UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÒNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA PRENSA HIDRAULICASEMI-AUTOMÁTICA PARA LA COMPRESION DE ESPIRALES

EN UN TALLER AUTOMOTRIZ

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO MECATRÒNICO

AUTOR: ANDRÈS MARCELO SANTIANA CAVIEDES

DIRECTOR: ING. ALEXY VINUEZA

Quito, Juliio , 2014

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo Andrés Marcelo Santiana Caviedes, 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.

_________________________

Andrés Marcelo Santiana Caviedes

C.I. 1716429269

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y

CONSTRUCCION DE UNA PRENSA HIDRAULICA SEMI-AUTOMÁTICA

PARA LA COMPRESION DE ESPIRALES EN UN TALLER AUTOMOTRIZ”,

que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrònico fue desarrollado por

Andrés Marcelo Santiana Caviedes, bajo mi dirección y supervisión, en la

Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones

requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.

___________________

ING. ALEXY VINUEZA LOZADA MSC.

DIRECTOR DEL TRABAJO

C.I. 17147110056

DEDICATORIA

Dedico mi proyecto de tesis a mi familia por estar siempre dándome el apoyo

necesario todo el tiempo para lograr mis metas.

A mis padres por su apoyo incondicional en cada momento, por sus

consejos que me motivaron para poder concluir una etapa más en la vida.

A todos los que confiaron en mí, e hicieron posible el hecho de poder

concluir el presente proyecto.

Para todos ellos hago esta dedicatoria.

AGRADECIMIENTO

Agradezco en primer lugar a Dios, por haberme dado la fuerza y valor para

culminar los estudios universitarios siendo un gran logro para mi vida

profesional.

Expresar mi agradecimiento a mis padres por todo el esfuerzo que realizan

día a día, para alcanza una profesión formando una persona de bien, gracias

por los sacrificios y la paciencia.

A mí hermano, en quien he podido confiar siendo un gran apoyo para seguir

adelante.

Gracias a todas aquellas personas que de una u otra forma me ayudaron a

crecer como persona y como profesional.

Agradezco también de manera especial al director de tesis quién con sus

conocimientos y apoyo supo guiar el desarrollo de la presente tesis.

Gracias a todos los que hicieron posible este proyecto.

i

ÌNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN .................................................................................................. xiv

ABSTRACT ................................................................................................. xv

1. INTRODUCCIÓN .................................................................................... 1

OBJETIVO GENERAL ............................................................................ 3

OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................... 3

2. MARCO TEORICO ................................................................................. 4

2.1. GENERALIDADES ........................................................................... 4

2.1.1. SISTEMAS DE SUSPENSIÓN ............................................... 4

2.1.1.1. Ballestas .............................................................................. 4

2.1.1.2. Resortes .............................................................................. 5

2.1.1.3. Barra de torsión ................................................................... 7

2.1.2. AMORTIGUADORES.............................................................. 7

2.1.3. DIAGNÓSTICO PARA AMORTIGUADORES ......................... 8

2.1.3.1. Amortiguadores en mal estado ............................................ 9

2.1.3.2. Síntomas de fatiga de los resortes .................................... 11

2.1.4. DESMONTAJE Y MONTAJE DE AMORTIGUADORES CON

ESPIRAL.. ............................................................................................. 12

2.2. HIDRÁULICA .................................................................................. 15

2.2.1. INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA ................................... 15

2.2.2. PRESIÓN .............................................................................. 15

2.2.3. CAUDAL ............................................................................... 16

2.2.4. FLUIDO ................................................................................. 16

2.2.4.1. Viscosidad ......................................................................... 17

2.2.5. BOMBA HIDRÁULICA .......................................................... 17

ii

2.2.5.1. Bomba de Engranajes ....................................................... 17

2.2.5.2. Bomba de Paletas ............................................................. 18

2.2.5.3. Bomba de Pistón ............................................................... 18

2.2.5.4. Depósito ............................................................................ 20

2.2.5.5. Filtros (en la descarga, o en la salida de presión) ............. 21

2.2.5.6. Conductos de comunicación .............................................. 21

2.3. CILINDROS HIDRÁULICOS ........................................................... 22

2.3.1. FUERZA DEL CILINDRO ...................................................... 23

2.3.1.1. Velocidad de Trabajo ......................................................... 24

2.3.2. CILINDRO SIMPLE EFECTO ............................................... 24

2.3.3. CILINDRO DOBLE EFECTO ................................................ 25

2.4. ELEMENTOS DE REGULACION Y CONTROL ............................. 27

2.4.1. Válvulas ................................................................................ 27

2.4.1.1. Válvulas reguladoras de presión ........................................ 27

2.4.1.2. Válvulas Direccionales ....................................................... 28

2.4.1.3. Electroválvula .................................................................... 28

2.4.1.4. Válvulas Reguladoras de Flujo .......................................... 29

2.4.1.5. Válvula Anti-retorno ........................................................... 29

2.5. PRENSA ......................................................................................... 30

2.5.1. TIPOS DE PRENSAS ........................................................... 30

2.5.1.1. Prensas Mecánicas ........................................................... 30

2.5.1.2. Prensas Neumáticas .......................................................... 30

2.5.1.3. Prensas Hidráulicas ........................................................... 31

2.5.1.3.1. Principio de Pascal .......................................................... 31

2.5.1.3.2. Funcionamiento Prensa Hidráulica ................................. 32

2.6. ESTRUCTURAS ............................................................................. 34

iii

2.6.1. VIGAS ................................................................................... 34

2.6.2. COLUMNAS .......................................................................... 34

2.6.2.1. Radio de giro ..................................................................... 35

2.6.2.2. Fijación de un extremo y longitud efectiva ......................... 36

2.6.2.3. Relación de Esbeltez ......................................................... 37

2.6.2.4. Relación de esbeltez de transición .................................... 38

2.6.2.5. Carga Crítica ...................................................................... 38

2.6.2.6. Factor de diseño y carga admisible ................................... 39

2.6.3. TIPOS DE SUJECIÓN .......................................................... 40

2.6.3.1. Sujeción por pernos ........................................................... 40

2.6.3.2. Resistencia del perno ........................................................ 40

2.6.3.3. Soldadura .......................................................................... 41

2.6.3.3.1. Tipos de Soldadura ......................................................... 42

2.6.3.3.2. Clasificación de los electrodos según AWS (American

Welding Society) ............................................................................. 45

2.7. PANEL DE CONTROL .................................................................... 46

2.7.1. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC) ............ 46

2.7.1.1. Programa y Lenguaje de Programación ............................ 47

2.7.1.2. Programas de aplicación y del sistema ............................. 47

2.7.1.3. Tipos de Lenguajes de Programación de PLC’s ................ 48

2.7.2. CIRCUITO DE SEGURIDAD ................................................ 48

2.7.3. CONTACTOR ....................................................................... 49

2.7.4. GUARDAMOTOR ................................................................. 49

2.7.5. SENSOR INDUCTIVO .......................................................... 50

3. METODOLOGÍA ................................................................................... 51

3.1. METODOLOGÍA MECATRÒNICA .................................................. 51

iv

3.1.1. METODOLOGÍA DE DISEÑO ............................................... 52

3.2. REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA .......................................... 52

3.3. RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA ............................................. 53

3.3.1. DIMENSIONES ..................................................................... 53

3.3.2. MOVIMIENTO LINEAL DEL CILINDRO................................ 55

3.3.3. UBICACIÓN DE LA MÁQUINA ............................................. 56

3.3.4. SISTEMA DE SEGURIDAD .................................................. 56

3.3.5. TABLERO ELÉCTRICO ........................................................ 56

3.4. OBJETIVOS PRINCIPALES DE LA MÁQUINA .............................. 56

3.5. VARIABLES LIBRE ........................................................................ 57

3.6. DESARROLLO DEL CONCEPTO DE LA MÁQUINA ..................... 57

3.6.1. ALTERNATIVAS DE DISEÑO .............................................. 58

3.6.1.1. Opresor de resortes neumático vertical de columna simple

fija……….. .......................................................................................... 58

3.6.1.2. Opresor de resortes hidráulico vertical de doble columna

fija……….. .......................................................................................... 59

3.6.1.3. Opresor de resortes hidráulico vertical de columna simple

fija……….. .......................................................................................... 60

3.6.2. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS POR CRITERIOS

PONDERADOS ..................................................................................... 61

3.7. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS..................... 63

3.8. FORMALIDAD DE LAS PRUEBAS................................................. 63

4. DISEÑO ................................................................................................ 64

4.1. ANALISIS DEL DISEÑO MECANICO ............................................. 64

4.1.1. DISEÑO DE COLUMNAS ..................................................... 66

4.1.2. DISEÑO DE LA MESA CENTRAL ........................................ 70

4.1.3. CALCULO DE LA VIGA SOPORTE ...................................... 71

v

4.1.4. DISEÑO DE LA PLACA SOPORTE ...................................... 73

4.1.5. DISEÑO DE PASADORES ................................................... 75

4.1.6. DISEÑO DE LA SOLDADURA .............................................. 77

4.2. ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO ................. 79

4.2.1. SELECCIÓN DE LA BOMBA HIDRÁULICA ......................... 79

4.2.2. DIÁMETRO DEL CILINDRO ................................................. 79

4.2.3. CÀLCULO DEL CAUDAL ...................................................... 81

4.2.4. CALCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR ELÉCTRICO ... 83

4.2.5. DISEÑO Y SIMULACION DEL SISTEMA HIDRAULICO ...... 83

4.3. DISEÑO ELECTRICO Y DE CONTROL ......................................... 87

4.3.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ............................... 90

4.3.1.1. Tablero de Control ............................................................. 90

4.3.1.2. Control de la maquina ........................................................ 91

4.3.1.3. Programación .................................................................... 92

4.4. INTEGRACIÒN DE LOS SISTEMAS .............................................. 93

4.4.1. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA ............................ 93

4.4.2. INTEGRACIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO ..................... 95

4.4.3. CONSTRUCCIÓN DE LA MESA CENTRAL Y UÑETA

COMPRESORA .................................................................................... 97

4.4.4. INSTALACIÓN DEL PANEL DE CONTROL ......................... 98

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................ 100

5.1.1. MONTAJE ........................................................................... 101

5.1.2. PRUEBAS DE MOVIMIENTO ............................................. 102

5.1.3. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA MÍNIMA 102

5.1.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA

MAXIMA….. ........................................................................................ 104

vi

5.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................................... 106

5.3. VENTAJAS DE LA MÁQUINA ...................................................... 107

5.3.1. ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO ....................... 108

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................... 111

6.1. CONCLUSIONES ......................................................................... 111

6.2. RECOMENDACIONES ................................................................. 113

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 114

ANEXOS .................................................................................................... 119

vii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Características de las bombas hidráulicas ..................................... 19

Tabla 2. Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón ............ 27

Tabla 3. Especificaciones SAE para pernos de acero ................................. 41

Tabla 4. Equivalencias aproximadas entre los grados SAE, ASTM y métricos

de aceros para tornillos ................................................................................ 41

Tabla 5. Características de los electrodos ................................................... 45

Tabla 6. Cuadro de comparación ponderada por pares de requerimientos de

ingeniería ..................................................................................................... 61

Tabla 7. Tabla de selección de alternativas del proyecto (ESCALA 5:

OPTIMO 1: MENOR) ................................................................................... 62

Tabla 8. Cuadro de selección de alternativa por criterios ponderados ........ 62

Tabla 9. Resultados de las pruebas del resorte ........................................... 64

Tabla 10. Propiedades del acero ASTM A36 ............................................... 67

Tabla 11. Longitudes de resortes más comunes ........................................ 70

Tabla 12. Bomba de engranajes externos ................................................... 79

Tabla 13. Características de la suspensión (Fiat uno) ............................... 103

Tabla 14. Pruebas del resorte (Fiat uno) ................................................... 103

Tabla 15. Características de la suspensión (BMW 525) ............................ 104

Tabla 16. Pruebas del resorte BMW 525 ................................................... 105

Tabla 17. Tabla comparativa ..................................................................... 108

Tabla 18. Costos de operación ................................................................. 109

Tabla 19. Presupuesto del proyecto .......................................................... 109

Tabla 20. Costos de operación .................................................................. 110

Tabla 21. Tabla de torques para ajustar los amortiguadores ..................... 119

Tabla 22. Esquemas hidráulicos. Simbología e interpretación .................. 128

Tabla 23. Especificaciones del sensor inductivo ........................................ 138

Tabla 24. Eespecificaciones de electroválvula........................................... 139

viii

ÌNDICE DE ECUACIONES

PÁGINA

EC. 2.1………. ............................................................................................. 15

EC. 2.2….…… ............................................................................................. 16

EC. 2.3…….… ............................................................................................. 16

EC. 2.4………………. .................................................................................. 23

EC. 2.5…….……… ...................................................................................... 24

EC. 2.6…………………………………… ....................................................... 24

EC. 2.7…….… ............................................................................................. 24

EC. 2. 8……………………. .......................................................................... 26

EC. 2.9………….……………………. ............................................................ 26

EC. 2.10 ....................................................................................................... 36

EC. 2.11……….………. ............................................................................... 37

EC. 2.12……………………………….…………… ......................................... 37

EC. 2.13……….. .......................................................................................... 38

EC. 2.14………………….………. ................................................................. 39

EC. 2.15………………………………… ........................................................ 39

EC. 2.16………. ........................................................................................... 39

EC. 4.17…….. ............................................................................................. .65

EC. 4.18………………. ................................................................................ 65

EC. 4.19…….. ............................................................................................. .76

EC. 4.20…….. ............................................................................................. .78

EC. 4. 21………………………. ..................................................................... 78

EC. 4.22…….. .............................................................................................. 81

EC. 4.23……………………………….………. ............................................... 83

ix

ÌNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Suspensión de Ballestas ................................................................. 4

Figura 2. Etapas del Resorte ......................................................................... 5

Figura 3. Fuerzas que actúan en resorte ....................................................... 6

Figura 4. Alturas del resorte aplicando distintas cargas. ................................ 6

Figura 5. Oscilaciones del espiral (sin amortiguador y con amortiguador) ..... 7

Figura 6. Barra de Torsión ............................................................................. 7

Figura 7. Amortiguador espiral en función con todos los componentes ........ 8

Figura 16. Amortiguadores en mal estado ................................................... 9

Figura 17. Desgaste desigual en los neumáticos......................................... 10

Figura 18. Balanceo o inestabilidad en el vehículo ...................................... 10

Figura 19. Rebotes incontrolados en el vehículo ......................................... 10

Figura 20. Pruebas de frenado .................................................................... 11

Figura 21. Retirar la rueda ........................................................................... 12

Figura 22. Desajuste del amortiguador ........................................................ 13

Figura 23. (a) Opresor de resortes Utilizado (b) Compresión del Espiral ..... 13

Figura 24. Desmontaje del amortiguador ..................................................... 13

Figura 25. Ajuste de amortiguador al espiral ............................................... 14

Figura 26. Montaje del amortiguador al automóvil ....................................... 14

Figura 27. Partes de la bomba de engranajes ............................................. 18

Figura 28. Partes de la bomba de paletas ................................................... 18

Figura 29. Bomba hidráulica de pistones oscilantes .................................... 19

Figura 30. Componentes del tanque hidráulico ........................................... 20

Figura 31. Componentes básicos del cilindro hidráulico ............................. 23

Figura 32. Áreas del Cilindro ....................................................................... 23

Figura 33. Cilindro hidráulico de simple efecto con resortes ....................... 25

Figura 34. Funcionamiento del cilindro de doble efecto ............................... 26

Figura 35. Válvula reguladora de presión ................................................... 28

Figura 36. Electroválvula con accionamiento bobina-muelle ....................... 28

Figura 37. Válvula de aguja reguladora de flujo ........................................... 29

Figura 38. Esquema válvula anti-retorno ..................................................... 29

x

Figura 39. Prensa mecánica ........................................................................ 30

Figura 40. Principio de pascal ...................................................................... 32

Figura 41. Prensa hidráulica de accionamiento manual ............................. 33

Figura 42. Prensa hidráulica robotizada ...................................................... 33

Figura 43. Deformación de la viga aplicada una fuerza ............................... 34

Figura 44. Columna en compresión y deflexión ........................................... 35

Figura 45. Pandeo de una columna ............................................................. 36

Figura 46. Formas de restricción de una columna ....................................... 37

Figura 47. Comportamiento de la carga crítica ............................................ 38

Figura 48. Esquema del proceso de soldadura ........................................... 42

Figura 49. GMAW Área De Soldado.. .......................................................... 43

Figura 50. Soldadura FCAW (Flux Cored Arc Welding) .............................. 43

Figura 51. Soldadura GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) .......................... 44

Figura 52. Esquema del proceso de Soldadura (SAW) ............................... 44

Figura 53. Controlador lógico programable (PLC) ....................................... 46

Figura 54. Contactor electromagnético ........................................................ 49

Figura 55. Guardamotor .............................................................................. 50

Figura 56. Sensor inductivo ......................................................................... 50

Figura 57. Fases de metodología Mecatrònica de la maquina .................... 51

Figura 58. Viga estructural ........................................................................... 54

Figura 59. Mesa soporte .............................................................................. 54

Figura 60. Compresor superior .................................................................... 54

Figura 61. Cilindro hidráulico ....................................................................... 55

Figura 62. Base de la estructura .................................................................. 55

Figura 63. Ganchos de compresión ............................................................. 57

Figura 64. Opresor de resortes neumático de columna simple ................... 58

Figura 65. Prensa hidráulica de doble columna ........................................... 59

Figura 66. Opresor de resortes hidráulico de una sola columna .................. 60

Figura 67. Diagrama Fuerza – Deformación del resorte ............................. 65

Figura 68. Esquema de componentes ......................................................... 66

Figura 69. Diagrama de cuerpo libre de la columna .................................... 67

Figura 70. Dimensiones viga UPN-100 ........................................................ 69

xi

Figura 71. Dimensionamiento de la columna ............................................... 70

Figura 72. Dimensionamiento de la viga mesa ........................................... 71

Figura 73. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos del a viga soporte . 72

Figura 74. Dimensiones de la placa compresora ......................................... 73

Figura 75. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de la placa soporte 74

Figura 76. Dimensiones del rectángulo ........................................................ 74

Figura 77. Esquema del perno pasador ...................................................... 75

Figura 78. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de los pasadores .. 76

Figura 79. Diseño de Soldadura .................................................................. 78

Figura 81. Elementos del sistema hidráulico ............................................... 84

Figura 82. Sistema en estado de reposo ..................................................... 85

Figura 83. Activación de la electroválvula A ................................................ 86

Figura 84. Activación de la electroválvula B ................................................ 87

Figura 85. Partes del contactor .................................................................... 89

Figura 86. Diagrama eléctrico de arranque y paro del motor ....................... 89

Figura 87. Distribución del tablero de control ............................................... 90

Figura 88. Diagrama de control.................................................................... 91

Figura 89. Diagrama de Funciones .............................................................. 92

Figura 90. Programa de control ................................................................... 93

Figura 91. Construcción de la Estructura ..................................................... 94

Figura 92. Agujero de pasadores ................................................................. 94

Figura 93. Soportes del cilindro hidráulico ................................................... 95

Figura 94. Instalación del cilindro ................................................................. 95

Figura 95. Componentes de la centralina hidráulica .................................... 96

Figura 96. Conexión de mangueras hidráulicas ........................................... 97

Figura 97. Mesa central ............................................................................... 98

Figura 98. Colocación de mesa central y uñeta compresora ....................... 98

Figura 99. Instalación del tablero de control ................................................ 99

Figura 100. Cableado del tablero de control ................................................ 99

Figura 101. Montaje del amortiguador ....................................................... 102

Figura 102. Fuerza – deformación de carga mínima ................................. 104

Figura 103. Fuerza - deformación carga máxima ...................................... 106

xii

ÌNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO 1

Torques del Amortiguador ......................................................................... 119

ANEXO 2

Factores de Conversión ............................................................................. 119

ANEXO 3

Propiedades de las Áreas .......................................................................... 120

ANEXO 4

Longitud efectiva del cilindro según la fijación ........................................... 121

ANEXO 5

Especificaciones de Vigas UPN ................................................................. 122

ANEXO 6

Propiedades de los Aceros Estructurales .................................................. 123

ANEXO 7

Planos de la Máquina ................................................................................ 124

ANEXO 8

Símbolos Hidráulicos ................................................................................. 128

ANEXO 9

Características de la Bomba de engranajes externos ................................ 132

ANEXO 10

Mangueras Características ........................................................................ 132

ANEXO 11

Datos técnicos del LOGO! ......................................................................... 133

ANEXO 12

Simulación del Programa ........................................................................... 135

xiii

ANEXO 13

Detalles del Sensor Inductivo..................................................................... 137

ANEXO 14

Electroválvula............................................................................................. 139

ANEXO 15

Datos técnicos del motor ........................................................................... 140

xiv

RESUMEN

En el presente proyecto se desarrolló el diseño y construcción del prototipo

para comprimir sistemas de suspensión de los automóviles. La máquina

compresora de espirales es basada en el principio de la prensa hidráulica

con una capacidad de 2 toneladas.

En el primer capítulo se presenta una breve introducción general del

proyecto, en conjunto con los objetivos y el alcance a desarrollarse.

El segundo capítulo describe las generalidades de los diferentes sistemas de

suspensión que poseen los vehículos en la actualidad, se muestra los

efectos de una mala suspensión con el cambio convencional de

amortiguadores. Se describen los conceptos básicos acerca de la hidráulica

con todos los factores influyentes como presión, caudal etc. y los diferentes

componentes necesarios para un sistema hidráulico.

Se detalla el funcionamiento y la clasificación de prensas según el uso

requerido. La descripción de estructuras, columnas, vigas, y los diferentes

tipos de sujeción. El sistema de control se muestra la descripción del

controlador, contactor, guardamotor y el sensor.

El tercer capítulo muestra la metodología del proyecto a realizarse con los

requerimientos, restricciones, y objetivos de la máquina, estableciendo

parámetros de ingeniería para la elección del prototipo correcto.

El cuarto capítulo consta de cálculos, diseños, simulaciones virtuales, y la

determinación de materiales a utilizarse, todo esto realizado para asegurar el

correcto funcionamiento del opresor hidráulico de resortes.

El quinto capítulo es el análisis de resultados, realizado ya con el opresor

concluido, donde se realizan las pruebas de funcionamiento empezando por

el montaje de los amortiguadores al opresor, después verificar cada uno de

los movimientos, por último la interpretación de resultados obtenidos con las

diferentes cargas aplicadas al opresor.

El diseño, construcción del opresor, y las pruebas de funcionamiento

cumplen con los objetivos establecidos.

El último capítulo se describe las conclusiones y recomendaciones obtenidas

durante el desarrollo del presente proyecto.

xv

ABSTRACT

In this project the design and construction of the prototype was developed for

compressing suspension systems of cars. The spiral compressor machine is

based on the principle of the hydraulic press with a capacity of 2 tons.

In the first chapter show a general introduction to the project, together with

the objectives and scope to develop.

The second chapter describes the overview of the different suspension

systems possessing vehicles today, the effects of a bad sample suspension

with conventional dampers change. Basic concepts of hydraulics with all

influential factors such as pressure, flows etc. are described and various

components required for a hydraulic system.

Operation and the classification according to the required use presses

detailed. The description of structures, columns, beams, and types of

restraint, the control system controller description, contactor, breaker and the

sensor is shown.

The third chapter shows the methodology of the project and by the

requirements, constraints, and objectives of the machine, setting engineering

parameters for choosing the right prototype.

The fourth chapter consists of calculations, design, computer simulations,

and the determination of materials to be used, all made to assure proper

operation of the hydraulic spring oppressive.

The fifth chapter is the analysis of results, and performed with the completed

oppressor, where performance tests starting with the assembly of the

oppressor cushions are made, then check each of the movements, and

finally the interpretation of results obtained with the different loads applied to

the oppressor.

The design, construction of the oppressor, and operational testing conform to

the objectives set.

The last chapter the conclusions and recommendations obtained during the

development of this project is described.

1. INTRODUCCIÓN

1

En el tema propuesto es partir desde el estudio de amortiguadores y

espirales en los que se trabajan a diario, disponibilidad de espacio para la

instalación de la prensa que permita un libre acceso y comodidad para el

operario, el diseño de una estructura para la colocación de los espirales de

forma segura y estable, el diseño hidráulico el que va a poner en

funcionamiento la prensa con sus respectivos componentes que serían:

bomba hidráulica, motor eléctrico, mangueras de alta presión, pistones

hidráulicos, y el depósito hidráulico para el almacenamiento del fluido

hidráulico con su respectivo filtro.

El objetivo de la suspensión en un vehículo es “absorber” las desigualdades

del terreno sobre el que se desplaza, a la vez que mantiene las ruedas en

contacto con el pavimento, proporcionando un adecuado nivel de confort y

seguridad.

La suspensión permite la reducción de fuerzas causadas por las

irregularidades en el terreno, permite tener el control de la dirección, permite

mantener adheridos los neumáticos a la carretera manteniendo una correcta

alineación de las ruedas y tener al vehículo en la altura óptima o la altura

deseada por el usuario.

Un resorte es una pieza mecánica que típicamente usada para almacenar

energía e irla liberando subsecuentemente. Se utiliza para absorber golpes o

para mantener la fuerza entre dos superficies. Están hechos de forma espiral

y con la capacidad de retornar su tamaño original una vez que la energía es

liberada.

Una prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos

comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante

pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son

llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar

conjuntamente a la prensa hidráulica por medio de motores.

La prensas para cambiar amortiguadores para el uso en el taller automotriz

sea de fácil manejo, que pueda ser usada por cualquier empleado

2

capacitado o no capacitado, además gracias a su diseño es rápido y de fácil

mantenimiento en los sistemas de suspensión.

El sistema de control es a través de un PLC, que comanda las diferentes

acciones mediante pulsadores de manera sencilla para el operador, consta

del sistema de seguridad en caso de que existan sobre cargas en la

máquina y un paro de emergencia para deshabilitar el sistema

inmediatamente.

La mejor ubicación del PLC está cerca de la máquina o proceso que

controlará. El PLC es ubicado en un panel metálico cerrado que mantiene el

hardware del PLC protegido de los peligros ambientales.

Los PLC’s existen varios tipos en el mercado por lo que cada uno tiene

diferentes tipos de lenguajes de programación.

Para el diseño del software se realiza un esquema tomando en cuenta los

requerimientos del operador, que sea de fácil acceso y manejo.

La distribución de los componentes y alambrado dentro del panel metálico

debe tomar en consideración los efectos del calor, ruido eléctrico, vibración,

mantenimiento y seguridad.

El análisis de resultados es realizado una vez instalados todos los

componentes, para posteriormente trabajar confiablemente en dicha

máquina.

3

OBJETIVO GENERAL

Diseñar una prensa hidráulica que permita la compresión de espirales

controlada mediante un PLC para el cambio de amortiguadores o

espirales en los automóviles.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diseñar la parte mecánica y estructural donde se va a implementar

el sistema.

Diseñar el sistema hidráulico de la prensa.

Diseñar el sistema de control de la máquina para el manejo

adecuado.

Optimizar el proceso al momento de trabajar con los espirales.

El proyecto es una prensa compresora de espirales de la suspensión para el

montaje o desmontaje de amortiguadores, con el principio del

funcionamiento de una prensa hidráulica, diseñado en una estructura fija

donde se coloca el cilindro hidráulico de doble efecto para la compresión del

espiral.

La implementación del sistema hidráulico determinando el cilindro a utilizarse

para la máxima carga que se va aplicar, definir el tipo de mangueras de alta

presión, el control en la apertura y cierre de la electroválvula, también se

controlara el sensor inductivo, fin de carrera. Mediante un PLC que incluirá

dicha prensa.

El diseño y construcción de la prensa hidráulica compresora será elaborada

con estándares de diseños estudiados y analizados virtualmente. Aplicado

en un taller automotriz en el que a diario reciben automóviles con problemas

en la suspensión.

2. MARCO TEORICO

4

2.1. GENERALIDADES

Esta parte servirá para investigar cada una de las fuentes de referencia

necesarias para desarrollar el proyecto, donde se tomará como inicio el

estudio de los sistemas de suspensión, amortiguadores, espirales, tipos y

formas de desmontaje, estructuras, cilindros hidráulicos, sistemas de control

semi-automático, etc., correspondientes al tema del proyecto con sus

características principales y la función principal en el mercado.

2.1.1. SISTEMAS DE SUSPENSIÓN

El sistema de suspensión está compuesto por un elemento flexible (resorte,

barra de torsión, muelle de goma, gas o aire) y un elemento de

amortiguación (amortiguador), el cual debe neutralizar las oscilaciones de la

masa suspendida ocasionadas por el elemento flexible al adaptarse a las

irregularidades del terreno.

Elementos de la suspensión simple son:

Muelle o ballesta.

Resorte.

Barras de torsión.

2.1.1.1. Ballestas

Figura 1. Suspensión de Ballestas

Las ballestas están constituidas por un conjunto de hojas o láminas de acero

especial para muelles, unidas mediante unas abrazaderas que permiten el

deslizamiento entre las hojas cuando éstas se deforman por el peso que

5

soportan. La hoja superior, llamada hoja maestra, va curvada en sus

extremos formando unos ojos en los que se montan unos casquillos de

bronce para su acoplamiento al soporte del bastidor por medio de unos

pernos o bulones. (imac , 2008)

2.1.1.2. Resortes

Estos elementos mecánicos se utilizan en sustitución de las ballestas, pues

tienen la ventaja de conseguir una elasticidad blanda debido al gran

recorrido del resorte ocupando poco espacio y peso.

El resorte está constituido de un grueso alambre de acero, enrollado como

un cilindro de forma espiral de distintos diámetros y diferentes alturas.

Tienen la característica de que la distancia de compresión es proporcional a

la carga que soportan, es decir para carga doble se reducen a la mitad de

tamaño.

Los resortes soportan el peso del vehículo, mantienen la altura del vehículo y

absorben los impactos en la vía. Los resortes permiten mantener los

neumáticos pegados en el asfalto con una mejor adherencia y mucha

estabilidad en las curvas para evitar que el automóvil se vuelque,

disminuyendo el impacto dentro de la cabina del automóvil.

En el resorte no debe haber contacto entre las espiras, lo que la deformación

tiene que ser menor que el paso por el número de espiras. Caso contrario la

carga al momento de poner en marcha el vehículo se transmitirá

directamente en el chasis.

Figura 2. Etapas del Resorte

6

Durante el estudio de los resortes, el término bote se refiere al movimiento

vertical (hacia arriba y hacia abajo) del sistema de suspensión. El recorrido

de la suspensión hacia arriba que comprime el resorte y el amortiguador se

conoce como aplastamiento o compresión. El recorrido de la llanta y la rueda

hacia abajo que extiende el resorte y los amortiguadores se denomina rebote

o extensión.

Trabajan a torsión, retorciéndose proporcionalmente al esfuerzo que tienen

que soportar, acortando su longitud y volviendo a su posición de reposo

cuando termina el efecto que produce la deformación.

Figura 3. Fuerzas que actúan en resorte

Cuando el resorte es desviado, almacena energía. Sin amortiguadores, el

resorte se extenderá y liberará esta energía a una velocidad incontrolada. La

inercia del resorte hace que éste bote y se sobre extienda. Luego, se

comprime, pero de nuevo se desplazará demasiado lejos. El resorte continúa

botando a su frecuencia natural hasta que se utiliza toda la energía que se

puso originalmente en él. (MONROE AMORTIGUADORES Y STRUTS,

1995)

Figura 4. Alturas del resorte aplicando distintas cargas.

7

Figura 5. Oscilaciones del espiral (sin amortiguador y con amortiguador)

2.1.1.3. Barra de torsión

Este tipo de suspensión, está constituido por una varilla de acero elástico

sujeta por uno de sus extremos se le aplica por el otro un esfuerzo de

torsión, esta varilla tenderá a retorcerse, volviendo a su forma original por su

elasticidad cuando termine el esfuerzo de torsión.

Figura 6. Barra de Torsión

(Bermejo, 2012)

2.1.2. AMORTIGUADORES

Los amortiguadores son un componente del sistema de suspensión que

controla los espirales, manteniendo el vehículo en constante contacto con el

suelo y por ello la importancia que tienen en la seguridad vial, evitando

accidentes provocados por falta de adherencia de los neumáticos al suelo,

cuando los amortiguadores están desgastados se pierde adherencia entre el

neumático y la vía.

La función de los amortiguadores absorber la energía para eliminar

desbalanceo en la carrocería del vehículo producido por los distintos

8

movimientos, para absorber energía producida por golpes o impactos

sufridos en los neumáticos.

Los amortiguadores son un componente de la parte de suspensión del

vehículo que cumple una determinada función que permite mantener las

ruedas pegadas al suelo siendo un complemento muy importante con el

espiral ya que el amortiguador permite al resorte comprimir y descomprimir

de una manera controlada.

Figura 7. Amortiguador espiral en función con todos los componentes

(Urbieta, 2003)

Un amortiguador es un pistón hidráulico con flujo limitado, el objetivo de un

amortiguador es evitar que la llanta rebote por el movimiento armónico que

genera el resorte o barra de torsión.

2.1.3. DIAGNÓSTICO PARA AMORTIGUADORES

Por ser un sistema de piezas interconectadas es fundamental que ésta actúe

con eficacia y sincronismo en todas las circunstancias y terrenos por lo que

es importante realizar una inspección preventiva cierto tiempo, teniendo en

cuenta los siguientes pasos a seguir:

Inspeccionar visualmente el estado de la suspensión de forma periódica,

cada 20.000 o 30.000 Kilómetros, o al menos una vez al año.

9

Según la calidad del amortiguador tipo de suspensión y las

condiciones de funcionamiento, la vida media útil podría

establecerse de 40.000 a 100.000 kilómetros.

El uso frecuente en terrenos accidentados o el transporte continuo

de cargas hará necesario un control más a menudo.

Los Amortiguadores suavizan la marcha a la vez que evitan los

rebotes incontrolados de las ruedas generando estabilidad en el

vehículo. (Centrocapemi, 2011)

2.1.3.1. Amortiguadores en mal estado

Si se observa que los amortiguadores están defectuosos por golpes, fugas

de aceite, o muy blandos o flojos realizar el cambio respectivo de los

mismos, también verificar la altura correcta del vehículo que es dada por los

espirales.

Figura 8. Amortiguadores en mal estado

10

Una deficiente amortiguación puede provocar desgastes irregulares de los

neumáticos.

Figura 9. Desgaste desigual en los neumáticos

Una consecuencia directa de unos amortiguadores desgastados es la

perdida de la seguridad en la conducción con una mala respuesta de la

dirección, rigidez o ruido en las curvas. Sientes balanceo o inclinación

excesiva en las curvas.

Figura 10. Balanceo o inestabilidad en el vehículo

Si los amortiguadores no están en buen estado comenzaran a producirse

rebotes incontrolados de las ruedas generando poca adherencia de los

neumáticos contra el suelo provocando la inestabilidad del vehículo.

Figura 11. Rebotes incontrolados en el vehículo

11

El equilibrio y la estabilidad de un automóvil en curvas y frenadas dependen

del buen funcionamiento del conjunto resorte / amortiguador.

La Figura 20 muestra que tan útiles son los amortiguadores al realizar

pruebas al momento de frenar demostrando una gran diferencia entre

amortiguadores en buen estado y regular estado, a distintas velocidades.

“La prueba número 996 del RAC (Royal Automobile Club por sus siglas en

inglés) demuestra el efecto sobre la distancia de frenado a 50 mph y 70 mph

en tres típicos sedanes familiares equipados con amortiguadores traseros al

100% y 50% de eficiencia.” (AutoZone, Inc., 2001)

Figura 12. Pruebas de frenado

2.1.3.2. Síntomas de fatiga de los resortes

Vehículo pierde altura, o inclinación hacia adelante, hacia atrás, o en

forma lateral.

Cuando acelera, la parte delantera se eleva o se frena la parte delantera

se inclina.

Demasiado desgaste en los amortiguadores, rótulas, extremos de

dirección y bujes, provocando excesivas oscilaciones en la carrocería o

emitiendo ruidos.

12

Las espiras del resorte muestran señales de que se están golpeando

entre sí.

Aparición de óxido en la superficie del resorte.

Variación en la distancia entre el borde de guardafangos y el centro de la

rueda, impidiendo que la carrocería no pueda recuperar su posición

original. (Centrocapemi, 2011)

2.1.4. DESMONTAJE Y MONTAJE DE AMORTIGUADORES CON

ESPIRAL

Se debe empezar con la comprobación de los amortiguadores en un banco

de pruebas.

Para el desmontaje primero se debe retirar la rueda del vehículo para tener

accesibilidad al amortiguador.

Figura 13. Retirar la rueda

Aflojar las tres tuercas que sujeta al plato con el resorte y el amortiguador en

la parte superior como indican las flechas rojas de la Figura 22(a) seguido de

los sujetadores que se encuentran en la parte inferior como indican las

flechas azules y las flechas rojas del Figura 21(b).

13

a) b)

Figura 14. Desajuste del amortiguador

Comprimir el resorte utilizando los opresores de ganchos, son dos que se

sujetan en cada lado del espiral como se muestra en la Figura. 23 (a), una

vez que se acopla al resorte se procede ajustar de forma uniforme en cada

opresor hasta comprimir en la distancia requerida para como muestra la

Figura. 23(b).

Figura 15. (a) Opresor de resortes Utilizado (b) Compresión del Espiral

Aflojar la tuerca que sujeta al plato con el resorte y el amortiguador para

retirar el amortiguador por abajo del resorte tener cuidado de que no se

suelten los opresores.

Figura 16. Desmontaje del amortiguador

14

Para el montaje y armado se debe colocar todas las piezas en conjunto, y

revisar que todo se ajuste en su lugar sobre todo el plato y el resorte.

Retirar los opresores y apretar la tuerca del amortiguador con referencia a

los toques que se muestran en la tabla de anexos 1.

Figura 17. Ajuste de amortiguador al espiral

Colocar primero la base superior, sobreponer las tuercas para poder mover

el amortiguador centrándolo a la base de los discos.

Finalmente realizar el ajuste de todas las tuercas superiores e inferiores

como indica la Figura 26.

Figura 18. Montaje del amortiguador al automóvil

El cambio de Resortes se debe realizar cada dos cambios de

amortiguadores para garantizar seguridad y óptimo rendimiento de todos los

componentes de la suspensión. (EMTA, 2011)

15

2.2. HIDRÁULICA

2.2.1. INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA

La hidráulica es una rama de la mecánica de fluidos y presente en la

ingeniería que comprende la transmisión y regulación de fuerzas y

movimientos por medio de los líquidos. Este estudio se trata de la

hidrodinámica donde se consideran tres aproximaciones importantes:

Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no

varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con

los gases.

Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya

que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es

mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento.

Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estable o

estacionario, es decir, que la velocidad del líquido en un punto es

independiente del tiempo. (Mott R. , 1996)

Cuando se escuche la palabra “hidráulica” hay que remarcar el concepto de

que es la transformación de la energía, ya sea de mecánica o eléctrica en

hidráulica para obtener un beneficio en términos de energía mecánica al

finalizar el proceso.

Etimológicamente la palabra hidráulica se refiere al agua:

Hidros - agua. Aulos - flauta. (Royo, 1998)

2.2.2. PRESIÓN

La presión es la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual

actúa.

En cualquier caso en que exista presión, una fuerza actuará en forma

perpendicular sobre una superficie.

Se calcula mediante la siguiente fórmula:

EC. 2.1

16

Dónde:

P = Presión; [Pa], [bar], [kg/cm2].

F = Valor de la fuerza perpendicular a la superficie; [N], [kgf], [lbf].

A = Área o superficie sobre la que actúa la fuerza; [ ], [ ].

2.2.3. CAUDAL

Es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se

identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la

unidad de tiempo [l/min].

El caudal puede calcularse a través de las siguientes fórmulas:

EC. 2.2

Dónde:

Q = caudal; [lt/min].

V = volumen; [lt/s].

t = tiempo; [s].

Q= V. s EC. 2.3

Dónde:

Q = caudal; [l/min].

V = velocidad; [m/s].

s = superficie; [ ].

2.2.4. FLUIDO

Es un líquido transmisor de potencia que se utiliza para transformar,

controlar y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una variación de

presión o de flujo. (Interactive Industrial Training, 2000)

Transmitir presiones.

Refrigerar, evacuar el calor producido en el circuito.

Proteger contra corrosión.

17

2.2.4.1. Viscosidad

La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido para fluir a una

temperatura determinada.

Las viscosidades de los aceites hidráulicos pueden variar entre los 10 a 750

[cSt] (centiStokes).

En la viscosidad influye tanto la temperatura como la presión de trabajo.

El aumento de temperatura disminuye la viscosidad en tanto que el aumento

de presión la disminuye.

Un fluido que fluye fácilmente tiene una viscosidad baja. Un fluido que no

fluye fácilmente tiene una viscosidad alta.

2.2.5. BOMBA HIDRÁULICA

La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica

proveniente del motor.

Toma energía de una fuente como puede ser un motor y la convierte en

forma de energía hidráulica.

La bomba toma aceite de un depósito de almacenamiento y lo envía como

un flujo al sistema hidráulico.

Los engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la

bomba.

La bomba sólo produce flujo (galones por minuto, litros por minuto,

centímetros cúbicos por revolución, etc.), que luego es usado por el sistema

hidráulico. La bomba NO produce “presión”. La presión se produce por

acción de la resistencia al flujo.

Hay tres tipos básicos de bombas: de engranajes, de paletas y de pistones.

2.2.5.1. Bomba de Engranajes

Una bomba de engranajes es un tipo de bomba hidráulica que consta de dos

engranajes del mismo tamaño, que se engranan entre si dentro de una

carcasa.

El engranaje impulsor es una extensión del eje impulsor. Cuando gira,

impulsa al segundo engranaje. Cuando ambos engranajes giran, el fluido se

18

introduce a través del orificio de entrada. Este fluido queda atrapado entre la

carcasa y los dientes de rotación de los engranajes, se desplaza alrededor

de la carcasa y se empuja a través del puerto de salida. La bomba genera

flujo y, bajo presión, transfiere energía desde la fuente de entrada, que es

mecánica, hasta un actuador de potencia hidráulica.

Figura 19. Partes de la bomba de engranajes

2.2.5.2. Bomba de Paletas

Las bombas de paletas tienen un conjunto de aletas con cinemática radial

Está construida con una carcasa, dentro de ella se encuentra un rotor

giratorio que sostiene a las paletas. Al girar el rotor las paletas son las

encargadas de aspirar el fluido, debido a la depresión que provocan con su

giro, para impulsarlo al exterior.

Figura 20. Partes de la bomba de paletas

2.2.5.3. Bomba de Pistón

Las bombas de pistones, un pistón se desplaza mediante un movimiento

giratorio de un eje en movimiento axial de vaivén, que produce en los

19

pistones aspirando el fluido de la zona de admisión y enviándolo hacia la

salida.

Este movimiento de vaivén succiona fluido y lo bombea hacia fuera.

Figura 21. Bomba hidráulica de pistones oscilantes

(AIU, 2012)

Tabla 1. Características de las bombas hidráulicas

(Festo, 2009)

20

2.2.5.4. Depósito

La función del tanque hidráulico o depósito es almacenar aceite, aunque no

es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del

aceite.

Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, no permite

que entre suciedad externa. Su misión es recuperar el fluido después de

usarlo y mantener un nivel adecuado al uso de la instalación.

Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos.

Figura 22. Componentes del tanque hidráulico

Tapa de llenado - Mantiene los contaminantes fuera de la abertura

usada para llenar y añadir aceite al tanque.

Mirilla - Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel

de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está

en un nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es

correcto. Existen ciertas mirillas con termómetros que permite

monitorear la temperatura en que se encuentra el aceite.

Tuberías de suministro y retorno - La tubería de suministro permite

que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno

permite que el aceite fluya del sistema al tanque.

Drenaje - Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite

sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje

21

también permite retirar de los aceites contaminantes como el agua y

sedimentos

Manómetro- Se pone después de la bomba e indica la presión de

trabajo. (AIU, 2012)

2.2.5.5. Filtros (en la descarga, o en la salida de presión)

Los filtros se emplean para el control de la contaminación por partículas

sólidas (trozos de metal, plásticos, etc.) de origen externo y las generadas

internamente por procesos de desgaste de las superficies de la maquinaria,

permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como

del fluido hidráulico.

Filtro de impulsión o de presión: situado en la línea de alta presión

tras el grupo de impulsión o bombeo, permite la protección de

componentes sensibles como válvulas o actuadores.

Filtro de retorno: en un circuito hidráulico cerrado, se sitúa sobre la

conducción del fluido de retorno al depósito a baja presión o en el

caso de filtros semi-sumergidos o sumergidos, en el mismo depósito.

Actúan de control de las partículas originadas por la fricción de los

componentes móviles de la máquina. (Center, 1993)

2.2.5.6. Conductos de comunicación

Son conductos que constan de un tubo hueco flexible diseñado para

transportar fluidos de un lugar a otro.

Las mangueras hidráulicas están sometidas a condiciones extremas como

diferencias de presión durante el funcionamiento y exposición al clima,

agentes químicos, condiciones de operación en alta temperatura o

manipulación inapropiada durante el funcionamiento o mantenimiento.

La selección de los conductos es según material, diámetro, y presión de

trabajo.

Existen varios tipos de conductos hidráulicos para baja, mediana, alta y

extrema presión que deben cumplir con los siguientes requisitos:

Seguridad

Flexibilidad

22

Desempeño

Resistencia

Durabilidad

Debe ser calculado en el momento de diseño del sistema para la correcta

selección de cada elemento. De esta forma se obtiene un sistema eficiente

con capacidad de suministrar la cantidad de fluido necesario a la presión

requerida. (AIU, 2012)

2.3. CILINDROS HIDRÁULICOS

Los cilindros hidráulicos son actuadores mecánicos que su fuerza de salida o

movimiento, se produce en línea recta.

Su función es convertir la potencia hidráulica en potencia lineal mecánica.

Entre sus aplicaciones de trabajo se incluyen empujar, arrastrar, inclinar y

ejercer presión. El tipo y el diseño del cilindro dependen de las aplicaciones

específicas.

Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico

presurizado, que es aceite. Consta básicamente en dos piezas: un cilindro

barril y un pistón o émbolo móvil conectado a un vástago. El cilindro barril

está cerrado por los dos extremos, en uno está el fondo y en el otro, la

cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por

donde sale el vástago. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras:

la cámara inferior y la cámara del vástago. La presión hidráulica actúa en el

pistón para producir el movimiento lineal. (Díez, 2014)

23

Figura 23. Componentes básicos del cilindro hidráulico

(DFL, 2000)

2.3.1. FUERZA DEL CILINDRO

La fuerza a realizar el cilindro es en función del área efectiva como se

muestra la figura 32, se determina con la siguiente ecuación. (Díez, 2014)

F = P * A (efectiva) EC. 2.4

Dónde:

F = Fuerza del cilindro; [N].

P = Presión hidráulica de trabajo; [Pa].

A (efectiva) = Área efectiva del cilindro; [ ].

Figura 24. Áreas del Cilindro

24

Formula del área efectiva del cilindro.

EC. 2.5

Formula del área pequeña de la cámara del cilindro.

EC. 2.6

2.3.1.1. Velocidad de Trabajo

La velocidad del émbolo indicará el caudal necesario de la bomba y el

diámetro de las conducciones. (Sole, 2007)

EC. 2.7

Dónde:

V = velocidad media del vástago; [m/s].

L = carrera del vástago; [m].

t = tiempo de recorrido; [s].

2.3.2. CILINDRO SIMPLE EFECTO

Este tipo de cilindro puede ser de empuje o tracción. El retorno del vástago

se realiza mediante la fuerza de la gravedad, el peso de una carga o por

medio de un muelle.

Este cilindro tiene un orificio, para que la cámara no se llene de aire como se

observa en la figura 33.

El cilindro de simple efecto ingresa el aceite por un lado del émbolo, por lo

que solo puede transmitir esfuerzo en una dirección.

Aplicaciones más frecuentes son:

Elevación de cargas

Descenso de cargas

Bloqueo de cargas

Desplazamiento de cargas

25

Figura 25. Cilindro hidráulico de simple efecto con resortes

(Sole, 2007)

2.3.3. CILINDRO DOBLE EFECTO

El cilindro hidráulico de doble efecto tiene la capacidad de extenderse como

al retraerse.

En este tipo de cilindro consta de dos orificios que hacen de entrada y salida

de fluido, de manera indistinta. Incluso se puede regular la velocidad de

desplazamiento del vástago.

Tiene dos cámaras, una a cada lado del émbolo. En el émbolo es donde va

sujeto el vástago o pistón; y es el que hace que se desplace el vástago de

un lado a otro según le llegue el fluido por una cámara u otra.

En la carrera de extensión, el fluido entra proveniente de la bomba por la

entrada B actuando sobre el pistón y el fluido del otro lado del pistón es

expulsado a estanque, a través de A. (Figura 34)

En la carrera de retracción el fluido ingresa por A actuando en la otra cara

del pistón y se expulsa el fluido del otro lado por B. (Figura 34)

El cilindro de doble efecto puede estar montado en cualquier posición o

dirección ya que el retorno del mismo no se debe a ninguna acción ajena al

mismo. (Talleres Lucas, 2013)

26

Figura 26. Funcionamiento del cilindro de doble efecto

En el cilindro de doble efecto actúan dos fuerzas que son:

Fuerza de Extensión

La fuerza de extensión se calcula con la siguiente formula:

EC. 2. 8

Fuerza de Retracción

La fuerza de retracción se calcula con la siguiente formula:

EC. 2.9

Dónde:

P = Presión; [MPa], [bar].

D = Diámetro interior del cilindro; [mm].

d = Diámetro del vástago del pistón; [mm].

0,9 = Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del

cilindro.

El factor de carga es la relación entre la carga real y la fuerza teórica de

salida del cilindro. La tabla 2 indica la relación entre el factor de carga y la

velocidad del pistón.

B A B A

27

Tabla 2. Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón

Velocidad del pistón (mm/s) Factor máximo de carga

8 a 100 70%

101 a 200 30%

201 a 300 10%

2.4. ELEMENTOS DE REGULACION Y CONTROL

Encargados principalmente de regular el paso del aceite desde las bombas a

los elementos actuadores. Estos elementos, se denominan válvulas,

electroválvulas, sensores, que pueden ser activados de diferentes formas:

manualmente, por circuitos electrónicos, PLC’s, neumáticos, hidráulicos o

mecánicos.

2.4.1. Válvulas

Es un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la

circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre,

cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.

La válvula es uno de los instrumentos de control más esenciales en las

máquinas que presentan fluidos.

2.4.1.1. Válvulas reguladoras de presión

Las válvulas de control de presión o de seguridad realizan funciones tales

como limitar la presión máxima de un sistema o regular la presión reducida

en ciertas partes del circuito u aquellas actividades que implican cambios en

la presión de trabajo. Su funcionamiento se basa en un equilibrio entre

presión y la fuerza.

La válvula reguladora de la presión tiene dos circuitos:

Un circuito regulador eléctrico más lento, para ajustar un valor de

presión.

28

Un circuito regulador mecánico-hidráulico más rápido, que compensa

las oscilaciones de presión de alta frecuencia.

Figura 27. Válvula reguladora de presión

2.4.1.2. Válvulas Direccionales

El fluido que circula por el sistema hidráulico debe ser dirigido

convenientemente a los diversos cilindros, actuadores, o motores, de

acuerdo a las exigencias y secuencias del trabajo que se deba realizar

Las válvulas direccionales más convencionales son las de dos, tres y cuatro

vías.

Estas pueden accionarse manualmente, mecánicamente o hidráulicamente y

por señal eléctrica (electro-válvulas).

2.4.1.3. Electroválvula

Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar

el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería. La

válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina

solenoidal.

Figura 28. Electroválvula con accionamiento bobina-muelle

29

Al cerrar el contacto se alimenta la bobina, el campo magnético generado

atrae al núcleo y deja pasar aire hacia la salida; al abrir el muelle devuelve a

la válvula a su posición inicial. (altecdust, 2013)

2.4.1.4. Válvulas Reguladoras de Flujo

Las válvulas reguladoras de caudal permiten controlar la velocidad de

avance o retroceso de un cilindro. Cada reguladora de caudal sólo regula la

velocidad en un sentido.

Una válvula de control de flujo genera resistencia adicional al circuito,

aumentando la presión, que da como resultado un desvío parcial del fluido

sobre la válvula de alivio y la disminución del desplazamiento de una bomba

compensada por presión.

Figura 29. Válvula de aguja reguladora de flujo

(Interactive Industrial Training, 2000)

2.4.1.5. Válvula Anti-retorno

La válvula anti-retorno puede funcionar como control direccional o como

control de presión. Una válvula anti-retorno no es más que una válvula

direccional de una sola vía. Permite el paso libre del aceite en una dirección

y lo bloquea en la otra. (AIU, 2012)

Figura 30. Esquema válvula anti-retorno

30

2.5. PRENSA

La prensa es una máquina que se utiliza para comprimir, puede actuar sobre

distintos materiales ya sea en frío o en caliente, para cualquier trabajo que

requiera una fuerte presión, o una gran fuerza.

2.5.1. TIPOS DE PRENSAS

2.5.1.1. Prensas Mecánicas

La prensa mecánica o prensadora es la máquina que, a través de un volante

de inercia, acumula energía y la transmite por vía mecánica o neumática a

una matriz estas prensas, permiten realizar el proceso conocido como

troquelación (la realización de agujeros en metales, plásticos, cartones u

otros materiales). (Palacios, Diseño de una Prensa Hidráulica para Elaborar

Pocetas de Acero Inoxidable, 2008)

Figura 31. Prensa mecánica

2.5.1.2. Prensas Neumáticas

Las prensas neumáticas son controladas por la manipulación de aire a

presión. El aire es forzado en un tubo que se llena con el aire y se aplica la

presión que hace que la prensa se desplace hacia abajo. Una vez que el

recorrido de la prensa está terminado, el aire se evacua a través de válvulas,

resortes mecánicos y hacen que la bomba se mueva de nuevo hacia arriba.

31

2.5.1.3. Prensas Hidráulicas

La prensa hidráulica es una máquina que consta de vasos comunicantes que

son impulsados por pistones de distintas áreas que mediante pequeñas

fuerzas podemos obtener mayores fuerzas para poder levantar pesos muy

grandes con una fuerza pequeña. Los pistones son componentes hidráulicos

que necesitan de líquido hidráulico para su funcionamiento requerido lo que

conjuntamente hacen funcionar a la prensa por medio de motores donde se

transforma la energía mecánica en energía hidráulica.

Las prensas tiene mucha utilidad en industrias, mecánicas, etc. por su fácil

utilización para realizar trabajos que no puede hacer la mano del hombre, la

prensa permite trabajar sobre distintos materiales sea en frío o caliente para

cualquier operación donde se requiere una gran presión.

Las prensas hidráulicas tienen capacidad de producción y trabajo más

rápido, por eso en la actualidad existe la preferencia de dicha prensa. Esto

es debido que las prensas hidráulicas son más rápidas, y confiables por el

avance tecnológico que existe hoy en día como motores más eficientes,

bombas, mangueras etc. (Scribd, 2011)

2.5.1.3.1. Principio de Pascal

El principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y

matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: la

presión ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un

recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en

todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca,

perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera

con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el

agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la

misma presión.

También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas

hidráulicas, en los elevadores hidráulicos y en los frenos hidráulicos. (Lara

Barragàn Gòmez & Trejo, 2007)

32

Figura 32. Principio de pascal

2.5.1.3.2. Funcionamiento Prensa Hidráulica

El principio de funcionamiento de la prensa hidráulica, suponer una tubería

en forma de “U” cuyos extremos tienen un diámetro distinto; es decir, uno es

más ancho que otro. Si se llenara esta tubería con un fluido y colocáramos

sobre uno de los extremos un peso, el nivel del fluido en éste bajaría y en la

misma medida subiría el del otro extremo.

Se muestra cómo la fuerza es igual a la presión multiplicada por la

superficie. La prensa hidráulica amplifica una fuerza porque el fluido está

encerrado entre dos pistones de área diferente. Y es que estos vasos

comunicantes o émbolos son impulsados por pistones y mediante pequeñas

presiones se consiguen otras presiones mayores.

El principio de pascal que interactúa permite obtener fuerzas muy grandes

usando relativamente fuerzas pequeñas.

Accionamiento manualmente

Tiene un cilindro el cual tiene en su interior un émbolo que sale y comprime

la pieza contra la mesa, todo esto gracias al fluido del aceite hidráulico que

es accionado desde una bomba hidráulica de uso manual.

33

Figura 33. Prensa hidráulica de accionamiento manual

Prensas Automatizadas

Se acciona mediante controles automáticos a una bomba que permite la

circulación del fluido hidráulico en aquel cilindro para comprimir la pieza

sobre la mesa manejando con mucha precisión constando con: dispositivo

amortiguador de perforación y corte, mesa de trabajo móvil, dispositivo de

seguridad, dispositivo de refrigeración de aceite, pantalla táctil, control PLC,

etc.

Figura 34. Prensa hidráulica robotizada

(Scribd, 2011)

34

2.6. ESTRUCTURAS

Se define a estructura a los cuerpos que son capaces de resistir cargas sin

que exista una deformación excesiva de una de las partes con respecto a la

otra.

La función de una estructura consiste en transmitir las fuerzas de un punto a

otro en el espacio, resistiendo a su aplicación sin perder la estabilidad.

2.6.1. VIGAS

Es un elemento estructural lineal que trabaja principalmente a flexión. En las

vigas, la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser

horizontal. El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y

compresión, produciéndose las máximas en el cordón inferior y en el cordón

superior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento

flector y el segundo momento de inercia. En las zonas cercanas a los apoyos

se producen esfuerzos cortantes. También pueden producirse tensiones por

torsión, sobre todo en las vigas que forman el perímetro exterior de un

forjado.

Figura 35. Deformación de la viga aplicada una fuerza

2.6.2. COLUMNAS

Una columna es un miembro estructural que soporta una carga axial de

compresión, que tiende a fallar por inestabilidad elástica o pandeo, más que

por aplastamiento del material. La inestabilidad elástica es la condición de

35

falla donde la forma de una columna no tiene la rigidez necesaria para

mantenerla erguida bajo la carga. Entonces, si no se reduce la carga, la

columna se colapsará. Es obvio que este tipo de falla catastrófica debe

evitarse en estructuras y en elementos de máquinas.

Las cargas que puede soportar una columna pueden ser concéntricas,

cuando se aplican sobre su centroide, o excéntricas, cuando se aplican a

cierta distancia de su eje centroidal.

Figura 36. Columna en compresión y deflexión

Cuando se incrementa la longitud de una columna, disminuye su capacidad

de soportar carga. Cuando la excentricidad es pequeña y la columna es

corta, la flexión lateral es despreciable, comparada con el efecto de la

compresión; por el contrario al aumentar la longitud, una pequeña

excentricidad puede producir un gran esfuerzo de flexión.

Los métodos para analizar y diseñar columnas, para garantizar la seguridad

bajo una diversidad de condiciones de carga.

2.6.2.1. Radio de giro

Una columna tiende a pandearse con respecto al eje el cual el radio de giro y

el momento de inercia son mínimos.

36

El radio de giro se calcula con la siguiente formula:

EC. 2.10

Dónde:

r = El valor mínimo del radio de giro de la sección transversal

I = El momento de inercia de la sección transversal, con respecto al eje

para el que I es mínimo; [ .

A = El área de la sección transversal; [ .

Figura 37. Pandeo de una columna

2.6.2.2. Fijación de un extremo y longitud efectiva

Es la forma en que se soportan los extremos de una columna existen tres

formas de restricción de extremos que son:

Articulada

Un extremo articulado de una columna está guiado de tal manera que no se

puede mover de un lado a otro, pero no ofrece resistencia a la rotación del

extremo.

Empotrada

Un extremo empotrado es sujetado contra la rotación en el soporte.

37

Libre

El extremo superior se encuentra libre no tiene restricción y no está guiado.

Figura 38. Formas de restricción de una columna; valores de K para obtener la longitud efectiva

La forma de soportar ambos extremos de la columna afecta la longitud

efectiva de la columna que se define con la siguiente ecuación:

Le = K.L EC. 2.11

Dónde:

L = Longitud real de la columna; [m], [pulg], [cm].

K = Constante que se muestra en la figura

2.6.2.3. Relación de Esbeltez

La relación de esbeltez es el cociente de la longitud efectiva de la columna

entre su radio de giro mínimo.

EC. 2.12

38

Dónde:

L = longitud real de la columna entre soportes

K=constante que depende del extremo fijo

2.6.2.4. Relación de esbeltez de transición

Depende del valor de la relación de esbeltez real de la columna que se

analiza, comparado con la relación de esbeltez de transición o constante de

columna Cc, que se define con la siguiente ecuación:

EC. 2.13

Dónde:

E = Modulo de elasticidad del material de la columna

Sy = Resistencia de la fluencia del material

2.6.2.5. Carga Crítica

La carga máxima que una columna puede soportar cuando está a punto de

pandearse se llama carga crítica, Pcr. Cualquier carga adicional provocará

que la columna se pandee y presente una deflexión lateralmente.

Figura 39. Comportamiento de la carga crítica

39

Se presentan dos métodos para analizar columnas rectas que son:

A. La fórmula de EULER para columnas largas y esbeltas.

Si Re > Cc columna es larga, emplear la fórmula de EULER.

EC. 2.14

B. La fórmula de J.B. Johnson para columnas cortas.

Si Re < Cc columna es corta, emplear la fórmula de J.B. Johnson.

EC. 2.15

2.6.2.6. Factor de diseño y carga admisible

Al ocurrir una falla con una carga límite y no con un esfuerzo, el concepto de

diseño es un factor importante al momento de aplicar a la carga crítica.

Es garantizar que el diseño de la columna al momento de aplicar una carga

sea seguro, y que sea bastante menor que la carga critica de pandeo.

Factor de Diseño es:

Columnas de Maquinas N = 3

Columnas Estacionarias N = 2

Por lo tanto la ecuación de la carga admisible es:

Pa = Pcr/N EC. 2.16

Dónde:

Pcr = carga critica de pandeo; [lb], [N].

Pa = carga admisible; [lb], [N].

P = carga real aplicada; [lb], [N].

N= factor de diseño

La carga real aplicada (P) debe ser menor que la carga admisible (Pa).

(Mott R. L., 2006)

40

2.6.3. TIPOS DE SUJECIÓN

Los dispositivos de sujeción son muy importantes en la construcción de

máquinas o dispositivos debido al uso que van a tener.

2.6.3.1. Sujeción por pernos

Para formar uniones desmontables, así como para lograr una mayor

velocidad de ejecución de las uniones, se utilizan los tornillos.

Se distinguen tres clases de tornillos: Los ordinarios o tornillos negros; los

calibrados o ajustados y los de alta resistencia.

Tornillos ordinarios: los tornillos que no cumplen las condiciones

indicadas anteriormente para los tornillos calibrados se designan como

tornillos negros u ordinarios.

Tornillos calibrados: se exige para los diámetros del agujero y de la

espiga un ajuste H 11/ h 11.

Para estructuras, y para tornillos de diámetros entre 20 y 30 mm, se

admite una holgura de 0,3 mm entre espiga y agujero.

Tornillos de alta resistencia: son apretados fuertemente con el fin de

crear una gran reacción de rozamiento entre las superficies en contacto y

aprovechar esta reacción de rozamiento para la transmisión de los

esfuerzos de los perfiles unidos.

Arandelas: evitar que la rosca o su terminal penetren en el agujero y se

produzcan tensiones adicionales a las calculadas por aplastamiento.

Agujeros: debe tener un diámetro de agujero 1 mm mayor que el

nominal del tornillo, o que el de su espiga. (PICAZO IRANZO, 2007)

2.6.3.2. Resistencia del perno

El valor llamado carga de prueba es el que se utiliza para el diseño. La

carga de prueba es la carga máxima (fuerza) que un perno puede

soportar sin sufrir una deformación permanente.

Las especificaciones SAE se muestran en la tabla 3. Los grados de los

pernos se numeran de acuerdo con las resistencias a la tensión.

41

Tabla 3. Especificaciones SAE para pernos de acero

(Nisbett, 2008)

Tabla 4. Equivalencias aproximadas entre los grados SAE, ASTM y métricos

de aceros para tornillos

2.6.3.3. Soldadura

Soldar es unir dos piezas de igual o distinta naturaleza mediante una

perfecta unión entre ellas, casi siempre con la aportación de calor, con o sin

42

aplicación de presión, y con o sin empleo de material de aportación,

pudiendo tener este la misma o distinta composición que los metales a unir.

2.6.3.3.1. Tipos de Soldadura

SMAW (Shielded metal arc welding)

Soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido.

Nombres Corrientes:

Pinza

Electrodo

Eléctrica

Figura 40. Esquema del proceso de soldadura

GMAW (Gas Metal Arc Welding)

Soldadura semiautomática con alambre macizo, o Soldadura MIG (Metal

Inert Gas), MAG (Metal Active Gas).

Nombres Corrientes:

Semiautomática

Alambre macizo

43

Figura 41. GMAW Área De Soldado. (1) Dirección de avance, (2) Tubo de contacto, (3) Electrodo, (4) Gas (5) Metal derretido de soldadura, (6) Metal

de soldadura solidificado, (7) Pieza a soldar.

FCAW (Flux Cored Arc Welding)

Soldadura semiautomática con alambre tubular, por arco eléctrico con

núcleo de fundente.

Nombres Corrientes:

Semiautomática

Tubular

Figura 42. Soldadura FCAW (Flux Cored Arc Welding)

GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Soldadura por arco eléctrico con electrodo de tungsteno y protección

gaseosa TIG (Tungsten Inert Gas).

44

Nombres Corrientes:

Argón

TIG

Figura 43. Soldadura GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

SAW (Submerged Arc Welding)

Soldadura por arco sumergido

Nombres Corrientes:

Automática

Arco Sumergido

Figura 44. Esquema del proceso de Soldadura (SAW)

45

2.6.3.3.2. Clasificación de los electrodos según AWS (American

Welding Society)

Los electrodos son clasificados por la Especificación AWS teniendo en

cuenta los siguientes requisitos:

Fuerza a las que rompe el material cuando es tensionado (Tensión de

rotura, expresada en miles de [Libras/pulg²]).

Posición en la cual se puede soldar.

1.- Todas la posiciones.

2.- Plana y Horizontal.

Tipo de Corriente y Polaridad en que trabajan.

Tipo de revestimiento. (Eyheralde, 2012)

Tabla 5. Características de los electrodos

CLASIFICACION SEGÚN AWS

TIPO DE REVESTIMIENTO

CORRIENTE Y POLARIDAD POSICIONES OBSERVACIONES

XX10 CELULOSICO

CC(+) TODAS

XX11 CC(+) & CA

XX12

RUTILICO

CC(-)

TODAS

XX13 CC(-) & CA

XX14

CC(-)

C/Polvo de FE (≈30%)

XX24 PLANA &

HORIZONTAL C/Polvo de FE

(≈70%)

XX15

BASICO

CC (+)

TODAS

XX16 CC (+) & CA

XX18

CC(+)

C/Polvo de FE (≈30%)

XX28 PLANA &

HORIZONTAL C/Polvo de FE

(≈70%)

46

2.7. PANEL DE CONTROL

Los paneles de control desempeñan una función importante en el entorno de

manufactura actual. Al ser esenciales para los sistemas de automatización y

control, necesitan manejar varios desafíos, en tecnología de sistemas de

control, y la evolución de los procesos.

o Mitigación de ruidos: se crean barreras físicas con productos de blindaje

como el conducto de cableado blindado, el blindaje contra ruidos.

o Optimización del espacio: reducir el espacio en los paneles de control.

o Seguridad: proporciona advertencias visuales para mejorar la seguridad

del personal con etiquetas. (Yugsi, Scribd, 2009)

2.7.1. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC)

Es una computadora para la automatización y control de maquinaria, el cual

es operado digitalmente que usa una memoria interna para el

almacenamiento de instrucciones con el fin de realizar funciones específicas

que son controladas mediante los puertos de entrada y salida.

Con el uso de controles PLC (Control Lógico Programable) y controles

electrónicos se mejora la velocidad y la flexibilidad de las maquinas o

procesos, ya que se logra tener alta velocidad de trabajo y autonomía.

Figura 45. Controlador lógico programable (PLC)

Los PLC's, son dispositivos electrónicos creados específicamente para el

control de procesos secuenciales, es decir procesos compuestos de varias

etapas consecutivas, con el fin de lograr que una máquina o cualquier otro

47

dispositivo funcione de forma automática. Puesto que están pensados para

aplicaciones de control industrial, su diseño les confiere una especial

robustez.

El PLC es realmente el cerebro que gestiona y controla automáticamente

grandes instalaciones. Dependiendo del tamaño de la planta y de la

complejidad de la automatización, el número de autómatas puede variar

desde uno hasta un número importante de autómatas enlazados.

Es posible que las instalaciones sean capaces de realizar distintas

funciones simultáneamente. Esto significa que se puede controlar varios

procesos tanto secuencialmente como en paralelo. (SIEMENES, 2003)

2.7.1.1. Programa y Lenguaje de Programación

Se puede definir un programa como un conjunto de instrucciones, órdenes y

símbolos reconocibles por el PLC, a través de su unidad de programación,

que le permiten ejecutar una secuencia de control deseada. El Lenguaje de

Programación en cambio, permite al usuario ingresar un programa de control

en la memoria del PLC, usando una sintaxis establecida.

Al igual como los PLC’s se han desarrollado y expandido, los lenguajes de

programación también se han desarrollado con ellos. Los lenguajes de hoy

en día tienen nuevas y más versátiles instrucciones y con mayor poder de

computación. Por ejemplo, los PLC’s pueden transferir bloques de datos de

una localización de memoria a otra, mientras al mismo tiempo llevan cabo

operaciones lógicas y matemáticas en otro bloque. Como resultado de estas

nuevas y expandidas instrucciones, los programas de control pueden ahora

manejar datos más fácilmente.

Adicionalmente a las nuevas instrucciones de programación, el desarrollo de

nuevos módulos de entradas y salidas también ha obligado a cambiar las

instrucciones existentes.

2.7.1.2. Programas de aplicación y del sistema

Los programas de aplicación que crean los usuarios están orientados a

ejecutar, a través del controlador, tareas de automatización y control. Para

48

ello, el usuario escribe el programa en el lenguaje de programación que

mejor se adapte a su trabajo y con el que sienta poseer un mejor dominio.

El conjunto de programas que realizan funciones operativas internas del

controlador, incluyendo los traductores de lenguaje, reciben la

denominación de programas del sistema o software del sistema. Un

elemento importante de éste, es el sistema operativo, cuyos servicios

incluyen el manejo de los dispositivos de entrada y salida del PLC, el

almacenamiento de la información durante largos períodos, el procesamiento

de los programas del usuario, etc. Estos programas ya vienen escritos y

están almacenados en una memoria No volátil dentro de la CPU, por lo tanto

no se pierden ni alteran en caso de pérdida de alimentación al equipo.

2.7.1.3. Tipos de Lenguajes de Programación de PLC’s

En la actualidad cada fabricante diseña su propio software de programación,

lo que significa que existe una gran variedad comparable con la cantidad de

PLC’s que hay en el mercado. No obstante, actualmente existen tres tipos de

lenguajes de programación de PLC’s como los más difundidos a nivel

mundial; estos son:

- Lenguaje de contactos o Ladder

- Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones)

- Diagrama de funciones

2.7.2. CIRCUITO DE SEGURIDAD

Paros de Emergencia. La parada de emergencia para cada máquina es

directamente controlada por el PLC. Para proveer máxima seguridad,

estos circuitos no deben ingresar al controlador, sino que deben ser

alambrados física y externamente a éste. Estos interruptores de

emergencia deben ser ubicados en sitios en los que el operador pueda

acceder fácilmente.

Relé de Control Maestro. Este circuito provee un fácil camino para

remover la energía del sistema de I/O durante una situación emergente.

49

Este circuito puede ser des energizado presionando cualquier pulsador

de emergencia conectado al circuito. El CPU sin embargo, continúa

recibiendo energía aun cuando todas sus entradas y salidas estén

deshabilitadas. (Yugsi, Scribd, 2009)

2.7.3. CONTACTOR

Un contactor es un componente electromecánico que tiene por objetivo

establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de

potencia o en el circuito de mando, tan pronto se dé tensión a la bobina. Un

contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de

un receptor o instalación, con la posibilidad de ser accionado a distancia,

que tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo,

cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra

inestable, cuando actúa dicha acción.

Figura 46. Contactor electromagnético

(Schneider, 1999)

2.7.4. GUARDAMOTOR

Es el protector del motor contra cortocircuitos, dentro de límites establecidos

para su corte a través de disparadores magnéticos.

También existen los guardamotores con disparadores térmicos que es

ajustable, para la protección de sobrecarga.

50

El ajuste de corriente en el guardamotor debe estar de acuerdo con la

corriente de servicio a fin de obtenerse todas las protecciones del mismo.

Los guardamotores cuando la corriente de cortocircuito no es muy elevada,

funcionan a mayor velocidad que los fusibles. (Dielectro Industrial, 2005)

Figura 47. Guardamotor

2.7.5. SENSOR INDUCTIVO

Son interruptores electrónicos que funcionan sin necesidad de hacer

contacto. Estos sensores proporcionan dos señales on/off, y también una

señal análoga proporcional a la distancia.

Este sensor incorpora una bobina electromagnética que identifica la

presencia de un objeto metálico conductor. No reconoce objetos no

metálicos.

Figura 48. Sensor inductivo

Este sensor genera un campo magnético cambiante de alta frecuencia

mediante la bobina. Cuando se acerca un objeto metálico y entra en la zona

del campo magnético cambiante, se generan pérdidas por corrientes

circulares en la pieza. Lo que provoca que el circuito en resonancia se altere

y mande la señal. (MES Sigma, 2010)

3. METODOLOGÍA

51

La metodología es una de las etapas específicas del estudio analítico y

crítico del proyecto que parte de una posición teórica y conlleva a una

selección de técnicas concretas acerca del procedimiento para realizar las

tareas vinculadas con la investigación, del proyecto.

La metodología es normativa (valora), pero también es descriptiva (expone)

o comparativa (analiza).

Método y metodología son dos conceptos diferentes. El método es el

procedimiento para lograr los objetivos con diferentes técnicas aplicadas.

Metodología es el estudio del método. (ITESCAM, 2014)

3.1. METODOLOGÍA MECATRÒNICA

Figura 49. Fases de metodología Mecatrònica de la maquina

El propósito de la Metodología Mecatrònica es que permite desarrollar

máquinas de tipo mecatrónico, que tienen abarcan muchas partes de la

ingeniería mecánica, electrónica, de control y computación que interactúan

de forma integral en el diseño de la máquina, la metodología Mecatrònica

ayuda a:

Reducir los tiempos de diseño e implantación

Reducir los costos asociados al diseño e implementación.

Tener un orden de actividades en un proyecto integral

52

Reducir la interacción de varios o muchos operadores.

Reemplazar métodos manuales por métodos automáticos.

Es una manera de cómo se puede integrar las actividades de diseño y su

interacción con manufactura, instrumentación y el control en máquinas.

En el siguiente esquema se muestra un diagrama de la metodología del

presente proyecto con cada una de las fases para la elaboración de la

máquina.

3.1.1. METODOLOGÍA DE DISEÑO

ANALISIS SINTESIS EVALUACION

Análisis: Investigar todos los requisitos de diseño y la reducción de

éstos a un conjunto completo de especificaciones.

Síntesis: Encontrar soluciones posibles para cada especificación y

desarrollar diseños completos a partir de estos.

Evaluación. Evaluar los diseños alternativos que satisfacen los

requisitos para un buen rendimiento en la operación, manufactura y

ventas antes de seleccionar el diseño final.

3.2. REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA

Una prensa para comprimir resortes, debe cumplir con distintas

características que permitan tener un funcionamiento óptimo, como en la

fabricación y en las cualidades al momento de operar. Determinación de

parámetros que se deben tener en cuenta para la selección de las diferentes

alternativas del sistema de la máquina que son:

Soporte de carga

Al momento de comprimir el resorte de la suspensión del automóvil va a

generar una carga que debe soportar la estructura.

Transmisión de movimiento

La transmisión de movimiento a través de un fluido hidráulico para generar el

movimiento lineal del actuador.

53

Facilidad de Operación

Integrar el sistema eléctrico con el mecánico y control para facilitar la

operación de la máquina.

Eficiencia

Una maquina eficiente y segura al momento de comprimir el resorte en un

intervalo de tiempo mínimo.

Montaje y Desmontaje

El momento de montaje y desmontaje hidráulico accesible para solucionar

problemas futuros.

Facilidad de Mantenimiento

El mantenimiento del sistema hidráulico revisar niveles de aceite, controlar la

presión del sistema. El mantenimiento eléctrico revisar las borneras, los

pulsadores, etc.

Tamaño

El tamaño de la estructura de acuerdo a los requerimientos del operador

para evitar que existan lesiones o incomodidad al momento de operar la

máquina.

3.3. RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA

Las restricciones de la maquina son tolerancias en condiciones extremas

para evitar fallas al momento del funcionamiento, hasta un determinado

límite.

3.3.1. DIMENSIONES

Dimensionamiento de la Columna

La dimensión de la columna es tomada en cuenta según la altura del

operador de la máquina con una longitud aproximada de 2,00 m.

54

Figura 50. Viga estructural

Dimensionamiento de la Mesa

Es ajustable de acuerdo al diámetro del amortiguador en el que se va a

trabajar. El diámetro máximo a trabajar es de 100 mm.

Figura 51. Mesa soporte

Dimensionamiento del Sujetador Superior

Es de tipo estándar para todo tipo de amortiguador, ajustable en el plato de

la suspensión. Este sujetador de tipo U tiene una semi -circunferencia

interna de 80 mm de diámetro.

Figura 52. Compresor superior

55

Dimensionamiento del Cilindro

El cilindro es dimensionado en función de la mesa central que se sitúa en la

estructura. Según la longitud de los resortes y amortiguadores que existen

en el mercado el recorrido del vástago será de 500 mm con una longitud

total del cilindro de 700 mm colocado en la estructura.

Figura 53. Cilindro hidráulico

Dimensionamiento de la Base

La base está compuesta por dos vigas de 1 metro para colocar las columnas

verticalmente y montar el equipo hidráulico sobre dicha base.

Figura 54. Base de la estructura

3.3.2. MOVIMIENTO LINEAL DEL CILINDRO

El cilindro hidráulico genera un movimiento lineal al momento de extender y

retraer el vástago. Tener limitaciones en los dos puntos del cilindro o no

extender completamente el cilindro para no provocar daños futuros a la

bomba.

56

3.3.3. UBICACIÓN DE LA MÁQUINA

Determinar el lugar donde exista el suficiente espacio para operar la

máquina, que el suelo sea estable y de gran resistencia con el fin de evitar

inestabilidad o vibraciones por la máquina.

3.3.4. SISTEMA DE SEGURIDAD

Es importante la seguridad en la máquina para evitar exponer en riesgo al

operador, por lo que debe tener las respectivas normas de seguridad en el

sistema eléctrico y el hidráulico, siendo las zonas más críticas que ponen en

riesgo al operador.

3.3.5. TABLERO ELÉCTRICO

El tablero eléctrico donde se encuentra los elementos de control y los

mandos, para encender el sistema funciona a una tensión de 220 v. El

tablero debe ir colocado a una altura adecuada donde no incomode, y de

fácil acceso a los mandos de control.

3.4. OBJETIVOS PRINCIPALES DE LA MÁQUINA

Comprimir el sistema de suspensión de los vehículos a cierta altura

para montar y desmontar amortiguadores o resortes.

Anclar fijamente el sistema suspensión (amortiguador, resorte) a la

prensa.

Controlar el sistema hidráulico para una compresión adecuada por

parte del cilindro.

Instalar un sistema de control amigable con el operador dando

seguridad al momento de manejar dicha prensa.

57

3.5. VARIABLES LIBRE

Tiempo de trabajo

El trabajo de compresión al espiral con el sistema actual toma un tiempo

aproximado de 20 a 30 minutos. El sistema es un tornillo con ganchos en los

extremos como se muestra en la figura 62.

Figura 55. Ganchos de compresión

Con la prensa hidráulica de espirales es disminuir el tiempo de trabajo

aproximadamente en 10 minutos, con una rápida operación de la máquina.

Longitud de operación

El ajuste de la mesa inferior es móvil para trabajar a distintas alturas. Por lo

tanto el sujetador superior depende del recorrido del pistón del cilindro

hidráulico.

Presión y Fuerza

Dicha prensa consta de un sistema hidráulico el cual proporciona la fuerza

para la compresión. La fuerza necesaria actúa según la presión con la que

esté trabajando el sistema hidráulico.

3.6. DESARROLLO DEL CONCEPTO DE LA MÁQUINA

La máquina prensa resortes para el montaje o desmontaje de

amortiguadores, es basado en el principio de funcionamiento de una prensa

hidráulica, desde una estructura fija donde se integra los sistemas de

operación como el cilindro hidráulico de doble efecto sujeto a la estructura.

Una bancada donde se colocará los espirales con las guías en los extremos

58

para evitar un descarrilamiento del espiral y los bastidores con huecos para

regular la altura de la bancada.

El sistema hidráulico parte del cilindro, el tipo de mangueras de alta presión,

el control en la apertura y cierre de las electroválvulas.

El controlador un PLC para permitir el correcto funcionamiento con el

respectivo panel de control para la interacción máquina-operador.

3.6.1. ALTERNATIVAS DE DISEÑO

Se analizan diferentes alternativas de diseño según los requerimientos

específicos, se obtienen tres tipos alternativas para la compresión de

espirales.

3.6.1.1. Opresor de resortes neumático vertical de columna simple fija

Sirve para oprimir resortes de la suspensión del automóvil y desmontar

amortiguadores. Tiene la capacidad 1 Tonelada.

El opresor neumático funciona a través de aire comprimido para poner en

funcionamiento el cilindro.

La estructura consta de una sola columna para la sujeción del sistema de

suspensión.

Figura 56. Opresor de resortes neumático de columna simple

(Mikel's, 2011)

59

Características:

Área máxima de trabajo 593 mm

Recorrido 330 mm

Tamaño de resorte 101-254 mm

Resortes a partir del diámetro 4 " a 6-1/3”.

Longitud de funcionamiento de 14 " con siete diversas posiciones.

El marco de acero soldado con autógena para la fuerza y la

durabilidad polvo-revestidos, inoxidables montado en el piso para

estabilidad.

3.6.1.2. Opresor de resortes hidráulico vertical de doble columna fija

El opresor hidráulico funciona a través de fluidos hidráulicos para la

expulsión y retracción del cilindro. Aumentando la capacidad de operación a

2 Toneladas.

La estructura consta de dos columnas para una mejor sujeción del sistema

de suspensión.

Figura 57. Prensa hidráulica de doble columna

Características:

Capacidad Máxima ≈ 2 TON.

Cilindro Hidráulico

60

Control Semi - Automático

Altura mínima 300 mm.

Altura Máxima 600 mm.

Movimiento del Cilindro 300 mm

3.6.1.3. Opresor de resortes hidráulico vertical de columna simple fija

El opresor hidráulico manual funciona a través de una bomba manual, el

cilindro hidráulico se activa con un pedal rebatible. Con operación de 1

Tonelada.

La estructura consta de una columna donde van sujetos los soportes

ajustables al resorte.

Figura 58. Opresor de resortes hidráulico de una sola columna

(Mikel's, 2011)

Características:

Capacidad Máxima ≈ 1 TON.

Cilindro Hidráulico

Bomba Manual

Área Máxima de Trabajo 590 mm.

Recorrido Hidráulico 325 mm

61

3.6.2. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS POR CRITERIOS PONDERADOS

Para la selección del opresor más adecuado se realiza un análisis según la

tabla de criterios ponderados, con requerimientos de ingeniería con

referencia a las tres alternativas descritas anteriormente, escogiendo el

opresor más factible en: diseño, construcción, operación, y mantenimiento,

etc. Definir el modelo de diseño y por ultimo realizar la construcción de

dicha máquina.

Tabla 6. Cuadro de comparación ponderada por pares de requerimientos de

ingeniería

CR

ITE

RIO

S

Fác

il u

so

Fac

ilid

ad

de

Mo

nta

je

Tam

añ

o

Fac

ilid

ad

de

Ma

nte

nim

ien

to

Dis

tan

cia

de

Op

era

ció

n

Co

mp

leji

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Req

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tos d

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fue

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s p

or

part

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el

op

era

do

r

Cap

ac

ida

d d

e

Carg

a

Σ +

1

Po

nd

era

ció

n

Fácil uso 1 0,5 1 0,5 1 0,5 0 5,5 0,14

Facilidad de Montaje

1 0,5 1 0,5 0 1 0 5 0,13

Tamaño 0,5 0 0,5 1 0 1 0,5 4,5 0,12

Facilidad de Mantenimiento

0 1 0 1 0,5 0,5 0 4 0,11

Distancia de Operación

1 0,5 1 0 0,5 1 1 6 0,16

Complejidad de control

1 0,5 0 0,5 1 1 0,5 5,5 0,14

Requerimientos de esfuerzos por parte del operador

0 1 0 0 0 1 0 3 0,08

Capacidad de Carga

0 0 1 0 0,5 1 1 4,5 0,12

SUMA 38 1

62

Tabla 7. Tabla de selección de alternativas del proyecto (ESCALA 5: OPTIMO 1: MENOR)

Tabla 8. Cuadro de selección de alternativa por criterios ponderados

CR

ITE

RIO

S

FÁ

CIL

US

O

FA

CIL

IDA

D D

E M

ON

TA

JE

TA

MA

ÑO

FA

CIL

IDA

D D

E

MA

NT

EN

IMIE

NT

O

DIS

TA

NC

IA D

E O

PE

RA

CIÓ

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L

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S P

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RT

E

DE

L O

PE

RA

DO

R

CA

PA

CID

AD

DE

CA

RG

A

Σ

PR

IOR

IDA

D

Alternativa 1

0,28 0,39 0,48 0,44 0,64 0,28 0,32 0,48 3,31 3

Alternativa 2

0,70 0,65 0,36 0,22 0,64 0,70 0,40 0,60 4,27 1

Alternativa 3

0,56 0,39 0,48 0,44 0,64 0,28 0,16 0,48 3,43 2

FA

CIL

US

O

FA

CIL

IDA

D D

E M

ON

TA

JE

TA

MA

ÑO

FA

CIL

IDA

D D

E

MA

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EN

IMIE

NT

O

DIS

TA

NC

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E O

PE

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N

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LE

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CO

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RO

L

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ER

IMIE

NT

O D

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ES

FU

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S P

OR

PA

RT

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EL

OP

ER

AD

OR

CA

PA

CID

AD

DE

CA

RG

A

TO

TA

L

ALTERNATIVA 1 2 3 4 4 4 2 4 4 27

ALTERNATIVA 2 5 5 3 2 4 5 5 5 34

ALTERNATIVA 3 4 3 4 4 4 2 2 4 27

63

Se analizan las tres alternativas, para la elección de la alternativa más

factible se parte por los requerimientos de ingeniera describiendo cada

característica general de las 3 alternativas, comparando con cada uno de los

requerimientos y evaluando de 0 no necesario y 1 muy necesario como se

muestra en la Tabla 6.

La Tabla 7 muestra las tres alternativas, calificando cada una de las

alternativas según los requisitos de ingeniera con una escala 5 optimo y 1

menor, culminada la evaluación se suma el puntaje de cada alternativa

teniendo como resultado la ALTERNATIVA 2 con mayor viabilidad.

En la tabla 8 se realiza la selección de la alternativa por criterios ponderados

para definir el diseño más factible. La ALTERNATIVA 2 el “Opresor De

Resorte Hidráulico Vertical De Doble Columna Fija” es el diseño a realizarse

por cumplir mayoritariamente con los requisitos de ingeniería propuestos.

3.7. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

Se realizan diferentes tipos de análisis con diferentes condiciones en el

funcionamiento de la prensa hidráulica compresora, uno de los análisis más

importantes es la medición de presión hidráulica en la máquina,

interpretando los resultados obtenidos en una tabla, para la relación de

presión fuerza y deformación del resorte, con las distintas presiones

obtenidas, se determina la fuerza real aplicada al momento de comprimir.

3.8. FORMALIDAD DE LAS PRUEBAS

Desmontaje del amortiguador al vehículo.

Ajustar el amortiguador en la mesa central, colocando la abrazadera y

ajustar las tuercas respectivas.

Encender la bomba.

Descender el eje del cilindro hasta la detección del sensor.

Comprimir en las distancias establecidas.

Visualizar la presión del manómetro.

4. DISEÑO

64

4.1. ANALISIS DEL DISEÑO MECANICO

El opresor de resortes hidráulico vertical de doble columna fija, su función

principal es la extracción del resorte del amortiguador, primeramente es

establecer la fuerza necesaria para comprimir el resorte en una distancia

requerida para aflojar o ajustar de manera segura la tuerca del amortiguador.

Para determinar la fuerza se realizó las pruebas con el resorte de longitud

inicial de 310 mm.

Lo = 310 mm

En la Tabla 9 se muestran los resultados obtenidos del resorte, según la

fuerza aplicada y distancia de deformación del resorte.

Tabla 9. Resultados de las pruebas del resorte

Para determinar la constante del resorte se utiliza la Ley de Hooke, con la

deformación que experimenta en este caso el espiral del automóvil, siendo

FUERZA (F)

DISTANCIA (x)

[ lbf]

240 lbf

[ N]

1067,57 [ N]

(mm)

25 mm

(m)

0.025 m

538 lbf

2393,14[ N]

42 mm

0.042 m

754 lbf

3353,95[ N]

55 mm

0.055 m

943 lbf

4194,67 [N]

70 mm

0.070 m

1178 lbf

5240 [N]

87 mm

0.087 m

1372 lbf

6102,96 [N]

100 mm

0.1 m

65

directamente proporcional a la fuerza la fórmula queda expresada de la

siguiente manera:

F = k * x EC. 4.17

Dónde:

F = fuerza; [N].

k = constante del resorte; [N/m].

x = distancia; [m].

Con los datos obtenidos de la Tabla 9 se realiza el grafico fuerza –

deformación para encontrar la pendiente de la recta y determinar la

constante del resorte.

Figura 59. Diagrama Fuerza – Deformación del resorte

Con la figura 67 se obtiene y2, y1, x2, x1 para aplicar la siguiente formula:

EC. 4.18

Dónde:

Y2 = 6102 [N] X2 = 0.1 [m]

Y1 = 1067 [N] X1 = 0.025 [m]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0.025 0.042 0.055 0.070 0.087 0.1

Fu

erz

a

Deformacion

Fuerza - Deformación

66

m = 67133,33 [N/m]

La pendiente calculada es igual a la constante del resorte

k = 67133,33 [N/m]

Obtenida la constante se aplica la ecuación 4.15 para determinar la fuerza

máxima que se necesita para deformar el resorte en una distancia de 0,28

m.

F = 67133, 33 [N/m] * 0, 28 [m] = 18797, 33 [N] = 1916, 79 [kgf]

F = 2000 [kgf] = 19 613.30 [N]

Se obtiene una fuerza de 18797,33 [N] que equivale 1916,79 [kgf],

estableciendo una fuerza de 2000 [kgf] para el diseño de los componentes.

4.1.1. DISEÑO DE COLUMNAS

Figura 60. Esquema de componentes

Las columnas son las piezas más importantes de la prensa, porque

sostienen a todos los componentes para el funcionamiento de máquina,

ayuda mantener la estabilidad y precisión al momento de operar. En la figura

67

67 se muestra un esquema virtual de cómo se encuentran todos los

componentes de la prensa.

Para el cálculo de las columnas se desplaza la fuerza de trabajo al extremo

superior de la columna, como se observa en el diagrama de cuerpo libre

(figura 68), donde la columna está sometida a compresión axial. Tomando

en cuenta que se encuentra Empotrada – Libre.

Figura 61. Diagrama de cuerpo libre de la columna

Antes de efectuar los cálculos de la columna se debe conocer las

características del acero A36 siendo el más común en perfiles estructurales.

La siguiente tabla indica las propiedades:

Tabla 10. Propiedades del acero ASTM A36

En la figura 46 buscamos K la restricción de la columna es Empotrada –

Libre, tomamos el valor práctico que señala dicha figura.

Propiedades del Acero ASTM A36

Densidad: 7850 Kg/m3

Límite de fluencia: 32-36 (250-280) Ksi (MPa)

Resistencia a la tensión: 58 – 80(400-550) Ksi (MPa)

Módulo de elasticidad: 29000 Ksi

68

Empotrada Libre: K = 2,1.

Columna estacionaria el factor de diseño en la carga N = 2

Establecidos los parámetros de la columna se calcula la longitud efectiva con

la ecuación 2.11.

Le = K * L

Le = 2,10 * 59,05 pulg

Le = 124,015 pulg

Con la ecuación 2.16 se determina la carga crítica de pandeo

Pcr = Pa * N

Pcr = 4400 lb * 2 = 8800 lb

La relación de esbeltez o constante de columna se calcula con los datos de

la tabla 10 aplicando la ecuación 2.13.

Cc = 126,09

Aplicando la fórmula de EULER suponiendo que es columna larga para

determinar el momento de inercia (I) obteniendo con la ecuación 2.14.

69

I= 0, 4728 = 19, 68

Con el momento de inercia se determina el tipo de viga con que se va a

trabajar para el diseño de la estructura y garantiza que va soportar la carga

aplicada.

Según Anexo 5 se busca una viga mayor a I= 19, 68 , que es la viga

UPN -100 con I = 29, 3 y un área de A = 13, 5 .

Figura 62. Dimensiones viga UPN-100

Una vez seleccionado el tipo de viga se realiza la comprobación para

conocer si es una columna larga con la comparación; si la relación de

esbeltez (Re) es mayor que la constante de la columna (Cc).

260,87 > 126,09

Como se observa en la comparación es mayor que Cc lo que se

determina que es una columna larga donde fue aplicada la fórmula de

EULER.

70

Figura 63. Dimensionamiento de la columna

4.1.2. DISEÑO DE LA MESA CENTRAL

El diseño de la mesa central se determina según las diferentes longitudes de

los sistemas de suspensión que existen en el mercado, se analiza las

longitudes según la tabla 11 que muestra las diferentes longitudes de

resortes, mediante esta tabla se determina una mesa móvil para el acople de

diferentes longitudes.

Tabla 11. Longitudes de resortes más comunes

MARCA DEL VEHICULO

ESPIRAL DELANTERO (MM)

ESPIRAL TRASERO (MM)

CHEVROLET CORSA

380 350

TOYOTA HILUX 4X4

575 545

VOLKSWAGEN GOL

370 390

BMW SERIE 3 390 375

71

La mesa está conformada por dos vigas en la parte delantera y trasera de la

columna soldado junto a la placa de soporte del amortiguador y con los

respectivos agujeros para colocar los pasadores.

4.1.3. CALCULO DE LA VIGA SOPORTE

La viga soporte va a ir en la parte delantera y trasera de la columna junto a

la base compresora del amortiguador, con los respectivos huecos de los

pasadores. Es la parte principal en el funcionamiento de la mesa central.

Se dimensiona la viga en función de las columnas. La medida con la que se

va a trabajar para los cálculos se muestra en la Figura 72.

Figura 64. Dimensionamiento de la viga mesa

Con la longitud de la viga se realiza el diagrama de momentos y de cortantes

para ver el punto más crítico de la viga al que va estar sometido y poder

seleccionar la viga adecuada en esta parte de la prensa. La carga máxima

que se aplica en este punto es de 19613.3 N o 2000 Kg.

Se realiza el diagrama de cuerpo libre teniendo en cuenta que la viga consta

de dos soportes en cada extremo siendo los pasadores, y la fuerza que

interactúa en la viga.

Se observa en la figura 73 en la parte de los soportes la fuerza total se

distribuye en la mitad en cada uno de los pasadores, cada pasador va a

soportar 9806 N o 1000 kg de fuerza al momento de trabajar en esta sección

de la máquina. El momento máximo que sufre la viga es en el centro de la

viga 175mm donde interactúa la fuerza de compresión al amortiguador

generada por el cilindro hidráulico.

72

Figura 65. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos del a viga soporte

Una vez obtenido las fuerzas cortantes y el momento flector máximo se

realiza el análisis para el cálculo de la viga.

73

Una vez realizado el cálculo de Wxx se elige el tipo de viga en el catálogo

(ver anexo 5) donde la viga más adecuada es la UPN-80 pero por seguridad

y siendo un punto crítico de la maquina se selecciona UPN-100.

UPN – 100

Wxx = 41,20

4.1.4. DISEÑO DE LA PLACA SOPORTE

La placa soporte va en el centro de las vigas, con forma de brazo para

sostener el amortiguador y darle estabilidad. La Figura 74 indica la longitud

de la placa para realizar el cálculo del espesor indicado

Figura 66. Dimensiones de la placa compresora

La placa compresora tiene dos soportes el uno fijo a un extremo de la viga y

el otro a 155 mm como se expresa en el diagrama de cuerpo libre de la

figura 75.

La fuerza aplicada en la placa de 19613,3 N, esta fuerza es aplicada en una

distancia de 270 mm donde dicha placa consta de una semi circunferencia

para el acople del amortiguador.

El diagrama de cortantes muestra que el punto crítico se encuentra en el

soporte B soportando toda la fuerza ejercida.

El diagrama de momentos indica el momento máximo que es producido en el

punto B, siendo un momento negativo por la ubicación de los soportes y de

la fuerza aplicada, para la aplicación en los cálculos se toma como positivo.

74

Figura 67. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de la placa soporte

El material para diseñar la placa es en ASTM – A242 las propiedades (Ver

anexo 6).

Sy = 50 ksi = 345 MPa

Mmax = 2, 26 x 10^6 N-mm

Se determina que la placa es un rectángulo por lo tanto al aplicar las

propiedades de las áreas (ver anexo 3) se obtiene que:

Figura 68. Dimensiones del rectángulo

75

H = 10 mm

El espesor de la placa mínimo es 10 mm.

4.1.5. DISEÑO DE PASADORES

Los pasadores sostendrán la mesa, permitiendo mover y ajustar en la altura

deseada para trabajar. Se introducen en las caras laterales de las columnas,

tal como se muestra en la figura 77 donde la mesa genera una fuerza

cortante al perno. El perno pasador tiene una carga de 9806,65 N que son

1000 kg.

Figura 69. Esquema del perno pasador

Para determinar el diámetro de los agujeros en las columnas y mesa central

se realiza el diseño al cortante.

Se definen los pernos que se van a utilizar como pasadores. Ver Tabla 3

donde se muestra el grado SAE de los pernos.

76

Para el diseño se determina el grado del perno a utilizarse en este caso es

grado SAE #2, equivalente en grado métrico 5.8 (Ver Tabla 4).

Figura 70. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de los pasadores

Para calcular el diámetro de los pasadores se utiliza la fórmula del esfuerzo

cortante de sección circular.

EC. 4.19

El factor de diseño = 2.5

Resistencia de fluencia (Sy) = 57 [ksi] = 392,99 [MPa].

77

Se obtiene un diámetro de 13 mm en los agujeros de la mesa central y las

columnas. Los pernos pasadores a utilizarse de ½ pulgada.

4.1.6. DISEÑO DE LA SOLDADURA

El cálculo de la soldadura se utilizara en el ensamble de toca la estructura en

todas las juntas de la base, columnas y mesa, placa soporte. Se utilizara la

misma dimensión del cordón para todos los elementos soldados.

Metal base grado ASTM A36

Tipo de electrodo E 6011

Resistencia a la Tensión = 60000 psi

Limite Elástico = 48000 psi

Tensión por esfuerzo de corte permisible (σp) = 13600 psi

Fuerza permisible por pulg de ancho de cordón (fp) = 9600 lb/pulg

78

Carga máxima que soporta cada cordón (P) = 19612 N = 2000 lb

Longitud del cordón de soldadura (h) = 50 mm ≈ 2 pulg

Factor de seguridad (N) = 2

Figura 71. Diseño de Soldadura

Fuerza por pulgada de ancho de cordón de soldadura es:

EC. 4.20

El ancho del cordón de soldadura para soporta la fuerza es:

EC. 4. 21

Para optimizar el diseño los cordones de soldadura en toda la estructura

serán de un tamaño mínimo de 3 mm.

79

4.2. ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO

El sistema hidráulico está compuesto de diferentes elementos que son

conectados entre sí para realizar una operación conjunta.

4.2.1. SELECCIÓN DE LA BOMBA HIDRÁULICA

Se determina la bomba hidráulica a utilizarse (Ver Tabla 1). La bomba de

engranajes externos se utilizará para realizar el diseño hidráulico, en la

siguiente tabla se indican las características de esta bomba.

Tabla 12. Bomba de engranajes externos

4.2.2. DIÁMETRO DEL CILINDRO

La ecuación 2.14, fórmula de EULER para una sección circular determina el

diámetro del cilindro. La longitud total del vástago es de 30 cm.

Dónde:

N = 3,5 el coeficiente de seguridad para cilindros hidráulicos.

Pa = 2000 kg

Le = Un extremo libre, un extremo fijo 2 x L (Ver Anexo 4)

E (acero) =

80

El diámetro del vástago del cilindro se determina en 30 mm por factores de

seguridad y diseño.

Se aplica la ecuación 2.8 para determinar el diámetro interior del cilindro.

Datos:

Carga = 19613 [N]

Presión de servicio = 160 [bar] = 16 [MPa]

La velocidad de movimiento del vástago se calcula con la ecuación 2.7.

V = 0,03 m/s = 30 mm/s

Velocidad del vástago = 30 mm/s

Factor de carga = 70% (Ver Tabla 2)

La fuerza de salida del cilindro es:

81

Con la fórmula de la fuerza de extensión del cilindro se determina que:

D = 0,034 [m] = 34 [mm].

El diámetro interno del cilindro es 34 mm, se considera un diámetro interno

comercial del cilindro de 60 mm.

La fuerza de retracción del vástago se calcula con la ecuación 2.9 con los

diámetros.

4.2.3. CÀLCULO DEL CAUDAL

Con los diámetros obtenidos del vástago y el cilindro se calcula el volumen y

el caudal.

Se calcula el volumen de las dos cámaras del cilindro con la siguiente

ecuación.

EC. 4.22

Dónde:

V = Volumen; [ ].

A = Área; [ ]

C = Carrera del cilindro; [m].

82

Volumen de la cámara grande.

Volumen de la cámara pequeña.

Volumen total:

Caudal:

X X = 8, 89 l/min

83

4.2.4. CALCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR ELÉCTRICO

Se calcula la potencia requerida del motor para el sistema. Influye el caudal

calculado anteriormente y los demás datos son en función de la bomba de

engranajes externos.

La tabla 12 se toma los valores de la eficiencia en la bomba de engranajes

externos que son: 0,8 – 0,91, para los cálculos se toma el valor de 0,9.

η = 0,9 eficiencia de la Bomba

EC. 4.23

La potencia óptima del motor es 2HP para mover la bomba hidráulica (Ver

Anexo 15).

4.2.5. DISEÑO Y SIMULACION DEL SISTEMA HIDRAULICO

La simulación del sistema hidráulico se realizó atreves del software

FluidSIM-H de Festo, para realizar la simulación del sistema hidráulico se

debe conocer la simbología del sistema hidráulico a realizarse (Ver Anexo

8). El software permite observar el funcionamiento de los diferentes

componentes hidráulicos, dirección del fluido, y conexiones estableciendo

parámetros de presión, e indicando la presión a través del manómetro.

84

Figura 72. Elementos del sistema hidráulico

La figura 82 muestra la conexión del sistema, primero el cilindro hidráulico de

doble efecto conectado a la válvula de 4/3 vías, que se utiliza en el

direccionamiento del fluido hidráulico para la extensión y retracción del

cilindro.

La posición de la válvula limitadora de presión se encuentra cerrada. Si

alcanza la presión de apertura P, T se abren. Cuando la presión cae por

debajo del nivel preestablecido, la válvula se cierra de nuevo. La dirección

del flujo se indica por la flecha.

La unidad de potencia del sistema está constituida por motor eléctrico,

bomba hidráulica, y el filtro, para que el aceite de regreso al tanque no se

contamine.

Válvula 4 Vías 3 Posiciones

85

Figura 73. Sistema en estado de reposo

En la Figura 83 (a) muestra la simulación del sistema, como se extiende el

cilindro activando la electroválvula en la posición A para realizar dicha

función. Las flechas indican la dirección del fluido hidráulico.

Donde P es la presión que envía la bomba, pasa por la válvula y el retorno

del aceite es al tanque T.

En la figura 83 (b) muestra la extensión completa del cilindro, llegando a la

máxima presión dada por bomba, establecida por la válvula limitadora que

en este caso es 160 bares para la simulación.

Válvula 4 Vías 3 Posiciones

86

a) b)

Figura 74. Activación de la electroválvula A

En la figura 84 (a) la imagen muestra como el vástago del cilindro retrocede

hasta regresar a su posición inicial. En la fase de retracción la válvula se

sitúa en posición B cambiando el sentido del aceite en la parte válvula –

cilindro, indicando que el fluido va de regreso hacia el tanque como indican

las flechas de la figura 84 (a).

Por último se muestra el cilindro en su posición inicial con todo el vástago

retraído, la línea café indica como el aceite circula por la válvula de 4/3 vías

y como llega al cilindro para retraerle. El manómetro muestra su máxima

presión que está establecida en 160 bares, toda la cavidad del cilindro se

llena de aceite.

Válvula 4 Vías 3 Posiciones

87

a) b)

Figura 75. Activación de la electroválvula B

4.3. DISEÑO ELECTRICO Y DE CONTROL

El diseño eléctrico para poner en operación el motor y bomba. Para el

arranque del motor es por un switch en el tablero de control. El arranque en

el motor eléctrico depende según su aplicación, si es lento o gradualmente

hasta alcanzar su velocidad nominal, pero en este caso se necesita que el

arranque sea instantáneo para generar presión desde que se activa el motor.

La protección principal del tablero es el breaker, permitiendo cortar la

energía de manera inmediata de todo el sistema, protegiendo al sistema de

potencia de cortocircuitos y sobrecargas, evitando que existan daños debido

a fallas externas.

La figura 86 muestra el arranque instantáneo del motor, se necesita una

alimentación de 220 V, fusibles de protección, el guardamotor, y los

contactores.

Válvula 4 Vías 3 Posiciones

88

Los fusibles son elementos de protección, que cuando la intensidad de

corriente supere un punto determinado el filamento por el que está

constituido el fusible se funda por un cortocircuito o por un exceso de carga,

evitando incendios o daños en los elementos.

El guardamotores es para proteger el motor de sobre cargas, cortocircuitos,

etc. La configuración para el set-point del guardamotores se calcula de la

siguiente manera:

Corriente del Motor x Factor de seguridad (1,50)

En este caso tenemos el que el motor es de 2hp, con una corriente de 6 A.

6 A x 1,50 = 9 A

El set-point del guardamotor se programa en 9A para paros de emergencia

automáticamente cuando excede la corriente establecida.

Los contactores realizan el accionamiento del motor y cierre de corriente del

circuito eléctrico.

Al alimentar la bobina tanto los contactos principales como los auxiliares

cambian de posición. Alimentando al motor a través de los contactos

principales y cambiando el estado de los contactos auxiliares, cerrando el

primero y abriendo el segundo.

El contactor se divide en tres partes fundamentales.

Contactos de potencia, a través de los cuales se alimenta el circuito

de potencia.

Contactos auxiliares, utilizados para el circuito de mando o maniobra.

Electroimán, Elemento mecánico que acciona los contactos de

potencia y maniobra o auxiliares.

89

Figura 76. Partes del contactor

Figura 77. Diagrama eléctrico de arranque y paro del motor

(YoReparo, 2012)

90

4.3.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

El sistema de control incluye pulsadores, led indicadores, apertura y cierre

de la electroválvula 4/3 vías, y el sensor inductivo todo el sistema de control

es comandado por el Logo PLC 230RC.

4.3.1.1. Tablero de Control

Se ubica en la parte superior de la maquina donde se encuentran todos los

elementos de control y conexiones eléctricas.

Las dimensiones del tablero son de 300 x 300 x 160 mm con el espacio

suficiente para integrar todos los sistemas.

Se distribuyen los pulsadores en el tablero de control como indica la figura

87, con las etiquetas respectivas.

Figura 78. Distribución del tablero de control

El pulsador de emergencia debe ser llamativo, de fácil accesibilidad y de

grandes dimensiones, es el único pulsador que tiene autoenclavamiento al

ser pulsado queda enclavado y no permite poner en funcionamiento hasta

que el pulsador sea desactivado.

El encendido de la bomba es un switch de dos posiciones ON/OFF.

Los pulsadores SUBE, BAJA, COMPRIMIR son sin enclavamiento y solo

funcionan al momento de encender la bomba.

91

Los led’s indicadores el de color verde indica que el sistema esta prendido y

funcionando correctamente, el de color amarillo solo se enciende cuando el

vástago del cilindro está bajando y comprimiendo.

4.3.1.2. Control de la maquina

La máquina es controlada por el logo PLC-230RC (Ver Anexo 11), para la

apertura y cierre de la electroválvula siendo activado mediante pulsadores

desde el panel de control.

La figura 88 muestra el diagrama esquemático de funcionamiento interno del

sistema siguiendo determinadas órdenes requeridas por el operador.

Figura 79. Diagrama de control

92

La primera instrucción es encender la bomba para que empiece a funcionar

el sistema. Se presiona el pulsador BAJA el vástago del cilindro empieza a

desplazarse, hasta que el SENSOR inductivo instalado detecta la presencia

del amortiguador en la máquina, en ese instante se habilita el pulsador

COMPRIMIR para seguir con el procedimiento de compresión del sistema.

La retracción del vástago a su posición inicial es presionando SUBE hasta

que activa el fin de carrera ubicado en la brida evitando que todo el eje del

cilindro entre en la recamara.

El pulsador de EMERGENCIA puede ser activado en cualquier momento en

que este trabajando la máquina deteniendo el sistema hidráulico

instantáneamente.

4.3.1.3. Programación

La programación y simulación del controlador se utiliza el software LOGO!

Soft Comfort con el lenguaje diagrama de funciones (FUP), siendo un

lenguaje gráfico en funciones y conexiones.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de programación mediante el

diagrama de funciones.

Figura 80. Diagrama de Funciones

Establecidos los requerimientos de control en la máquina y los elementos

que van a ser controlados se realiza la programación. Se definen todos los

elementos de entrada (I) en el Plc y las salidas (Q).

En la figura 90 se muestra el programa listo para ser simulado y cargado en

el PLC para las pruebas respectivas.

&

≥1

I 2.3

I 4.1

I 3.2

Q 1.6

93

Figura 81. Programa de control

La simulación del programa (Ver Anexo 12) se muestra todas las fases del

programa. La simulación es realizada por el mismo software para comprobar

su funcionamiento antes de cargar el programa al controlador.

4.4. INTEGRACIÒN DE LOS SISTEMAS

Una vez realizado todo el diseño de la máquina se integran todos los sistemas

para realizar la construcción, la selección es basada en los parámetros de

funcionamiento y entorno al mercado, a los que va estar sometido dicho

sistema.

4.4.1. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA

Para construir la estructura se realizó previamente planos de la máquina que

consta cada una de las partes (Ver Anexo 7).

Una vez cortada la viga en las medidas establecidas, se suelda las partes de la

estructura con SMAW. Se empieza por la base para posteriormente colocar las

94

columnas. Cada columna es fijada a la base de manera vertical como se puede

ver en la figura 91.

Figura 82. Construcción de la Estructura

Antes de realizar la estructura, en las columnas se realizó los agujeros (Ver

Anexo 7) para colocar los pasadores que posteriormente sostendrán la mesa

móvil. En la imagen se muestra los agujeros realizados en la fresadora con una

broca de Ø = 13 mm.

Figura 83. Agujero de pasadores

95

Se colocan los soportes, son perfiles en “L” con un agujero céntrico donde se

va a colocar la brida del cilindro hidráulico.

Figura 84. Soportes del cilindro hidráulico

4.4.2. INTEGRACIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO

Con la estructura terminada se integra el sistema hidráulico fijando

primeramente el cilindro hidráulico a la estructura como se observa en la

figura 89 se ajusta con tornillos de presión, que se mantenga fija a la

estructura y que no existan vibraciones por el cilindro.

Figura 85. Instalación del cilindro

96

La centralina del sistema hidráulico es construida por MEQSELECTIVE

empresa dedicada a sistemas hidráulicos trabajando con estándares y

normas. Está constituida por los elementos que se observan en la siguiente

imagen.

Figura 86. Componentes de la centralina hidráulica

1) Motor de 2HP, 60hz 3410 RPM VCA 220 – 460. (Ver Anexo 14)

2) Bomba de engranajes, 0,8 – 3 GPM con presión de trabajo de 2500

PSI.(Ver Anexo 8)

3) Válvula reguladora de caudal, toma de ½, 4500 PSI unidireccional.

4) Electroválvula 4-3 NA CC. (Ver Anexo 13)

5) Manifold para electroválvula

6) Recipiente metálico para almacenamiento de aceite.

7) Matrimonio LOVE JOY

8) Filtro de succión (Interno)

9) Filtro de Retorno

10) Tapa Roscada

11) Mirilla de 5’’ con medidor de temperatura

12) Manómetro

97

El sistema es colocado en la parte posterior sobre la base de la estructura, todo

y cada uno de los elementos hidráulicos son desmontable para cambios futuros

por fallas o mantenimientos.

La conexión de las mangueras son colocadas mediante las recomendaciones

del proveedor (Ver Anexo 10), son mangueras de alta presión de ½ pulgada

(Ver Anexo 10) los datos técnicos de las mangueras permiten saber si son las

adecuadas para el sistema hidráulico.

Figura 87. Conexión de mangueras hidráulicas

4.4.3. CONSTRUCCIÓN DE LA MESA CENTRAL Y UÑETA

COMPRESORA

La mesa como se definió en el diseño está compuesta de dos vigas y la

placa central se corta los pedazos de viga con la medida establecida, se

realizan los agujeros para colocar los pasadores.

La placa central y la uñeta compresora tienen un espesor de 10mm que son

cortadas con soplete de oxiacetileno.

Posteriormente soldar la placa sobre los dos pedazos de viga para concluir

la construcción de la mesa central. La figura 92 muestra la mesa ya

ensamblada.

98

Figura 88. Mesa central

La uñeta compresora consta de un hueco central para fijarle al eje del

cilindro hidráulico. Para juntar la uñeta al eje con una tuerca de 1 pulgada.

La figura 98 se muestra como queda fijado la mesa central y la uñeta

compresora al eje del cilindro hidráulico.

Figura 89. Colocación de mesa central y uñeta compresora

4.4.4. INSTALACIÓN DEL PANEL DE CONTROL

Se realiza la distribución del tablero con los agujeros y la colocación de los

mandos de control como se indicó anteriormente antes de ser colocado el

tablero a la máquina.

99

Figura 90. Instalación del tablero de control

Antes de colocar se cablea el tablero de control, para el sistema de control

con cable 18 AWG, y con cable 14 AWG el sistema eléctrico.

Se realizan las instalaciones dentro del tablero. Los fusibles de 32 A seguido

del breaker, el contactor con el guardamotor, el PLC y las respectivas

borneras.

Se instala un relé para activar el sensor inductivo (Ver Anexo 13) donde las

características del sensor indican que trabaja con corriente continua de 6-36

V con una conexión PNP.

Se colocan canaletas para que los cables no se cuelguen. Al terminar de

instalar todos los componentes y cableado, se descarga el programa al PLC.

Figura 91. Cableado del tablero de control

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

100

El opresor de resortes funciona a través de un sistema hidráulico que es

controlado automáticamente por un PLC que comanda la electroválvula de 4

posiciones, 3 vías para la expulsión y retracción del vástago que tiene una

carrera de 300 mm, y diferentes posiciones que cumple ciclo (expulsión y

retracción) en 10 segundos. Las dimensiones que ocupa la máquina

opresora son 1,5 metros de alto y un área aproximada de 0,60 , siendo

una máquina estacionaria por sus dimensiones y su peso. La máquina

opresora tiene una capacidad de longitud máxima de 600 mm y una longitud

mínima de 300 mm. Los resortes presentan distintos diámetros, espesores

del alambre, o diferente forma, lo que hace que cada resorte tenga

diferentes características de resistencia. Los resortes de menor longitud son

de 350 mm y de mayor longitud son de 575 mm, con un diámetro de 95 mm

hasta 180 mm o de forma helicoidal, la placa compresora tiene un diámetro

de 200 mm, y una capacidad de compresión para 2 toneladas con una

presión máxima de 160 bares. Consta de elementos de protección de sobre

carga eléctrica e hidráulica.

Las pruebas se realizan una vez que se carga el programa en el controlador,

todos los elementos instalados y conectados se procede a realizar las

pruebas de funcionamiento de la máquina, realizando pruebas en vacío,

pruebas con carga mínima y con una carga promedio, registrando los datos

obtenidos para la verificación de los resultados.

Las pruebas en vacío se realizan para comprobar que todo el sistema esté

funcionando y los movimientos sean los correctos, en este caso el motor gira

en sentido horario haciendo funcionar a la bomba, generando presión desde

el arranque en el sistema.

Se comprueba el funcionamiento del programa activando las electroválvulas

para subir y bajar el vástago del cilindro.

Se realiza las pruebas de seguridad en la máquina en el guardamotor y el

pulsador de emergencia, para estas pruebas se programa en un punto

menos de lo establecido para verificar su funcionamiento, una vez

programada el punto de corte de corriente del motor se enciende la bomba e

101

instantáneamente se detiene porque salta el protector eléctrico del motor

indicando su buen funcionamiento.

El pulsador de emergencia se pone en funcionamiento, deteniendo

instantáneamente todo el sistema, para establecer de nuevo se desactiva el

pulsador y vuelve a su normalidad el sistema.

Las pruebas del sensor se realizan con la presencia de cualquier metal para

saber si detecta y manda la señal al controlador.

El fin de carrera es activado por la placa compresora superior cuando se

retrae el cilindro, donde detiene al vástago en una distancia segura.

Con las pruebas de funcionamiento se verifican a cada uno de los elementos

para posteriormente aplicar las cargas para evaluar el sistema.

Al realizar el acople del amortiguador a la mesa central, no existe una

fijación segura, por lo que se construye una abrazadera integrándole a la

mesa central.

La uñeta compresora superior no muestra deficiencias al momento de

colocar el amortiguador, para las pruebas se regula la mesa en la altura

deseada por el operador.

Se toman datos de la presión al momento de comprimir los amortiguadores

de carga mínima y promedio, para conocer la fuerza con la que actúa el

cilindro, para la compresión y establecer el ajuste de presión.

5.1.1. MONTAJE

Para realizar el montaje del amortiguador – espiral a la maquina

(previamente desmontado del vehículo) se coloca en la mesa como se

muestra en la figura 92. Se ajusta la abrazadera colocada en la mesa que

permite fijar firmemente al amortiguador de manera vertical.

Se enciende la máquina y se procede a operar desde el panel de control

viendo cómo se extiende el vástago del cilindro hasta hacer contacto con el

amortiguador.

En el siguiente paso se realiza la compresión hasta donde el operador pueda

realizar el trabajo requerido.

102

Una vez terminado se descomprime para desmontar el espiral y el

amortiguador de la máquina.

Figura 92. Montaje del amortiguador

5.1.2. PRUEBAS DE MOVIMIENTO

Las pruebas y verificación del sistema de la máquina, comienza desde la

activación de la bomba, debido que esta debe girar sentido horario

anteriormente mencionado, todo esto se verifica y se conecta de la manera

indicada.

El movimiento del cilindro es lineal colocado de manera vertical, se verifica

su funcionamiento, sin la aplicación de una carga. El movimiento de la

maquina es correcto como se requiere.

El movimiento de la mesa que se realiza manualmente utilizando los

pasadores para la fijación.

5.1.3. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA MÍNIMA

Para la prueba con carga mínima se realizó con el amortiguador del vehículo

Fiat UNO, de características apropiadas por ser un vehículo pequeño.

103

Tabla 13. Características de la suspensión (Fiat uno)

Longitud del Resorte (Descomprimido) 360 mm

Longitud del Resorte (Comprimido) 300 mm

Diámetro Externo 130 mm

Diámetro de Alambre del Espiral 12,75 mm

Numero de Espiras 7

Las pruebas se realizaron con la longitud del resorte descomprimido

tomando los datos de presión y deformación en el resorte que se presentan

a continuación en la tabla 14.

La fuerza del cilindro se calcula en Newton con la Ecuación 2.4. El área

efectiva es calculada en función al diámetro interno del cilindro.

Tabla 14. Pruebas del resorte (Fiat uno)

Deformación

[mm]

Presión

[PSI] / [KPa]

Fuerza

[N]

50 mm 50 psi / 345 KPa

975 N

90 mm 100 psi / 689 KPa

1943 N

130 mm 200 psi / 1379 KPa

3889 N

160 mm 250 psi / 1724 KPa

4862 N

175 mm 300 psi / 2068 KPa

5832 N

104

Figura 93. Fuerza – deformación de carga mínima

La figura 102 muestra como la fuerza va aumentando con la deformación del

resorte. En los últimos puntos la deformación del resorte es mínima a

comparación de la fuerza que va creciendo, significa que la presión también

aumenta para generar más fuerza por parte del cilindro.

5.1.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA MAXIMA

Para la prueba con carga máxima se realizó con el amortiguador del

vehículo BMW modelo 525, de buenas características para realizar las

pruebas, debido que es un automóvil largo y pesado.

Tabla 15. Características de la suspensión (BMW 525)

Longitud del Resorte

(Descomprimido)

360 mm

Longitud del Resorte

(Comprimido)

300 mm

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

60 110 160 170

FUER

ZA [

N]

DEFORMACIÒN [mm]

Fuerza - Deformaciòn

105

Diámetro Externo

145 mm

Diámetro de Alambre del Espiral

13,6 mm

Numero de Espiras

7

Las pruebas se realizaron con la longitud del resorte descomprimido (360

mm), tomando lectura de la deformación del resorte cada cierta distancia

junto con la lectura de la presión proporcionada por el manómetro. En la

tabla 16 se muestra la deformación y presión aplicada para determinar la

fuerza para este tipo de resorte.

La fuerza es calculada de la misma manera como se realizó el cálculo en

las pruebas de carga mínima, con la misma área efectiva del cilindro.

Tabla 16. Pruebas del resorte BMW 525

Distancia

[mm]

Presión

[PSI] / [KPa]

Fuerza

[N]

60 mm 150 psi / 1034 KPa

2916 N

110 mm 200 psi / 1379 KPa

3889 N

160 mm 300 psi / 2068 KPa

5832 N

170 mm 350 psi / 2413 KPa

6805 N

106

Figura 94. Fuerza - deformación carga máxima

Se muestra en la figura que para mayor deformación, mayor fuerza y

presión, de la misma forma que la figura 102. En los últimos puntos muestra

que la deformación va disminuyendo, a diferencia de la fuerza que va

aumentando, este resorte por los resultados obtenidos muestra ser un

resorte de gran resistencia.

5.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS

La tabla 9 muestra los resultados obtenidos por el resorte, donde se indica la

fuerza aplicada al resorte, en comparación a las pruebas realizadas en la

maquina se aplica una fuerza en función de la presión determinando la

fuerza necesaria ejercida por el cilindro para deformar el resorte.

La fuerza aplicada al resorte mediante una carga es referente a la fuerza que

ejerce el cilindro sobre el resorte como se observa en las pruebas. La

comparación de la tabla 9 con las tablas obtenidas en los resultados

presenta una mínima diferencia de fuerza.

En el análisis con carga mínima y carga máxima en la maquina se toma en

cuenta las distancias del resorte comprimido y descomprimido. Para

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

60 110 160 170

FUER

ZA [

N]

DEFORMACIÒN [mm]

Fuerza - Deformaciòn

107

desmontar el resorte del amortiguador que se encuentra comprimido cierta

distancia, el cilindro aumenta en un 10 % la fuerza de extensión del vástago.

El resorte desmontado del amortiguador tiene mayor longitud pero menor

resistencia, por lo tanto es suficiente la fuerza de extensión nominal.

El análisis con carga mínima se determina que necesita una fuerza inicial de

975 [N], y una fuerza máxima de 5832 [N]. En la prueba el resorte es

deformado hasta 175 mm.

La distancia del vástago utilizada es 250 mm para poder deformar al espiral

en 175 mm, no presenta ningún problema de pandeo en el cilindro ni

deformación en los elementos.

El análisis con carga máxima presenta una fuerza inicial de 2916 N en

comparación a la fuerza inicial de menor carga requiere de mucha más

fuerza. La fuerza máxima aplicada al resorte es de 6805 [N], donde se

presenta una diferencia con el de menor carga debido que el resorte

presenta más resistencia.

La distancia del vástago utilizada en el análisis con carga máxima es de 210

mm, existiendo una diferencia con el análisis de menor carga debido que el

resorte varía por el diámetro del alambre.

Para las fuerzas iniciales y fuerzas máximas que se analizaron en las

pruebas se debe tomar en cuenta la fuerza de extensión del cilindro.

El sistema trabaja en óptimas condiciones con cada uno de los componentes

se encuentra listo para poner a trabajar la máquina.

5.3. VENTAJAS DE LA MÁQUINA

Con la prensa el taller puede simplificar los procesos y reducir costes

además de una mayor eficacia y productividad. A continuación se muestra

una tabla comparativa del sistema convencional de ganchos y el sistema

actual de la prensa hidráulica semi - automática.

108

Tabla 17. Tabla comparativa

Antes Después Ventajas

El acoplamiento de los

ganchos al resorte, se

necesita de un banco para

fijar el amortiguador.

La prensa consta de una

mesa central para fijar el

amortiguador en la

misma máquina.

Disminuye el

tiempo de trabajo

en 70%

El trabajo de desmontaje al

resorte necesita de hasta

dos personas.

El desmontaje lo puede

realizar una persona.

Se reduce la

mano de obra en

50%

Los ganchos deben ser

ajustados

proporcionalmente para

comprimir realizando un

esfuerzo físico por el

operador.

La placa compresora de

la máquina comprime

uniformemente sin

realizar un esfuerzo físico

por el operador.

Se disminuye el

esfuerzo físico en

90%

El proceso es manual. El proceso es semi -

automático.

El proceso es

eficaz en un 80%

Los ganchos no pueden

desmontar varios resortes

seguidamente.

La máquina desmonta

varios resortes

seguidamente.

Aumenta la

producción en

60%

No son tan confiables con

resortes muy rígidos sin

poseer un sistema de

seguridad.

Brinda seguridad y

confianza con resortes

rígidos contando con

sistemas de seguridad.

Aumenta la

seguridad del

operador en un

85%

5.3.1. ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO

Se realiza un análisis económico para determinar los beneficios y la

factibilidad del proyecto realizado. Con este análisis se podrá conocer el

costo de la inversión y rentabilidad.

109

Se toman en cuenta los datos económicos del taller enfocado en el cambio

de suspensiones, como un punto de partida para detallar los costos y

beneficios que proporcionará el proyecto.

Se analizan los datos de la tabla 18 antes de la implementación del

proyecto.

Tabla 18. Costos de operación

Rubro

USD $

Ganchos de Compresión $ 200,00

Mano de Obra $ 45,00

Total $ 245,00

El taller automotriz recibe aproximadamente de 10 a 15 autos semanalmente

los cuales 4 a 8 automóviles se realizan mantenimientos en la suspensión.

La mano de obra por cambio de suspensión tiene un costo de $ 45, y toma al

mecánico aproximadamente desde una hora hasta tres horas según la

cantidad de automóviles. El mecánico recibe una comisión del 70% por cada

cambio.

La siguiente tabla muestra el presupuesto de la inversión del proyecto.

Tabla 19. Presupuesto del proyecto

Rubro US$

Estructura

Viga UPN 100 x 6m. $ 89,00

Mesa Central $ 20,00

Placas $ 16,40

Pasadores $ 10,00

Total $ 135,40

Sistema Hidráulico

Cilindro doble efecto $ 400,00

Mangueras y Acoples $ 120,45

Centralina completa $ 1.198,00

110

Total $ 1.718,45

Sistema Eléctrico y Control

Panel $ 20,55

Contactor y guardamotor $ 29,34

PLC $ 100,00

Sensor inductivo $ 25,00

Cables $ 15,00

Implementos electrónicos (Led's, Pulsadores, switch, fusible, borneras)

$ 120,00

Total $ 309,89

Mano de Obra $ 450,00

Imprevistos $ 100,00

TOTAL $ 2.713,74

La inversión es la cantidad de dinero necesaria para poner el proyecto en

operación. Dicha inversión es integrada por capital propio. A continuación se

presentan los costos de operación con la máquina en funcionamiento

Tabla 20. Costos de operación

Rubro

USD $

Inversión del proyecto $ 2713,74

Mano de Obra $ 35,00

Total $ 2748,74

Es una gran inversión que en periodo de tiempo es recuperado para generar

una ganancia. Se observa en la tabla 20 el costo de mano de obra disminuye

por el hecho que la prensa minimiza el tiempo de trabajo con el objetivo de

aumentar clientes en un 60% en 7 a 13 autos semanalmente, con una

utilidad de $105 para el taller. La inversión es recuperada en 7 meses está

representada en tiempo, seguridad y satisfacer la demanda del taller

automotriz.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

111

6.1. CONCLUSIONES

La prensa hidráulica para la compresión de resortes, cumple con

todos objetivos y alcance establecidos, optimizando el proceso de

trabajo.

El propósito del proyecto es poder tecnificar los procesos de trabajo

en el taller automotriz, donde se realiza el cambio de suspensiones a

través de un método no tan confiable que expone al mecánico

físicamente.

El cilindro hidráulico fue construido en relación a la fuerza requerida

para la compresión de un resorte rígido, la longitud del vástago se

determinó mediante el estudio y análisis de los resortes más comunes

en el mercado.

El uso del cilindro hidráulico es una buena alternativa para realizar

movimientos lineales de manera rápida con una velocidad constante y

con gran capacidad de carga.

Cada elemento de la máquina es accesible y desmontable para

realizar cambios o mantenimientos.

El sistema de control es colocado en la parte superior de la máquina

evitando contacto con el sistema de potencia para evitar interferencia

en el sistema de control, o muchas vibraciones puede provocar que

los cables se aflojen.

La respuesta del sistema de control es inmediata, al momento de

trabajar en la apertura y cierre de la electroválvula, de misma manera

en el circuito de potencia permite el arranque y paro del motor. La

seguridad del paro de emergencia también es de respuesta inmediata

deteniendo el motor y control.

112

La prensa hidráulica no requiere de operadores con experiencia,

puede ser utilizada por cualquier persona con los conocimientos

indicados y precauciones básicas.

Al momento de realizar las pruebas de funcionamiento se acopló

piezas extra para proporcionar más seguridad, la abrazadera de la

mesa central para la fijación del amortiguador de manera segura y el

plato superior acoplado a la uñeta compresora para evitar que por

alguna circunstancia resbale el espiral.

113

6.2. RECOMENDACIONES

Las siguientes recomendaciones de diseño e ingeniería se deben tomar en

cuenta para la construcción del prototipo.

Realizar un diseño virtual de los elementos para simular su

funcionamiento, previo a la construcción. Antes de realizar cualquier

instalación o cargar programas al controlador se verifica su

funcionamiento virtual, teniendo en cuenta las entradas y salidas

utilizadas virtualmente para una correcta instalación física.

Establecer tolerancias mayores a las definidas al momento de realizar

cortes por oxiacetileno, para realizar posteriormente cortes, lijadas, o

soldadura de elementos en las distancias requeridas.

A continuación se indican las recomendaciones establecidas para el

operador de la prensa y mantenimiento.

Al momento de encender la maquina no se debe operar inmediatamente,

sino esperar un tiempo en el que la bomba presurice y llene de aceite el

sistema hidráulico.

Verificar que la presión no sobrepase de 500 PSI, observando que no

existan fugas de aceite en las conexiones. Nunca comprimir un resorte

en su totalidad, porque pierde las características elásticas presentando

una deficiencia en la suspensión.

Prestar atención en cada uno de los elementos al momento de trabajar

en la máquina, tomando las medidas de seguridad correspondientes.

Realizar mantenimientos preventivos y correctivos para alargar la vida

útil de los componentes. Utilizar siempre aceite hidráulico ISO 48, ISO

68 cuando el nivel de aceite se encuentre bajo el límite.

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114

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ANEXOS

119

ANEXO 1

Torques del Amortiguador

Tabla 21. Tabla de torques para ajustar los amortiguadores

Tamaño de tornillo

Torque Sugerido

M10 30 (N-m)

M12 40 (N-m)

M14 50 (N-m)

ANEXO 2

Factores de Conversión

120

ANEXO 3

Propiedades de las Áreas

121

ANEXO 4

Longitud efectiva del cilindro según la fijación

122

ANEXO 5

Especificaciones de Vigas UPN

123

ANEXO 6

Propiedades de los Aceros Estructurales

124

ANEXO 7

Planos de la Máquina

a) Cortes de la Viga

b) Agujeros en la Viga

125

c) Planos de la Base

d) Base con la Columnas y soportes

126

e) Plano de Soportes

f) Plano Columnas Cilindro

127

g) Plano Cilindro Hidráulico

128

ANEXO 8

Símbolos Hidráulicos

Tabla 22. Esquemas hidráulicos. Simbología e interpretación

CILINDROS BOMBAS DE

DESPLAZAMIENTO

METODOS DE

ACCIONAMIENTO

simple efecto

Simples, tipo paleta, pistones

y engranes.

Resorte

doble efecto

Simple tipo pistones con

drenaje exterior

Manual

Doble efecto

ajustable

Doble tipo paleta y engranes

Botón

Para servicio

pesado

BOMBAS DE

DESPLAZAMIENTO

VARIABLE

Palanca

Telescopio

Control manual por volante

Pedal

Doble vástago Control por compensador de

presión

Mecánico

129

LINEAS

VALVULA DE CONTROL

POR PRESION

Retención mecánica

Línea de

trabajo

(principal)

Válvula de contrabalanza

Solenoide

Líneas de

pilotaje (para el

control)

Válvula de secuencia

Servomotor

Línea de trabajo

(principal)

Válvula reductora de presión

Compensado por

presión

Dirección de

flujo hidráulico

Válvula reductora de presión

con check integrado.

Mando remoto

Líneas que se

cruzan

LINEAS

LIINEAS

130

Líneas unidas

internamente

Líneas flexible

Línea de depósito

por encima del nivel

de fluido.

Líneas con una

restricción de

flujo

Deposito comunicado al aire

Línea de depósito

por debajo del nivel

de fluido.

VALVULA VALVULA VALVULA DE

CONTROL DE

FLUJO

Anti retorno

Tres posiciones cuatro vías

Válvula de control de

flujo compensado

por presión y

temperatura

Válvula de cierre

NC

Dos posiciones cuatro vías

en transición

Válvula de control de

flujo con control

remoto

131

Control de

caudal ajustable

no compensado.

Válvula de infinitas

posiciones indicadas por las

dos líneas horizontales.

Válvula de control de

flujo con check

integrado.

Dos posiciones

dos vías

ACCESORIOS

Válvula de control

de flujo compensado

por presión y

temperatura con

check integrado.

Dos posiciones

tres vías

Acumulador cargado con

gas

PRESOSTATO

Dos posiciones

cuatro vías

Filtro

Sencillo o doble

Manómetro

132

ANEXO 9

Características de la Bomba de engranajes externos

ANEXO 10

Mangueras Características

Instalación de Mangueras

133

Dimensiones de Mangueras

ANEXO 11

Datos técnicos del LOGO!

134

135

ANEXO 12

Simulación del Programa

Fase 1

136

Fase 2

Fase 3

137

Fase 4

ANEXO 13

Detalles del Sensor Inductivo

Lugar de origen: Zhejiang, China

Marca: OMKQN

Número de modelo: LJ30A3-15-Z/BX

Uso: Sensor de Posición

Teoría: Inductancia del sensor

Salida: Transductor de la conmutación

Dimensión: M30 * 70

Distancia de detección: 15 mm

Objeto detectado: metal magnético

Modo de Instalación: no enrasado

Modo de conexión: cable de 2 m PVC

Material de la carcasa: latón niquelado

Material de la cabeza de inducción: ABS

138

Grado de protección: IP 67

Temperatura de funcionamiento: -30 ~ 70º

Humedad de funcionamiento: 35 ~ 95% RH

Tabla 23. Especificaciones del sensor inductivo

o Conexión sensores PNP

Conmutan el polo positivo a la carga

o Conexión sensores NPN

139

Conecta el potencial positivo a la carga.

ANEXO 14

Electroválvula

Tabla 24. Especificaciones de electroválvula

140

ANEXO 15

Datos técnicos del motor