e e toas las 5ie%as 7ue con8orman la *alosa

($& Conclusi%nEste 5ro!ecto 8ue mu! interesante e 6acer0 5ues es algo 7ue nos 5ermite a5licarnuestros conocimientos como ingenieros mecatr(nicas e una manera *astantecom5leta !a 7ue integra lo 7ue 6emos a5renio so*re mec$nica ! electr(nica9

Lamenta*lemente no is5usimos el tiem5o su8iciente 5ara 5oer terminar al-,, nuestro 5ro!ecto0 es algo e los 7ue nos sentimos orgullosos 5or7ue 8ueuna iea original ese un inicio0 lo esarrollamos com5letamente nosotros0 tooel ise1o0 moelao e las 5ie%as0 8ue 6ec6o ese cero0 8ue una *uena 5rue*ae c(mo a5licar lo 7ue &enimos a5renieno ese 7ue iniciamos nuestros

estuios en el Instituto Tecnol(gico e Quer2taro9Nos 6u*iera gustao 6a*er 5oio construir un 5rototi5o !a 7ue ser'a la manerae &er nuestro ise1o 6ec6o realia9 A 8in e cuentas is8rutamos muc6o 6a*er6ec6o este 5ro!ecto !a 7ue es nuestra manera e contri*uir no solo al esarrollotecnol(gico e M2;ico sino una manera e a!uar a reucir la contaminaci(n ! 5orene el calentamiento glo*al9

piezoeléctricos documento final

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