proyecto final diseño
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Análisis en ANCIS de ejes redondos vs cuadradosTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
ESPE-L
DEPARTAMENTO DE ENERGA Y MECNICA
INGENIERA AUTOMOTRIZ
PROYECTO FINAL
DISEO DE ELEMENTOS DE MAQUINAS
TEMA: DISEO DEL EJE DE RUEDA O EJE PRINCIPAL
CON PERFIL CUADRADO, DE UNA BOMBA PARA
FUMIGAR ACCIONADA POR TRACCIN ANIMAL
ALUMNO:
LOZADA PILCO JONATHAN SAMUEL
PROFESOR:
ING. FLIX JAVIER MANJARRS A.
FECHA:
MIRCOLES 04 DE MARZO DE 2015
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1. SITUACIN INICIAL
Eje de rueda o eje principal redondo.
2. SITUACIN FINAL
Eje de rueda o eje principal cuadrado.
3. SOLUCIN
La solucin para llegar desde la situacin inicial a la final
sera un rediseo del eje de rueda o eje principal de la
carreta.
4. Ttulo del proyecto
Diseo del eje de rueda o eje principal con perfil cuadrado,
de una bomba para fumigar accionada por traccin animal.
5. OBJETIVOS
GENERAL:
Disear un eje de rueda con perfil cuadrado para dar
movimiento a una mquina de fumigar, accionada por traccin
animal.
ESPECFICOS:
Cambiar de seccin al eje rueda o principal de la bomba de
fumigar de traccin animal.
Comparar el diseo tanto del perfil cuadrado como del perfil
redondo, del eje rueda o peje principal.
Determinar cul es la mejor seccin para soportar la bomba
de fumigar, por medio de simulaciones en software.
6. DEFINICIN DEL PROBLEMA
En el mercado automotriz, existen dos tipos de ejes rueda o
ejes de plataforma; redondos y cuadrados, los cuales se pelean
por quienes son los mejores, y quienes prestan mejor desempeo
al momento de trabajar en el tracto camin.
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Por lo cual se toma como referencia este pequeo eje rueda de
una carreta de una bomba de fumigar para determinar, cul es
el mejor perfil al momento de transportar cargas de un lugar
a otro. El ingeniero automotriz debe estar presto para resolver
estas inquietudes as como; saber cul es el perfil correcto
al momento de disear un eje rueda o eje de plataforma.
7. ESTADO DE LA CIENCIA
EJE DE TRASMISIN
Casi toda la maquinaria rotatoria est dotada de flechas de
transmisin o simplemente flechas, con el fin de transferir
movimiento y par de torsin rotatorios de un sitio a otro. Por
lo tanto, el diseador de mquinas tiene la tarea de disear
flechas. Este captulo explorara algunos de los problemas
comunes que se presentan en esta tarea.
Por lo general, una flecha transmite a la maquina por lo menos
un par de torsin proveniente de un dispositivo impulsor.
Algunas veces, las flechas servirn de soporte para engranes,
poleas o ruedas dentadas, mismas que transmiten un movimiento
rotatorio de una a otra flecha, va engranes, bandas o cadenas.
La flecha podra ser parte integral del impulsor, como la
flecha de un motor elctrico o el cigeal de un motor de
combustin internan
Definicin: elemento cilndrico de seccin circular que
trasmite un momento de giro y que puede llevar montados
distintos elementos mecnicos de trasmisin de potencia
(engranajes, poleas, volantes. Etc.)
rbol: Sometido a torsin trasmisin de potencia.
Eje: No est sometido a torsin, sin transmisin de potencia
Tipos de carga
Flexin Traccin /comprensin Torsin
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Diseo de eje
Teoras de diseo
Pre dimensionamiento mediante estudio esttico Optimizacin mediante estudio dinmico
Calculo de un eje para resistencia a cargas estticas
Ejemplo: eje que trasmite potencia (TORSIN) sobre el que est
montada una rueda de dentado recto (FLEXIN)
Figura 1 Eje que transmite torsin y flexin
3
3
162
322
d
T
J
dT
d
M
I
dM
xy
X
X Tensin de flexin (esfuerzo normal segn la direccin x)
xyr = tensin de torsin (esfuerzo tangencial en el plano xy)
M = momento flector en la seccin critica
I = momento de inercia transversal del eje =64
4d
T = momento torsor en la seccin
J = momento de inercia polar del eje =32
4d
d = dimetro del eje
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EJE RUEDA CUADRADO
Figura 2 Eje plataforma cuadrado
EJE RUEDA REDONDEO
Figura 3 Eje plataforma redondo
8. CASA DE LA CALIDAD
a. CONSIDERACIONES PARA LA DETERMINACIN DE LAS
ESPECIFICACIONES DEL EJE PRINCIPAL DE LA BOMBA DE FUMIGAR
IMPULSADO POR TRACCIN ANIMAL.
El diseo de un sistema de transmisin por engranaje recto
para reductor de velocidad a desarrollarse en el siguiente
proyecto, presentado como examen de unidad, tiene como
propsito satisfacer el requerimiento y la necesidad de
reducir la velocidad de un determinado motor.
b. CASA DE LA CALIDAD
Las especificaciones tcnicas del eje principal son
determinadas por medio de la casa de la calidad, que es
una herramienta del QFD (Quality Function Deployment)
cuyo fin principal luego de un anlisis por medio de una
serie de preguntas realizadas, es cubrir los deseos y
requerimientos del cliente o usuario en el producto; luego
de consolidar las ideas y criterios son traducidos por el
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diseador o ingeniero, con requerimientos tcnicos, los
mismos que son tabulados y evaluados para determinar
aquellos de mayor importancia, con un sustento vlido,
que deje conforme al usuario pero con los factores de
diseo y seguridad adecuados.
I. VOZ DEL USUARIO
De acuerdo al criterio de los palmicultores encargados
de la fumigacin de la palma africana, el eje principal
debe contar con las siguientes caractersticas:
Capacidad de carga.
Mayor nmero de ciclos de operacin.
Tipo de materiales.
Nmero de puntos de apoyo.
Geometra del material.
II. VOZ DEL INGENIERO
Luego de conocer los requerimientos, todas las
caractersticas que desean el usuario y entender la
necesidad, se procede a traducirlos en especificaciones
o caractersticas tcnicas:
Resistente
Duradero
Bajo costo
Fcil operacin
III. RESULTADOS
La casa de la calidad Propuesta, fue elaborada segn
las necesidades del diseo que se elaboran de acuerdo
a los requerimientos y necesidades que pide el usuario.
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Figura 4 Casa de la calidad
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9. ESPECIFICACIONES TCNICAS
A partir de la informacin obtenida en la casa de la calidad
se procede a determinar las especificaciones tcnicas, las
mismas que se muestran a continuacin:
ESPECIFICACIONES
DEL PRODUCTO
PRODUCTO:
EJE PRINCIPAL ENTRE NIVELES
Concepto Propone R/D Descripcin
Funcin
I R
El eje principal podr ser
utilizado en cualquier tipo
superficie.
C+I R
El diseo contara con
simulaciones en software
para cada perfil.
I R Dispondr de un control
amigable para el usuario.
I R
El dispositivo poseer una
mxima capacidad en funcin
del peso del tanque para la
bomba de fumigar.
Dimensiones I R
El eje principal poseera
dimensiones de acuerdo al
tamao que posee la
estructura de la bomba de
fumigar.
Movimientos C+I R
La velocidad de transporte
debe ser baja (0,15m/s),
arrancar y parar suavemente.
Materiales I R
Para la construccin de este
eje principal se utilizara
materiales estructurales
como el acero A-36
Control I+C R El control del eje viene
dado por la traccin animal
10. ANLISIS FUNCIONAL
El propsito del anlisis funcional es separar la accin que
se efecta del componente o mecanismo, para de este modo buscar
nuevas soluciones, para ello es necesario establecer
claramente las funciones primarias y secundarias.
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Las funciones primarias son aquellas por los que el usuario o
los usuarios compran el producto mientras que las funciones
secundarias son las que permiten que las funciones primarias
se ejecuten satisfactoriamente.
Establecidas las funciones secundarias se procede a plantear
soluciones idneas para desempear estas funciones, para luego
seleccionar aquellas ms convenientes. Estas funciones se
pueden agrupar para formar mdulos que sean capaces de cumplir
un conjunto de funciones.
La descomposicin funcional del producto se lleva a cabo
mediante diagramas de flujo en el que cada bloque aparece una
funcin que pueden tener tres tipos de entrada y salida:
control o seal, material, y energa.
10.1. Desarrollo de los diagramas funcionales
A continuacin se presentan los diagramas
funcionales:
EJE DE RUEDA O EJE PRINCIPAL CON PERFIL CUADRADO, DE UNA
BOMBA PARA FUMIGAR ACCIONADA POR TRACCIN ANIMAL
NIVEL 0
NIVEL 1
EJE PRINCIPAL
MOVER LA BOMBA
DE FUMIGAR
Acero
Traccin animal
Bomba de fumigar
en otro lugar
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10.2. Anlisis de los Diagramas Funcionales
Para el presente proyecto se ha estimado desarrollar
el diagrama funcional hasta el nivel 1.
En el Nivel 0, es donde se presenta la funcin
global, que consiste en representar la tarea global
que debe realizar el producto que se va a disear y
se establece como una caja negra que relaciona los
flujos de entrada y de salida.
En el Nivel 1, se hace una presentacin ms precisa
por lo que hay que dividir la funcin global en
subfunciones o subtareas y a la vez, establecer las
relaciones de flujo entre estas subfunciones.
11. PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES A LOS MDULOS
Modulo Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3
Soportar
cargas
Asegurar
partes de
la
estructur
a
Traccin
animal
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12. SELECCIN DE ALTERNATIVA
FACTOR DE PONDERACIN 0 1
CALIFICACIN 1(min) 10(Max)
12.1. Funcin de distraccin fsica
Bajo costo
Mayor nmero de ciclos de operacin.
Tipo de materiales.
Nmero de puntos de apoyo.
Geometra del material.
Capacidad de carga.
Fcil operacin.
Alternativas
Parmetros Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3
Bajo costo 0,2
7
0,2
8
0,2
6
Mayor nmero de
ciclos de
operacin.
0,1
7
0,1
7
0,1
7
Tipo de materiales. 0,2
5
0,2
6
0,2
5
Nmero de puntos de
apoyo.
0,1
9
0,1
8
0,1
7
Geometra del
material.
0,2
5
0,2
8
0,2
7
Capacidad de carga. 0,1
9
0,1
8
0,1
6
Fcil operacin 0,1
6
0,1
6
0,1
6
6,5 7,3 6,2
A partir de las caractersticas que se desea obtener del
diseo la alternativa 2 es la ms viable en condiciones de
seguridad para el usuario, fcil ensamblaje y confort.
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13. MODELO CAD 3D y ANSYS
Figura 5 Modelo CAD 3d
Figura 6 Ansys eje cuadrado
Figura 7 Ansys eje redondo
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14. ANLISIS DE RESULTADOS
14.1. STATIC STRUCTURAL
DEFORMACIN TOTAL
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
DEFORMACIN DIRECCIONAL (EJE X)
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
DEFORMACIN ELSTICA
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
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TENSIN EQUIVALENTE DE VON-MISES
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
FACTOR DE SEGURIDAD
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
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14.2. TRANSIENT
TOTAL DEFORMATION
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]
1,e-005
0,
5,8364e-007
2,e-005 2,7057e-006
3,e-005 6,6087e-006
4,e-005 1,1558e-005
5,e-005 1,6893e-005
6,e-005 2,285e-005
7,e-005 2,8254e-005
8,e-005 3,2854e-005
9,e-005 3,7566e-005
1,e-004 4,1983e-005
Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]
1,e-005
0,
1,1697e-006
2,e-005 5,7579e-006
3,e-005 1,4808e-005
4,e-005 2,7561e-005
5,e-005 4,4549e-005
6,e-005 6,5162e-005
7,e-005 9,0739e-005
8,e-005 1,2343e-004
9,e-005 1,5933e-004
1,e-004 1,9741e-004
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DEFORMACIN DIRECCIONAL
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]
1,e-005 -2,679e-007 5,8265e-007
2,e-005 -1,1911e-006 2,6913e-006
3,e-005 -2,6085e-006 6,5675e-006
4,e-005 -3,825e-006 1,1495e-005
5,e-005 -5,0501e-006 1,6521e-005
6,e-005 -6,5377e-006 2,2e-005
7,e-005 -7,1177e-006 2,7193e-005
8,e-005 -6,5791e-006 3,215e-005
9,e-005 -4,864e-006 3,6434e-005
1,e-004 -2,0715e-006 3,9987e-005
Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]
1,e-005 -1,1697e-006 9,8471e-008
2,e-005 -5,7574e-006 4,9169e-007
3,e-005 -1,4808e-005 1,2289e-006
4,e-005 -2,7559e-005 2,3093e-006
5,e-005 -4,4548e-005 3,9359e-006
6,e-005 -6,5156e-005 6,3083e-006
7,e-005 -9,0733e-005 8,7632e-006
8,e-005 -1,2342e-004 1,0759e-005
9,e-005 -1,5932e-004 1,3305e-005
1,e-004 -1,9739e-004 1,6313e-005
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DEFORMACIN ELSTICA
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
Time [s] Minimum [ft/ft] Maximum [ft/ft]
1,e-005 1,3943e-009 2,9341e-006
2,e-005 2,2739e-009 8,2322e-006
3,e-005 2,5599e-009 1,2146e-005
4,e-005 4,9842e-009 1,6994e-005
5,e-005 3,6158e-009 2,1095e-005
6,e-005 1,436e-008 2,143e-005
7,e-005 2,7397e-008 2,094e-005
8,e-005 2,4869e-008 2,1046e-005
9,e-005 2,8377e-008 2,149e-005
1,e-004 4,1853e-008 2,2088e-005
Time [s] Minimum [ft/ft] Maximum [ft/ft]
1,e-005 1,8016e-009 4,6351e-006
2,e-005 6,0666e-009 1,6376e-005
3,e-005 2,6273e-008 3,2179e-005
4,e-005 7,6625e-008 4,8659e-005
5,e-005 1,7471e-007 6,3745e-005
6,e-005 3,5062e-007 7,7297e-005
7,e-005 5,056e-007 8,6211e-005
8,e-005 5,6226e-007 9,2198e-005
9,e-005 5,8293e-007 1,2729e-004
1,e-004 6,2305e-007 1,6184e-004
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TENSIN EQUIVALENTE DE VON-MISES
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
Time [s] Minimum [psf] Maximum [psf]
1,e-005 0,86909 12059
2,e-005 3,7317 34331
3,e-005 5,2197 50268
4,e-005 11,252 69345
5,e-005 11,606 87098
6,e-005 57,13 88057
7,e-005 113,15 81126
8,e-005 83,272 78697
9,e-005 62,822 76244
1,e-004 91,637 75419
Time [s] Minimum [psf] Maximum [psf]
1,e-005 2,3642 18796
2,e-005 14,438 66172
3,e-005 39,123 1,2885e+005
4,e-005 76,093 1,927e+005
5,e-005 152,86 2,5147e+005
6,e-005 288,6 3,0525e+005
7,e-005 457,21 3,4166e+005
8,e-005 481,32 3,641e+005
9,e-005 515,19 4,6448e+005
1,e-004 450,74 6,0829e+005
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19
14.3. MODAL
TOTAL DEFORMATION
EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO
Mode Frequency [Hz]
1, 234,5
2, 234,51
3, 548,61
4, 549,75
5, 577,89
6, 579,99
Mode Frequency [Hz]
1, 260,02
2,
3, 396,08
4, 507,45
5, 514,26
6, 524,83
15. CONCLUSIONES
Para este ensayo se ha escogido un eje de transmisin de
una bomba de fumigar de la tesis adquirida, tomando las
mismas condiciones de longitud, y cambiando la seccin
del perfil, obteniendo resultados favorables para la
investigacin.
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El tubo cuadrado tiene mayor deformacin total esttica
por lo que podra ser un peligro adicional al momento de
ser instalado en un sistema mecnico especfico.
El tubo redondo en las mismas condiciones que el tubo
cuadrado tiene un factor de seguridad de n=5,832, es mayor
que el factor de seguridad tubo cuadrado n=2,4031, por lo
tanto se recomienda para el diseo de ejes de rueda
utilizar tubo redondos, ya que tienen un factor de
seguridad mayor en cargas estticas.
Los ejes de rueda o plataforma, al estar su mayor con
carga muerta se hace esta consideracin esttica.
Cuando el eje de rueda redondo se encuentra a fatiga tiene
una mayor deformacin que el eje rueda cuadrado, debido
a su seccin y geometra.