Proyecto de Grado Kevin Cuentas
July 25, 2024 | Author: Anonymous | Category: N/A
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Universidad de Los Andes La Paz - Bolivia
Facultad de Ingeniería y Tecnología Carrera de Ingeniería en Mecánica Automotriz
PROYECTO DE GRADO
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN ELEVADOR PORTATIL TIPO TIJERA DE ACCIONAMIENTO HIDRAULICO PARA VEHICULOS LIVIANOS
POSTULANTE: Kevin Richard Cuentas Mendieta TUTOR: Ing. Andrés Linares Matienzo
La Paz, junio de 2022
ÍNDICE CAPÍTULO I GENERALIDADES ...................................................................................................................... 9 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 9 1.2
ANTECEDENTES ................................................................................................................................ 10
1.3
DESCRIPCIÓN DEL OBJETO DEL ESTUDIO ................................................................................. 11
1.4
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................................................. 12
1.4.3 Identificación del problema. ............................................................................................................... 13 1.4.2 Diagrama de Ishikawa ...................................................................................................................... 14 1.4.3 Pregunta de investigación................................................................................................................. 14 1.5
OBJETIVOS ......................................................................................................................................... 14
1.5.1 Objetivo general ............................................................................................................................... 14 1.5.2 Objetivos específicos ....................................................................................................................... 15 1.6
JUSTIFICACION ................................................................................................................................. 15
1.6.1 Justificación Técnica ........................................................................................................................ 15 1.6.2 Justificación Social........................................................................................................................... 15 1.6.3 Justificación Económica ................................................................................................................... 16 1.7
METODOLOGÍA Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN ................................................................... 16
1.7.1 Tipo de investigación ....................................................................................................................... 16 1.7.2 Método de investigación .................................................................................................................. 17 1.7.3 Diseño metodológico ....................................................................................................................... 17 1.7.4 Técnicas de investigación................................................................................................................. 17 1.7.5.1 Revisión documental ................................................................................................................... 17 1.7.5.2 Trabajo de campo ........................................................................................................................ 18 1.7.6 Instrumentos de investigación .......................................................................................................... 19 1.8
ALCANCES Y APORTE ..................................................................................................................... 19
1.8.1 Alcance espacial ............................................................................................................................... 19 1.8.2 Alcance temporal ............................................................................................................................. 19 1.8.3 Alcance temático .............................................................................................................................. 19 1.8.4 Aporte .............................................................................................................................................. 20 CAPÍTULO II ..................................................................................................................................................... 22 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................................ 22 2.1 VEHICULOS LIVIANOS ........................................................................................................................ 22 2.1.1 Tipos de vehículos livianos ................................................................................................................ 23 2.1.1.1 Vehículo: AT1 ............................................................................................................................. 23 2.1.1.2 Vehículo station wagon: (SW2) .................................................................................................. 23 2.1.1.3 Camioneta pick up....................................................................................................................... 24 2.1.1.4 Camioneta panel .......................................................................................................................... 24 2.1.1.5
Camioneta rural/micro bus/combi ....................................................................................... 25
2.2 ELEVADOR AUTOMOTRIZ .................................................................................................................. 25 2.2.1 Tipos de Elevador Automotriz ........................................................................................................... 25 2.2.1.1 Elevador de Dos Columnas ......................................................................................................... 26 2.2.1.2 Elevador de Cuatro Columnas ..................................................................................................... 26
2.2.1.3 Elevador de Tijera ....................................................................................................................... 27 2.2.1.3.1 Análisis ................................................................................................................................. 28 2.2.1.3.2 Funcionamiento .................................................................................................................... 29 2.2.1.4 Elevador Subterráneo .................................................................................................................. 29 2.3 ACERO A36 ............................................................................................................................................. 29 2.4 ESFUERZOS MECANICOS .................................................................................................................... 31 2.4.1 Tracción ............................................................................................................................................. 31 2.4.2 Compresión ........................................................................................................................................ 32 2.4.3 Corte o cizalladura ............................................................................................................................. 33 2.4.4 Flexión ............................................................................................................................................... 34 2.4.5 Torsión ............................................................................................................................................... 35 2.5 PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES ...................................................................... 36 2.5.1 Elasticidad .......................................................................................................................................... 36 2.5.2 Plasticidad .......................................................................................................................................... 37 2.5.3 Maleabilidad....................................................................................................................................... 38 2.5.4 Ductilidad ........................................................................................................................................... 38 2.5.5 Dureza ................................................................................................................................................ 38 2.5.6 Tenacidad ........................................................................................................................................... 38 2.5.7 Fragilidad ........................................................................................................................................... 39 2.6 ESFUERZOS COMBINADOS................................................................................................................. 39 2.7 HIDRAULICA .......................................................................................................................................... 41 2.7.1 Presión................................................................................................................................................ 42 2.7.2 Volumen ............................................................................................................................................. 42 2.7.3 Ley de Pascal ..................................................................................................................................... 43 2.7.4 Componentes del Circuito Hidráulico ................................................................................................ 44 2.7.4.1 Bomba hidráulica ........................................................................................................................ 44 2.7.4.2 Válvula hidráulica ....................................................................................................................... 45 2.7.4.3 Cilindro hidráulico ...................................................................................................................... 46 2.7.4.4 Conductos y Tuberías Neumáticas .............................................................................................. 47 2.8 UNIÓN DE MATERIALES ..................................................................................................................... 49 2.8.1 Tipos de uniones ................................................................................................................................ 49 2.8.1.1 Unión por perno .......................................................................................................................... 49 2.8.1.1.1 Tornillo ................................................................................................................................. 51 2.8.1.2 Unión engatillada ........................................................................................................................ 53 2.8.1.3 Unión por soldadura .................................................................................................................... 54 2.8.1.3.1 Soldadura Manual por Arco (Smaw)...................................................................................... 54 2.8.1.3.2 Clasificación de Electrodos .................................................................................................. 58 2.9 SOFTWARE DE DISEÑO (SOLIDWORKS, SAP 2000, INVENTOR .................................................. 60 2.9.1 SolidWorks......................................................................................................................................... 60 2.9.2 SAP 2000 ........................................................................................................................................... 61 CAPÍTULO III .................................................................................................................................................... 63 MARCO PRÁCTICO ......................................................................................................................................... 63
3.1 CARACTERISTICAS TECNICAS DE UN ELEVADOR TIPO TIJERA............................................... 63 3.1.1 Componentes del elevador ................................................................................................................. 63 3.1.1.1. Plataforma superior .................................................................................................................... 64 3.1.1.2. Largueros ................................................................................................................................... 64 3.1.1.3. Pasador sujesor de largueros ...................................................................................................... 65 3.1.1.4. Largueros de unión soldados ...................................................................................................... 65 3.2 PARÁMETROS DE DISEÑO DEL ELEVADOR ................................................................................... 65 3.2.1 Diseño de elementos principales del elevador.................................................................................... 69 3.2.1.1 Tubo base del elevador ................................................................................................................ 69 3.2.1.2 Largueros externos ...................................................................................................................... 70 3.2.1.3 Largueros internos ....................................................................................................................... 70 3.2.1.4 Plataforma superior ..................................................................................................................... 71 3.3 ANALISIS Y CALCULO DE CARGAS POR MODELO MATEMATICO ........................................... 72 3.3.1 Análisis de cargas en la estructura ..................................................................................................... 72 3.3.2 Perfiles de Acero A36 ........................................................................................................................ 73 3.3.3. Modelo matemático ........................................................................................................................... 75 3.3.4 Límite de fluencia del acero A36 ....................................................................................................... 82 3.3.5 Uniones soldadas por arco eléctrico ................................................................................................... 83 3.3.5.1 Tamaño mínimo de la soldadura de filete ................................................................................... 84 3.3.5.2 Calculo de amperaje de soldadura ............................................................................................... 89 3.3.6 Cálculo estructural en SAP 2000 ....................................................................................................... 89 3.3.5 Cálculo de cilindro hidráulico ............................................................................................................ 94 3.3.6 Características de las ruedas ............................................................................................................... 97 3.4 PROCESO DE MANUFACTURA ......................................................................................................... 100 3.5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................................... 108 3.5.1 Prueba de tiempo de elevación ......................................................................................................... 109 CAPÍTULO IV .................................................................................................................................................. 112 ANÁLISIS DE COSTOS .................................................................................................................................. 112 4.1 FACTIBILIDAD TÉCNICA .................................................................................................................. 112 4.2 FACTIBILIDAD ECONÓMICA ............................................................................................................ 112 4.2.1 Costos variables ............................................................................................................................... 112 4.3 COMPARACIÓN CON MODELO SIMILAR ...................................................................................... 114 CAPÍTULO V ................................................................................................................................................... 119 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................................ 119 5.1 CONCLUSIONES .................................................................................................................................. 119 5.2 RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 120 ANEXOS ...................................................................................................................................... 122 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 133
´
INDICE DE FIGURAS Figura 1 ISHIKAWA .......................................................................................................................................... 14 Figura 2 Dimensionamiento vehículo liviano referencial (en metros) ................................................................ 22 Figura 3: Vehículo tipo AT1 ............................................................................................................................... 23 Figura 4: Vehículo station wagon ....................................................................................................................... 23 Figura 5: Camioneta pick up ............................................................................................................................... 24 Figura 6: Camioneta panel .................................................................................................................................. 24 Figura 7: Micro bus ............................................................................................................................................. 25 Figura 8: Elevador automotriz de dos columnas ................................................................................................. 26 Figura 9: Elevador automotriz de cuatro columnas ............................................................................................. 27 Figura 10: Elevador tipo tijera ............................................................................................................................ 28 Figura 11: Elevador subterráneo de tijera ........................................................................................................... 29 Figura 12: Propiedades mecánicas del Acero A36 .............................................................................................. 30 Figura 13: Acero A36 laminado .......................................................................................................................... 31 Figura 14: Tracción ............................................................................................................................................. 32 Figura 15: Compresión........................................................................................................................................ 33 Figura 16: Corte o Cizalladura ............................................................................................................................ 33 Figura 17: Flexión ............................................................................................................................................... 34 Figura 18: Torsión............................................................................................................................................... 35 Figura 19: Elasticidad metálica ........................................................................................................................... 37 Figura 20: Plasticidad metálica. .......................................................................................................................... 37 Figura 21: Tenacidad metálica. ........................................................................................................................... 38 Figura 22: Esfuerzo combinado .......................................................................................................................... 39 Figura 23: Cálculo de esfuerzo combinado ......................................................................................................... 40 Figura 24: Formulas de cálculo de esfuerzos ...................................................................................................... 41 Figura 25: Componentes básicos de un Sistema hidráulico ................................................................................ 42 Figura 26: Calculo de volumen en objetos ......................................................................................................... 43 Figura 27: Bomba hidráulica ............................................................................................................................... 45 Figura 28: Simbología de una bomba hidráulica................................................................................................. 45 Figura 29: Válvula Hidráulica ............................................................................................................................. 46 Figura 30: Simbología de válvula de control ...................................................................................................... 46 Figura 31: Cilindro Hidráulico ............................................................................................................................ 47 Figura 32: Simbología Cilindro Hidráulico ........................................................................................................ 47 Figura 33: Tuberías hidráulicas flexibles ............................................................................................................ 48 Figura 34: Tuberías hidráulicas rígidas ............................................................................................................... 48 Figura 35: Unión por perno ................................................................................................................................. 49 Figura 36: Valores nominales de fyb y de fub para los tornillos ......................................................................... 52 Figura 37: Uniones por perno ............................................................................................................................. 53 Figura 38: Esquema de Shield Metal Arc Welding (SMAW) ............................................................................. 56 Figura 39: Método de Soldeo .............................................................................................................................. 56 Figura 40: Uniones Soldadas .............................................................................................................................. 57
Figura 41: Soldabilidad por proceso ................................................................................................................... 57 Figura 42: Sistema AWS para clasificación de electrodos .................................................................................. 58 Figura 43: Interpretación de la última cifra para electrodos AWS ...................................................................... 59 Figura 44: Significado de la nomenclatura de electrodo ..................................................................................... 59 Figura 45: Software SolidWorks ......................................................................................................................... 60 Figura 46: SAP 2000 ........................................................................................................................................... 61 Figura 47: Componentes del Elevador ................................................................................................................ 64 Figura 48: Pesos en Vehículos Convencionales .................................................................................................. 66 Figura 49: Altura Máxima de Elevación ............................................................................................................. 67 Figura 50: Distancia entre Ejes ........................................................................................................................... 68 Figura 51: Distancia entre Ejes ........................................................................................................................... 68 Figura 52: Distancia entre Ruedas ...................................................................................................................... 69 Figura 53: Tubo Base de la Estructura ................................................................................................................ 70 Figura 54: Largueros Externos ........................................................................................................................... 70 Figura 55: Largueros Internos ............................................................................................................................. 71 Figura 56: Plataforma Superior ........................................................................................................................... 71 Figura 57: Estructura Final.................................................................................................................................. 72 Figura 58: Distribución de Cargas ...................................................................................................................... 72 Figura 59: Distribución del Peso ......................................................................................................................... 73 Figura 60: Perfil Cuadrado Acero A36 Largero 1 ............................................................................................... 74 Figura 61: Perfil Cuadrado Acero A36 Largero 2 ............................................................................................... 74 Figura 62: Perfil Costanera Acero A36 Plataforma ............................................................................................ 75 Figura 63: Carga en la Estructura ........................................................................................................................ 75 Figura64: Proyección de Vectores ...................................................................................................................... 76 Figura 65: ............................................................................................................................................................ 76 Figura 66: Área interna y Área externa ............................................................................................................... 78 Figura 67: ............................................................................................................................................................ 79 Figura 68: Limite de fluencia de acero A36 ........................................................................................................ 82 Figura 69: Ejemplos de uniones soldadas ........................................................................................................... 83 Figura 70: Datos de una soldadura ...................................................................................................................... 84 Figura 71: Tamaño mínimo de la soldadura de filete .......................................................................................... 85 Figura 71: Localización de Puntos de Soldadura ................................................................................................ 86 Figura 72: Punto de Soldadura ............................................................................................................................ 86 Figura 73: Análisis de Fuerzas ............................................................................................................................ 87 Figura 74: Esfuerzo Cortante de la Soldadura..................................................................................................... 87 Figura 69: Simulación de Estructura ................................................................................................................... 90 Figura 70: Asignación de Material Acero A36 ................................................................................................... 91 Figura 71: Simulación Estructural Seccionada ................................................................................................... 92 Figura 72: Asignación de Cargas ........................................................................................................................ 92 Figura 73: Estructura Simulada ........................................................................................................................... 93 Figura 74: Resultados de Simulación .................................................................................................................. 94 Figura 75: Mediciones de Cilindros .................................................................................................................... 94
Figura 76: Diámetro de Cilindros ....................................................................................................................... 95 Figura 77: Cilindro Montado en el Proyecto ....................................................................................................... 95 Figura 78: Relación de Fuerzas ........................................................................................................................... 96 Figura 79: Comparativa de Cilindros de Fabricante............................................................................................ 97 Figura 80: Características de la Rueda ................................................................................................................ 98 Figura 81: Materiales de la Rueda ...................................................................................................................... 99 Figura 82: Rueda ................................................................................................................................................. 99 Figura 83: Corte de perfiles Cuadrados............................................................................................................. 100 Figura 84: Perfiles Cortados.............................................................................................................................. 101 Figura 85: Perfiles Circulares ........................................................................................................................... 101 Figura 86: Desbaste de Pasadores .................................................................................................................... 102 Figura 87: Perforación de Largueros ................................................................................................................. 103 Figura 88: Mecanizado de volandas .................................................................................................................. 104 Figura 89: Soldadura de volandas ..................................................................................................................... 104 Figura 90: Sujeción de Largueros Articulados .................................................................................................. 105 Figura 91: Articulaciones Soldadas .................................................................................................................. 105 Figura 92: Articulaciones Superiores ................................................................................................................ 106 Figura 93: Disposición de la Plataforma Superior ............................................................................................ 106 Figura 94: Montaje de Cilindros ....................................................................................................................... 107 Figura 95: Soladura y Montaje de Cilindros ..................................................................................................... 107 Figura 96: Ensamblaje Final y Prueba de Funcionamiento ............................................................................... 108 Figura 97: Datos de Pruebas ............................................................................................................................. 110 Figura 98: Costos de Materiales ........................................................................................................................ 112 Figura 99: Costos de Mano de Obra.................................................................................................................. 113 Figura 100: Costo de Uso de Equipos ............................................................................................................... 113 Figura 101: Costos Generales, Impuestos y Utilidad ........................................................................................ 114 Figura 102: Modelo Comparativo ..................................................................................................................... 115 Figura 103: Características Técnicas................................................................................................................. 115 Figura 104: Costo del Equipo Comparativo ...................................................................................................... 116 Figura 105: Costo en Dólares y Bolivianos sin Importación ............................................................................ 116 Figura 106: Detalles Técnicos ........................................................................................................................... 117
CAPÍTULO I GENERALIDADES
CAPÍTULO I GENERALIDADES 1. INTRODUCCIÓN El ser humano a lo largo del desarrollo de sus funciones se ha visto obligado a utilizar maquinas o aparatos que lo ayuden y a la vez mejoren la calidad del trabajo que realizan, indistintamente del campo en que se desenvuelvan. En la actualidad los elevadores de vehículos son de gran importancia para las empresas de rubro automotriz, donde este equipo favorece enormemente en tareas como las de diagnóstico, mantenimiento, montaje, desmontaje, limpieza, entre otras. Hoy en día nuestro medio actual mecánico carece de equipamiento, siendo éste un limitante para mejorar las condiciones, destacando la productividad, calidad y seguridad del trabajo que se realiza en sus distintos rubros, entre estos equipos se puede resaltar la ausencia de un elevador hidráulico dentro el inventario en talleres automotrices.
Un elevador hidráulico está destinado a asistir a la industria automotriz con el propósito de incrementar la productividad, gracias a la posibilidad de posicionamiento del vehículo a una altura adecuada en la cual se logra realizar diferentes tipos de trabajos necesarios para el mantenimiento del automotor.
Por tanto, la construcción de elevador portátil tipo tijera permitirá facilitar el trabajo de los operarios en cualquier especialidad que pueda ser usado, facilitando también el traslado de este equipo y a su vez el traslado del vehículo dentro las instalaciones del taller sobre su estructura.
El presente proyecto al ser culminado estará destinado a la inserción del mismo en talleres pequeños, medianos y grandes, siendo su adquisición económicamente alcanzable, garantizará un beneficio práctico y amplio en su futura aplicación.
9
1.2
ANTECEDENTES
Para la elaboración del presente proyecto se analizó información antepasada referente a la temática propuesta. No hay constancia en nuestro medio de un equipo con características similares, con suficiente difusión comercial, con la practicidad propuesta y económicamente tan a favor de sus posibles usuarios. No obstante, sí existen sistemas hidráulicos de elevadores estacionarios como ser elevadores de columnas y de tijeras, ambos fijos y dependientes de espacio considerable en el taller.
-TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN ELEVADOR HIDRAULICO MANUAL PARA OPTIMIZAR EL TRABAJO EN VEHICULOS LIVIANOS. AUTOR: HANS PINTO TORO MODALIDAD: PROYECTO DE GRADO FECHA: 2019 RESUMEN: El presente proyecto realizo el diseño y construcción de un elevador hidráulico con el fin de optimizar tiempos de trabajo relacionados con el mantenimiento automotriz el cual se diseñó bajo normativas de seguridad, simuló los esfuerzos mecánicos y físicos e hizo la implementación del elevador. El proyecto tuvo la particularidad de ser estacionario y dependiente de un espacio fijo dentro del taller a implementar, limitando su movilidad por las características peso – tamaño que presenta. -TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN ELEVADOR PORTATIL PARA MOTOCICLETAS DEPORTIVAS CON ACCIONAMIENTO HIDRAULICO.
AUTOR: VICTOR JHOLY GOMEZ HUANCA MODALIDAD: PROYECTO DE GRADO FECHA: 2018
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RESUMEN: El presente proyecto realizo el diseño y construcción de un elevador portátil con accionamiento hidráulico para asegurar la estabilidad y elevación de la motocicleta para un mejor mantenimiento en el que calculó las cargas sobre el diseño del elevador, investigó a cerca del funcionamiento hidráulico del mecanismo, realizo los planos de construcción, construyó, elaboró el elevador y finalmente realizo las pruebas de campo. En el mismo se pudo apreciar los cálculos realizados en cuanto al uso en motocicletas convencionales teniendo limitada elevación, uso estricto en motocicletas deportivas tipo enduro y mecanismo hidráulico básico.
1.3 -
DESCRIPCIÓN DEL OBJETO DEL ESTUDIO
Vehículo liviano
Se da esta definición a aquellos vehículos que están constituidos de poco peso provistos de motores entre los 796 cc hasta 2500 cc y de peso bruto de 1380 kg hasta 2500 kg, así mismo variando su largo de 3 m. hasta 5 m aproximadamente, su ancho de 1.48 m, hasta los 2.9 m, con un alto desde los 1 m hasta los 1.7 m (SANCHEZ, 2017) Se define a los vehículos livianos a todos aquellos con un peso bruto menor a 2.700 kilogramos, excluidos los de tres o menos ruedas. Los motorizados livianos, se clasifican en automóviles de pasajeros y comerciales. (DECRETO, DECRETO 211, 1991) -
Hidráulica:
Es la aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, para construir dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite. Resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el diseño de presas de embalse, bombas y turbinas. En otros dispositivos como boquillas, válvulas, surtidores y medidores se encarga del control y utilización de líquidos. (Amaya, 2019)
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-
Principio de Pascal:
El agua empuja hacia arriba a los cuerpos que toca por debajo, hacia abajo a los que toca por arriba y hacia un lado a los que toca del lado opuesto; de donde se concluye fácilmente que, cuando un cuerpo está todo sumergido, como el agua lo toca por debajo, por arriba y por todos los lados, ella se esfuerza para empujarlo hacia arriba, hacia abajo y hacia todos lados. La presión ejercida en un punto de un sistema cerrado será directamente proporcional en cualquiera de los puntos. (Pascal, 1663)
-
Mantenimiento:
“Es el proceso de comprobaciones y operaciones necesarias para asegurar a los vehículos el máximo de eficiencia, reduciendo el tiempo de parada para repararlos. La estructura del mantenimiento de los vehículos sostiene una relación directa con su categoría y con las condiciones en que éstos dan servicio” (TORRES, 1996) Por lo que el mantenimiento automotriz se define como “conservar el automóvil en buenas condiciones e impedir que se deteriore. Aplicando este término a los automóviles, se refiere a lubricar, ajustar y reemplazar ciertas piezas para mantener el automóvil funcionando eficientemente y para evitar un desgaste prematuro” (BRAND, 2009)
-
Uniones Soldadas:
Se define como uniones soldadas a la fusión o unión de materiales que se están soldando, siendo estos metales o no metales lo cual es producido mediante el calentamiento de estos materiales a las temperaturas de soldadura requeridas. (JEFFUS, 2009)
1.4
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad la gran mayoría de talleres automotrices en nuestra ciudad desempeñan funciones de diagnóstico y mantenimiento sin aplicar habitualmente el uso de algún tipo de elevador hidráulico lo cual compromete de forma directa la seguridad de los operarios, la productividad en sus funciones y la integridad de los
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vehículos; dado que equipos de ésta índole son poco accesibles económicamente y no es fácil encontrarlos en el mercado, tomando en cuenta también el reducido espacio que disponen muchos talleres y la demanda de terreno para el montaje que requiere un equipo de esta envergadura.
1.4.3 Identificación del problema. La ausencia de un equipo destinado para la elevación del vehículo de forma segura y confiable retrasa de forma significativa el proceso productivo del taller de servicios automotrices, contar con algún tipo de elevador es bastante costoso y una alta inversión que la mayoría de los talleres no se puede permitir. Ante la falta de equipos versátiles y de accesible adquisición los operadores constantemente improvisan y emplean maneras poco ortodoxas en la elevación, sujeción y movilidad del vehículo dentro de las instalaciones lo que genera una inversión adicional de tiempo, un alto riesgo para la vida de los operadores, como también estos procedimientos atentan contra la integridad del automotor y economía global del taller. Dicho lo anterior es indispensable contar con un tipo de elevador hidráulico dado que ésta herramienta permitirá la revisión y reparación de un automóvil de forma segura, práctica y cómoda incrementando la fluencia de los trabajos que se desarrollen en el taller.
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1.4.2 Diagrama de Ishikawa Figura 1 ISHIKAWA
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
1.4.3 Pregunta de investigación ¿Cómo incrementar la productividad en trabajos de diagnóstico, mantenimiento y el aprovechamiento de espacios en áreas funcionales reducidas del taller automotriz?
1.5
OBJETIVOS
1.5.1 Objetivo general Diseñar y construir un elevador hidráulico portátil tipo tijera para mantenimiento a vehículos livianos con el fin de mejorar la productividad en el taller automotriz.
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1.5.2 Objetivos específicos - Analizar los componentes, características técnicas y funcionamiento del elevador hidráulico tipo tijera. - Realizar el diseño del elevador hidráulico para vehículos livianos. -Analizar y calcular los comportamientos de cargas sobre el elevador hidráulico tipo tijera a través de modelos matemáticos. - Construir el elevador de acuerdo con el diseño planteado. - Realizar pruebas de funcionamiento del equipo.
1.6
JUSTIFICACION
1.6.1 Justificación Técnica Los elevadores convencionales demandan bastante espacio por el diseño que poseen y requieren de una generosa superficie dentro del taller en el que sea instalado, además son estacionarios, tal efecto imposibilita el poder dar un adecuado mantenimiento al mismo, como también de poder disponer del lugar de trabajo que ocupa. Para lo cual se diseñará el elevador propuesto de manera compacta reduciendo la demanda de espacio y movilidad que tendrá éste, con el beneficio adicional de poder transportar un vehículo permitiendo el fácil traslado del automóvil en las instalaciones.
1.6.2 Justificación Social Una gran cantidad de talleres no cuentan con una herramienta o equipo adecuado para realizar la elevación de un vehículo, por lo que aplican conocimientos caseros de elevación poco seguros, y carentes de confort los cuales repercuten en accidentes de mucha gravedad, mismos que afectan la integridad del personal en un taller y del vehículo elevado. El presente proyecto tendrá la finalidad de diseñar y construir un elevador para vehículos por accionamiento hidráulico el que permitirá otorgar seguridad al personal del taller
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para realizar cómodamente mantenimientos y diagnósticos, a la vez garantizará la integridad del vehículo.
1.6.3 Justificación Económica El costo elevado al poder adquirir un elevador hidráulico fijo o de columnas y la carencia de repuestos para aparatos mecánicos de este tipo han limitado su uso, condicionado también por el alto costo de mantenimiento que representa. El diseño y construcción del presente proyecto logrará la accesibilidad económica con el uso de materiales de nuestro medio para su construcción; aportando de esta forma al desarrollo económico del taller incrementando la productividad del mismo elevando el flujo de trabajos y reduciendo tiempos de operación.
1.7
METODOLOGÍA Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN
1.7.1 Tipo de investigación •
Descriptiva: Este tipo de investigación no se preocupa por buscar el origen o causas de la situación, se centra en medir con la mayor precisión posible el efecto que se manifiesta del fenómeno objeto de la información. (Ibañez, 2009)
•
Interpretación: el tipo de investigación descriptiva aplicado a nuestro proyecto explica que no debemos remontarnos en el tiempo para contemplar el origen de los elevadores o su evolución, sino el impacto actual que tiene éste.
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1.7.2 Método de investigación El presente proyecto es de tipo: •
Analítico: Se distinguen los elementos de un fenómeno y se procede a revisar ordenadamente cada uno de ellos por separado. Para ver las relaciones entre las mismas. (Raffino, Método Analítico, 2019)
•
Interpretación: Al contemplar un contenido amplio en el que se tomará en cuenta muchos elementos es necesario aplicar este método de investigación dado que colaborará en el estudio de todos los temas y elementos que compondrán el presente proyecto.
1.7.3 Diseño metodológico El diseño del proyecto de grado será: •
Experimental: La investigación experimental está integrada por un conjunto de actividades metódicas y técnicas que se realizan para recabar la información y datos necesarios sobre el tema a investigar y el problema a resolver. (RUIZ, 2017)
•
Interpretación: Se utilizará este método dado que en el desarrollo del presente proyecto se contemplarán antecedentes físicos y teóricos de referencia para poder dar solución a nuestro problema en particular.
1.7.4 Técnicas de investigación 1.7.4.1 Revisión documental La investigación de carácter documental se apoya en la recopilación de antecedentes a través de documentos de cualquier índole y de diversos autores, en los que el investigador fundamenta y complementa la investigación. • Bibliográficos
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La correcta utilización de la investigación bibliográfica depende de varias habilidades: una cuidadosa indagación, saber escoger y evaluar el material, tomar notas clara y ordenadamente, y finalmente, una clara presentación. A partir de las conclusiones obtenidas mediante el método de investigación científico, se prepara un informe de investigación, este requiere de una investigación bibliográfica acertada. El resultado de un buen proceso investigativo bibliográfico será la publicación de un documento que acompañe al conocimiento científico y capacite al usuario en la metodología de investigación. (Liros, 2017, pág. 2) • Iconográficas Consiste, básicamente, en desentrañar los contenidos temáticos afines a las figuras o a los objetos figurados en una obra de arte. Este nivel corresponde ya a un grado lógico, puesto que en el análisis hay que acudir a la tradición cultural, principalmente a las fuentes icónicas y a las fuentes literarias. En virtud de dichas fuentes, se trata de identificar el asunto representado y de ponerlo en conexión con las fuentes escritas. (Liros, 2017, pág. 2)
1.7.4.2 Trabajo de campo Es una técnica que consiste en observar atentamente el fenómeno, hecho o caso, tomar información y registrarla para su posterior análisis. La observación es un elemento fundamental de todo proceso investigativo, en se apoya el investigador para obtener el mayor número de datos. • Observación participante Se recopilará información de manera visual acerca del desarrollo del elevador hidráulico a diseñar con el fin de documentar su progreso paso a paso. • Trabajo de campo
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Se realizará trabajos de manera física, para realizar pruebas y verificar el correcto funcionamiento del diseño.
1.7.5 Instrumentos de investigación Los instrumentos físicos que se utilizaran: • Cuaderno de notas • Internet • Computadora • Manuales técnicos • Cámara fotográfica • Cámara filmadora
1.8
ALCANCES Y APORTE
1.8.1 Alcance espacial El presente proyecto de grado será llevado a cabo en la ciudad de La Paz - Bolivia en domicilio propio ubicado en la Av. Hugo Ernest en la Zona de Bajo Seguencoma.
1.8.2 Alcance temporal El tiempo estimado en el que se realizará el proyecto tendrá una duración de 6 meses comenzando en el mes de septiembre y culminado en Marzo, cumpliendo el calendario académico de seminario de grado correspondiente a la gestión II/2020.
1.8.3 Alcance temático Para la elaboración del proyecto se tomaron en cuenta las siguientes áreas de estudio: • Resistencia de materiales: Es una rama de la Mecánica que estudia el comportamiento de los materiales sólidos sometidos a cargas exteriores. • Transformaciones mecánicas: Mostraremos con que materiales trabajaremos y el proceder que tendremos sobre éstos.
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• Metalurgia: Nos ayudará a conocer a fondo los elementos metálicos a utilizar, como también el tratamiento que se dará a estos. • Mecánica de fluidos: Nos permitirá analizar y conocer el comportamiento de los fluidos. • Ingeniería automotriz: Mostraremos el diseño de los engranajes y la resistencia que deben tener a la fricción. • Dibujo asistido por computadora: Coadyuvará en la realización de las simulaciones de los componentes por un programa CAD.
1.8.4 Aporte El aporte que se obtendrá del siguiente proyecto será en primera instancia una base concreta, sólida, científica de diseño y elaboración para proyectos futuros los cuales serán destinados a elevadores con las mismas características, pero con mayor capacidad de elevación en referencia al peso del vehículo. También lograremos el desarrollo y mejora productiva de talleres de nuestra urbe centralizando nuestra atención en sus usuarios que serán los operadores mecánicos quienes tendrán una mejora productiva en la mano de obra, agregando la particularidad de optimización de espacios en el taller dada la portabilidad que poseerá. También se aportará en el desarrollo de la industria boliviana dando pie con el presente proyecto a la mejora técnica y fabricación a escala para una posible comercialización masiva. Mencionar que estos aportes estarán ligados al factor accesible económico que tendrá la elaboración de este proyecto, facilitando su construcción, mantenimiento, y a la vez su adquisición.
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CAPITULO II MARCO TEÓRICO
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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1 VEHICULOS LIVIANOS Están constituidos por vehículos de poco peso tanto de pasajeros y mercancías están constituidos de poco peso provistos de motores entre los 796 (cc) a 3000 (cc) y de peso bruto de 1380 Kg a 3.000 Kg, así mismo variando su largo de 3 mts hasta 6 mts aproximadamente, su ancho de 1.48 mts, hasta los 2.9 mts, con un alto desde los 1 mts hasta los 1.7 mts (SANCHEZ, 2017) Se define a los vehículos livianos a todos aquellos con un peso bruto menor a 3.000 kilogramos, excluidos los de tres o menos ruedas. Los motorizados livianos, se clasifican en automóviles de pasajeros y comerciales. (DECRETO, DECRETO 211, 1991) Figura 2 Dimensionamiento vehículo liviano referencial (en metros)
Fuente: DimensionvhlivVitara.cl
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2.1.1 Tipos de vehículos livianos 2.1.1.1 Vehículo: AT1 Figura 3: Vehículo tipo AT1
Fuente: liderempresarial.com Vehículo automotor que sirve como transporte de personas. Normal mente cuenta con seis asientos y excepcionalmente cuentan con nueve asientos. 2.1.1.2 Vehículo station wagon: (SW2) Figura 4: Vehículo station wagon
Fuente: http://noticias.espanol.autocosmos.com
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Vehículo automotor derivado del automóvil que, al rebatir los asientos posteriores, permite ser utilizado para el transporte de carga liviana. 2.1.1.3 Camioneta pick up Figura 5: Camioneta pick up
Fuente: Pinterest
Vehículo automotor de cabina simple o doble caja posterior destinada para el transporte de carga liviana y con un peso bruto vehicular que no exceda los 3500 Kg.
2.1.1.4 Camioneta panel Figura 6: Camioneta panel
Fuente: https://www.pngwing.com/ Vehículo automotor con carrocería cerrada para el transporte de carga liviana.
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2.1.1.5 Camioneta rural/micro bus/combi Figura 7: Micro bus
Fuente: Pinterest.com
Vehículo automotor para el transporte de personas, con una capacidad instalada para el transporte de pasajeros que va desde diez hasta dieciséis asientos, incluyendo la del conductor (Perry, 2007).
2.2 ELEVADOR AUTOMOTRIZ El elevador de autos es un equipo móvil que realiza un desplazamiento en forma ascendente y descendente, el mismo que tiene como finalidad levantar un automóvil para realizar un determinado mantenimiento o trabajo. (Caranqui, 2014) Los elevadores automotrices son una herramienta muy útil en el trabajo de taller, ya que facilitan el trabajo en la parte inferior del vehículo entre otros.
2.2.1 Tipos de Elevador Automotriz Existen distintos tipos de elevador, con características que los distinguen entre sí y los hacen más o menos propicios para cada situación.
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2.2.1.1 Elevador de Dos Columnas Es el tipo más común de elevador utilizado en talleres automotrices, consta de dos pilares hidráulicos, cada uno con dos brazos de apoyo, los cuales sujetan al vehículo por el chasis desde abajo, lo cual hace que la elevación sea muy estable, además, las ruedas quedan libres para trabajar.
Figura 8: Elevador automotriz de dos columnas
Fuente: launch/elevadores.com
2.2.1.2 Elevador de Cuatro Columnas Este tipo de elevador tiene una columna para cada rueda, lo cual significa una mayor capacidad de carga y soporte. Esta disposición facilita la sujeción del vehículo ya que cuenta con rampas en las que las ruedas se apoyan, además, no necesitan de sujeciones especiales al piso, por lo que son más fáciles de instalar y de reubicar.
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Por otro lado, su tamaño y materiales de construcción representan un costo mayor al del elevador de dos columnas. Además, las ruedas quedan apoyadas en las rampas por lo que no se puede trabajar en ellas con facilidad.
Figura 9: Elevador automotriz de cuatro columnas
Fuente: launch/elevadores.com
2.2.1.3 Elevador de Tijera Son elevadores que elevan el vehículo gracias a un mecanismo tipo acordeón, que puede ser accionado de distintas formas, desde un pistón hidráulico hasta un tornillo sin fin. Existen modelos que sostienen al vehículo de las ruedas mediante rampas, como también otros que levantan al vehículo del chasis. Sus mayores ventajas son su tamaño y peso menores, ya que cuando el elevador se encuentra totalmente abajo, ocupa muy poco espacio en el taller podrá ser portátil.
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Figura 10: Elevador tipo tijera
Fuentelaunchiberica.com 2.2.1.3.1 Análisis El elevador de tijera es un elevador que está constituido por una estructura metálica y un circuito hidráulico impulsado por un motor eléctrico. Una de las características importantes del elevador de tijeras es la posibilidad de posicionamiento del vehículo a una altura adecuada en la cual se logra realizar diferentes tipos de trabajos necesarios para el mantenimiento preventivo y correctivo del automotor. Al ser portátil se compone de una plataforma, en la cual hay dos cilindros y dos estructuras tipo tijera. Esta plataforma se acopla a la base del vehículo generando una gran seguridad, con total estabilidad gracias a que posee brazos de expansión para vehículos de mayor amplitud. Su sistema hidráulico compuesto por dos vástagos en la plataforma de la estructura y una bomba accionada mecánica o eléctrica que brinda la fuerza necesaria para elevar la estructura con un considerable grado de seguridad. Es un elevador de poco mantenimiento que optimiza el tiempo dentro del taller.
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2.2.1.3.2 Funcionamiento El principio de funcionamiento del elevador se basa en una estructura metálica que utiliza la geometría y funcionamiento de las tijeras para aumentar la distancia mediante la fuerza que será aplicada por dos cilindros hidráulicos. A medida que el vástago avanza va elevando la estructura, ya que al estar unido a ella cuanto más avanza mayor ángulo adquiere el cilindro con respecto a la horizontal. En el caso del elevador planteado en el proyecto la estructura al cerrarse queda totalmente plegada, las barras no se ven puesto que quedan ocultas por la base y la plataforma superior, consiguiendo así un diseño bastante compacto que ocupa poco sitio y siendo cómodo de transportar. 2.2.1.4 Elevador Subterráneo Son elevadores en los que el mecanismo de elevación se encuentra escondido debajo del suelo, por lo que el espacio del taller no se ve afectado. Estos pueden ser tanto de columnas como de tijera. La desventaja más importante es que tienen un costo alto de instalación, ya que se debe realizar una excavación e impermeabilización del espacio en el que se colocará el mecanismo de elevación. Figura 11: Elevador subterráneo de tijera
Fuente: pelp.cl
2.3 ACERO A36 El acero A36 (norma ASTM A36) es uno de los aceros estructurales de carbono más utilizados, aunque el contenido de carbono del acero estructural A36 es de un máximo de 0.29%, se considera acero suave (contenido de carbono ≤ 0.25%).
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Existen dos versiones que definen el acero con bajo contenido de carbono, una con un contenido de carbono entre 0.04% (0.05%) y 0.25% y la otra con entre 0.04% (0.05%) y 0.29% El acero A36 a menudo se compara con AISI 1018 debido a su composición química similar, el acero al carbono A36 es comúnmente laminado en caliente, mientras que el acero 1018 es comúnmente laminado en frío. El acero estructural A36 tiene buena soldabilidad, generalmente se lamina en caliente en acero rectangular, acero cuadrado, acero redondo, placa de acero, y también se hace comúnmente en todo tipo de secciones de acero, como vigas H, vigas I, canal U, ángulo de acero, tubo de acero, etc. (mundial, 2019) Figura 12: Propiedades mecánicas del Acero A36
Fuente: https://www.materialmundial.com/acero-astm-a36-propiedades-ficha-tecnicaestructural/
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Figura 13: Acero A36 laminado
Fuente: aamsa.com
2.4 ESFUERZOS MECANICOS Los elementos de una estructura deben de aguantar, además de su propio peso, otras fuerzas y cargas exteriores que actúan sobre ellos. Dependiendo de su posición dentro de la estructura y del tipo de fuerzas que actúan sobre ellos, los elementos o piezas de las estructuras soportan diferentes tipos de esfuerzos. Una fuerza sobre un objeto tiende a deformarlo, la deformación producida dependerá de la dirección, sentido y punto de aplicación donde esté colocada esa fuerza.
2.4.1 Tracción La tracción es el esfuerzo al que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Se considera que las tensiones que tienen cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, son de sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.
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Para calcular el alargamiento de una pieza se utiliza la siguiente formula:
Figura 14: Tracción
Fuente: https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/ Formula 1: Tracción
Donde:
δ= Alargamiento (m) F = Fuerza de tracción (kg f) L = Longitud pieza (m) E= Modulo de elasticidad (kg f / m2) A= Sección transversal (m2)
2.4.2 Compresión La compresión es el esfuerzo al que está sometido un cuerpo por la aplicación de fuerzas que actúan en el mismo sentido, y tienden a acortarlo. Es lo contrario a la tracción y hace que se aproximen las diferentes partículas de un material, tendiendo a producir acortamientos o aplastamientos. Por tanto compresión es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable, caracterizado por una reducción de volumen o un acortamiento en determinada dirección.
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Figura 15: Compresión.
Fuente: https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/
Formula 2: Compresión
𝜎=
𝑃 𝐴
Donde: 𝜎 = esfuerzo normal o directo (N/m2) P = Carga (N) A = Área (m2)
2.4.3 Corte o cizalladura La cizalladura es el esfuerzo que soporta una pieza cuando sobre ella actúan fuerzas perpendiculares contenidas en la propia superficie de actuación, haciendo que las partículas del material tiendan a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Normalmente, el esfuerzo de cortadura no se presenta aislado, suele ir acompañado de algún otro esfuerzo, y dependerá del tipo de material a cortar. Figura 16: Corte o Cizalladura
Fuente: https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/ Formula 3: Corte
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𝑉 𝜏= 𝐴 Donde: 𝜏 = Esfuerzo cortante (Pa)(N/m2) V = Fuerza cortante (N) A = Área (m2)
2.4.4 Flexión La flexión es una combinación de esfuerzos de compresión y de tracción. Mientras que las fibras superiores de la pieza están sometidas a un esfuerzo de flexión (se alargan), las inferiores se acortan, o viceversa, produciendo una deformación a lo largo de su eje, que tienden a doblarlo. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector. Figura 17: Flexión
Fuente: https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/
Formula 4: Flexion
𝜎𝑚𝑎𝑥
𝑀∗𝑐 = 𝐼
Donde: 𝜎𝑚𝑎𝑥 = esfuerzo máximo (Pa) (N/m2) M = Momento flexor (N*m) C = distancia del eje (m) I = Momento de inercia (m4)
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2.4.5 Torsión Un cuerpo está sometido a torsión cuando en al menos uno de sus extremos actúa una fuerza que hace rotar el cuerpo sobre su propio eje. Cuando un par de torsión, o momento de torsión, se aplica a un elemento, tiende a deformarlo por torcimiento, lo cual causa una rotación de una parte del elemento en relación con otra. Ese torcimiento provoca un esfuerzo cortante en el miembro. Para un elemento pequeño del miembro, la naturaleza del esfuerzo es igual que la que se experimenta bajo el esfuerzo cortante directo. Sin embargo, en el cortante torsional, la distribución de esfuerzo no es uniforme en la sección transversal. (Mott R. L., 2006)
Figura 18: Torsión
Fuente: https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/ Formula 5: Torsion
𝑇∗𝑟 𝜏= 𝑙𝑝 Donde: 𝛕 = Esfuerzo de torsión (Pa) (N/m2) T = Momento de torsión (N*m) r = Radio de la sección trasversal (m) lp= Momento polar (m4)
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2.5 PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES Las propiedades mecánicas de los materiales se estudian en su total pluralidad los cuales son empleados en construcción de maquinaria, de modo especial desde el punto de vista de su comportamiento resistente. Se presentarán con detenimiento las propiedades que tienes mayor influencia en el diseño mecánico. Siendo de esta manera la resistencia mecánica la capacidad de los cuerpos para resistir las fuerzas aplicadas sin romperse. La resistencia mecánica de un cuerpo depende de su material y de su geometría. El parámetro empleado habitualmente para valorar la resistencia mecánica de un cuerpo es el coeficiente de seguridad. La Resistencia de Materiales combina los datos de material, geometría y fuerzas aplicadas para generar modelos matemáticos que permiten analizar la resistencia mecánica de los cuerpos. (Pedrero, 2018)
2.5.1 Elasticidad Es la cualidad que tiene un material para recuperar su forma original al cesar el esfuerzo que deformo dicho material. A este tipo de conductas en un material se las conoce como deformaciones reversibles o memoria de forma. Por ejemplo, una Liga.
Formula 6: Ley de Hooke
F=K*X Donde: F= Fuera (N) K= Constante del muelle (N/m) X= Alargamiento (m)
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Figura 19: Elasticidad metálica
Fuente: http://ocw.uc3m.es/cursos-archivados/elasticidad-y-resistencia-ii
2.5.2 Plasticidad Al contrario de la elasticidad la plasticidad es la cualidad de un material de quedarse en una forma después que se le aplique un esfuerzo. Esto se debe a que ha superado su límite elástico, pero no su límite plástico. Por ejemplo, un envase plástico. Figura 20: Plasticidad metálica.
Fuente: https://www.emaze.com/@AIZLZFZZ
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2.5.3 Maleabilidad Hace referencia a la capacidad de un material de ser conformado en laminas muy delgadas sin romperse. Por ejemplo, el aluminio.
2.5.4 Ductilidad Es la propiedad de algunos metales que tienen la capacidad de ser estirados y formar hilos finos o alambre. Por ejemplo, el cobre
2.5.5 Dureza Esta propiedad es la resistencia que opone un material a ser penetrado por otro. Esta propiedad se puede medir mediante un durómetro y nos da resultados de diferentes tipos de ensayos dependiendo el tipo de punta que se utilice en el durómetro. Por ejemplo, el diamante. Existen diferentes ensayos de dureza y son: -
Dureza Rockwell
-
Dureza Brinell
-
Dureza Vickers
2.5.6 Tenacidad Es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar sus valores de rotura. Por ejemplo, el acero. Figura 21: Tenacidad metálica.
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Fuente: https://www.elmundo.es/elmundo/2011/01/10/ciencia/1294654709.html
2.5.7 Fragilidad Es el opuesto a la tenacidad, es la facilidad que tiene un material para romperse sin que se produzca deformación elástica. Por ejemplo, el vidrio.
2.6 ESFUERZOS COMBINADOS Un esfuerzo combinado se refiere a los casos en que dos o más tipos de esfuerzos actúan en un punto dado al mismo tiempo. Los esfuerzos pueden ser normales (tensión o compresión) o esfuerzos cortantes. También se dirá que un esfuerzo combinado podrá ser la sumatoria del esfuerzo axial, esfuerzo de flexión, esfuerzo cortante por flexión, esfuerzo cortante por torsión.
Los elementos de máquinas por lo general no están sometidos a un solo tipo de esfuerzo, sino a la interacción de varios esfuerzos de manera simultánea, en el cual se analizará como interactúan dichos esfuerzos, para localizar el punto más critico de la estructura con el fin de poder dimensionar adecuadamente pudiendo también seleccionar el material idóneo para el mismo. (Ortega, 2014) Figura 22: Esfuerzo combinado
Fuente: https://resistenciadelosmaterialesteoria.blogspot.com
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Los esfuerzos individuales se combinan para obtener los esfuerzos resultantes en el punto seleccionado. En otras palabras, se obtienen los esfuerzos 𝜎x, 𝜎𝑦 y 𝛕 xy que actúan sobre un elemento de esfuerzo en un punto.
Figura 23: Cálculo de esfuerzo combinado
Fuente: https://resistenciadelosmaterialesteoria.blogspot.com
Los esfuerzos cortantes y los esfuerzos máximos en el punto seleccionado se determinan usando las ecuaciones de transformación de esfuerzos o el circulo de Mohr. De ser pertinente se encuentras los esfuerzos que actúan sobre los otros planos inclinados.
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Figura 24: Formulas de cálculo de esfuerzos.
Fuente: https://resistenciadelosmaterialesteoria.blogspot.com
Donde: 𝜎 = esfuerzo (N/m2) 𝛕 = Esfuerzo de torsión (Pa) (N/m2)
2.7 HIDRAULICA La hidráulica es la ciencia que forma parte la física y comprende la transmisión y regulación de fuerzas y movimientos por medio de los líquidos. La palabra hidráulica está definida entre tanto criterios como la tecnología o estudio de presión y fluido del liquito. Los líquidos son materiales que se vierten y toman la forma de sus contenedores, se menciona entre estos al agua y aceite. (Quiron, 2015) Para poder utilizar correctamente la hidráulica, es necesario entender varios conceptos básicos que rigen sobre el funcionamiento de los sistemas hidráulicos.
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Figura 25: Componentes básicos de un Sistema hidráulico
Fuente: http://www.ashm.mx/cilindros-hidraulicos-ashm-en-mexico.php
2.7.1 Presión La presión es una magnitud física escalar representada con el símbolo P, que designa una proyección de fuerza ejercida de manera perpendicular sobre una superficie, por unidad de superficie. (Raffino, 2020) En otras palabras, la presión es la fuerza que ejerce un material sobre un área determinada. Se expresa en la siguiente relación: Formula 7:
𝐹 𝑃= 𝐴 Donde: P = Presión (N/m2) F = Fuerza (N) A= Área (m2)
2.7.2 Volumen Se entiende por volumen a una magnitud métrica, euclidiana y de tipo escalar, que se puede definir como la extensión de un objeto en sus tres dimensiones, es decir, tomando en cuenta su longitud, ancho y altura. (Raffino, 2020)
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El volumen en los cuerpos sólidos se calcula con distintas fórmulas geométricas, pero en el caso de los gases, estos siempre ocuparán la totalidad del espacio disponible en el recipiente que los contenga.
Figura 26: Calculo de volumen en objetos
Fuente: https://es.dreamstime.com/f%C3%B3rmulas-del-%C3%A1rea-y-volumen
Donde: V= Volumen (m3) Resto de dimensiones= (m)
2.7.3 Ley de Pascal En física, 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 en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante”. La presión en todo el fluido es constante: esta frase que resume de forma
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tan breve y concisa la ley de Pascal da por supuesto que el fluido está encerrado en algún recipiente, que el fluido es incompresible. (Hernandez, 2017) Este principio se expresa en la siguiente relación:
Formula 8: Ley de Pascal
Donde: F = Fuerza (N) A= Área (m2)
Esta ley es fundamental para la hidráulica respecto a Pascal y sus enunciados, ya que nos muestra el rendimiento potencial de la instalación.
2.7.4 Componentes del Circuito Hidráulico El circuito hidráulico es el sistema que se instala para generar, distribuir y transformar la energía del líquido en movimiento utilizable. Requiere de varios componentes principales, como ser el compresor, los actuadores, las válvulas, los conductos y la unidad de mantenimiento. 2.7.4.1 Bomba hidráulica Una bomba es una máquina destinada al transporte y elevación de líquidos, para lo cual absorbe fluido dentro de sí misma a través de un orificio de entrada y lo impulsa hacia fuera a través de una lumbrera de salida. Para accionarlas precisan de la energía proporcionada por un motor, que suele ser en la mayoría de los casos eléctricos, y en otros de combustión La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de una fuente y la convierte a una forma de energía
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hidráulica. La bomba toma aceite de un depósito de almacenamiento y lo envía como un flujo al sistema hidráulico. Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. (Yepes, 2012) Figura 27: Bomba hidráulica
Fuente: https://victoryepes.blogs.upv.es/2016/04/04/clasificacion-de-las-bombashidraulicas/
Figura 28: Simbología de una bomba hidráulica
Fuente: https://www.hodraulicahidraoil
2.7.4.2 Válvula hidráulica Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica.
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Una válvula es un dispositivo mecánico que consiste de un cuerpo y una pieza móvil, que conecta y desconecta conductos dentro del cuerpo. Son los elementos de un circuito hidráulico que realizan las funciones de abrir, cerrar regular y controlar el flujo y la presión del fluido en el circuito hidráulico. La válvula de presión es importante ya que es una válvula de seguridad para evitar reventones en el circuito, su función es la de limitar la presión de un circuito hidráulico a un valor máximo. (Solé, Neumática e Hidráulica, 2007)
Figura 29: Válvula Hidráulica
Fuente: cadeco.com.mx Figura 30: Simbología de válvula de control
Fuente: pngwing.com 2.7.4.3 Cilindro hidráulico Los cilindros hidráulicos (también llamados motores hidráulicos lineales) son actuadores mecánicos que son usados para dar una fuerza a través de un recorrido lineal, es decir, que convierte la potencia fluida a lineal, o en línea recta, fuerza y movimiento. La presión del fluido determina la fuerza de empuje del cilindro, el caudal
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de ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo. El cilindro hidráulico consiste en un émbolo o pistón conectado a un vástago operando dentro de un tubo cilíndrico comúnmente llamado camisa. Este tipo de cilindros se utilizan normalmente para aplicaciones que requieran funciones tanto de empuje como de tracción. (Escandón, 2012)
Figura 31: Cilindro Hidráulico
Fuente: ingemecanica.com Figura 32: Simbología Cilindro Hidráulico
Fuente: portaleso.com
2.7.4.4 Conductos y Tuberías Neumáticas Los conductores hidráulicos son las partes del sistema que se utilizan para transportar fluidos a todos los distintos componentes del circuito hidráulico. Entre estos
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conductores se incluyen: mangueras hidráulicas, tubos y tuberías de acero. Los conductos hidráulicos o también llamados tuberías hidráulicas se clasifican en conductos hidráulicas rígidas y conductos hidráulicos flexibles. Figura 33: Tuberías hidráulicas flexibles
Fuente: https://toaz.info/doc-viewer Son elementos tubulares flexibles fabricados de goma natural o con productos elásticos sintéticos Se emplean en los sistemas hidráulicos con el mismo fin que se emplean las tuberías rígidas metálicas, esto es, como medio de canalización y transporte del fluido, generalmente las tuberías de conexión a las bombas hidráulicas son flexibles con el fin de absorber los movimientos que produce la impulsión del líquido. Figura 34: Tuberías hidráulicas rígidas
Fuente: https://www.directindustry.es/fabricante-industrial/tuberia
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2.8 UNIÓN DE MATERIALES 2.8.1 Tipos de uniones 2.8.1.1 Unión por perno Como su propio nombre indica, la unión entre los distintos componentes se realiza mediante la utilización de tornillos. La característica principal de este tipo de unión es que son desmontables, es decir la unión es reversible y no será necesario destruir ninguna parte de la unión. Las uniones atornilladas se pueden clasificar según la forma en que se ejecuta y según como trabaja bajo esfuerzos (SAMAT, 2021). Figura 35: Unión por perno
Fuente: caminos.udc.es 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.
•
Los de alta resistencia, que tienen su estudio separado, ya que producen una unión diferente a los dos primeros.
La forma de trabajar de los tornillos es análoga a la de los roblones, de ahí que el cálculo de las costuras atornilladas, así como su morfología, sean las mismas y se puedan estudiar de manera conjunta.
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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 ordinarios: Los tornillos que no cumplen las condiciones indicadas anteriormente para los tornillos calibrados se designan como tornillos negros u ordinarios. Arandelas: Es obligatorio su uso, para evitar que la rosca o su terminal penetren en el agujero y se produzcan tensiones adicionales a las calculadas por aplastamiento. Cuando la construcción esté solicitada por esfuerzos dinámicos, se emplearán arandelas de seguridad. Agujeros: Estos tendrán un diámetro de agujero 1 mm mayor que el nominal del tornillo, o sea, que el de su espiga, redondeando el valor en milímetros. Tornillos de alta resistencia: En estas uniones, de concepción diferente a las atornilladas con tornillos normales ordinarios, negros o calibrados, las costuras se realizan mediante tornillos denominados de alta resistencia o AR, apretados fuertemente con el fin de engendrar 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. Una característica importante de los tornillos de alta resistencia es que se introducen con una pequeña holgura en las piezas a unir, para luego tensarlos mediante apretadura de la tuerca o cabeza, para así producir una presión importante entre las superficies en contacto, que es lo que da lugar a la gran reacción de rozamiento. El esfuerzo, orientado perpendicularmente al vástago o espiga del tornillo, se transmite entre los elementos por el rozamiento estático de las superficies, mientras que el vástago del tornillo queda solicitado por tracción axil y por torsión, como consecuencia del momento de apretadura que se aplica. Si se incrementa el esfuerzo que solicita a la unión es muy probable que se pueda llegar a sobrepasar la resistencia de rozamiento. Si esto sucede, el movimiento que se inicia hace que los vástagos de los tornillos entren en contacto con los bordes de los agujeros y entonces la transmisión del esfuerzo se lleva a cabo, además de por rozamiento, por cortadura, aunque este esfuerzo sea, en general, de tan poca magnitud que, no se llega a producir
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la rotura por cortante debido a la gran resistencia del material del tornillo. Caso de que la carga siga aumentando y se llegue a sobrepasar el valor del límite elástico de los elementos unidos, puede desaparecer parcialmente el pretensado de los tornillos como consecuencia de la estricción, aunque este fenómeno se puede considerar igualmente despreciable. Los tornillos AR difieren de los tornillos ordinarios solo en que el redondeo de acuerdo entre vástago y arandela será como mínimo de:
r (radio)= 1 mm para ø (diámetro) 14 mm r (radio)= 1,5 mm para ø (diámetro) 16 a ø 20 mm r(radio) = 2 mm para ø (diámetro) 22 mm
Además, la tolerancia será basta para la cabeza y vástago y media para la rosca. Este medio de unión se empleará siempre con arandelas bajo la cabeza y bajo la tuerca y serán de espesores acordes a los tornillos empleados
2.8.1.1.1 Tornillo Los tornillos por emplear en uniones de estructuras de acero serán preferentemente de alguno de los grados 4.6, 5.6, 6.8, 8.8 o 10.9. No se utilizarán tornillos de grado inferior al 4.6 ni de grado superior al 10.9 sin demostración experimental de que son adecuados para la unión en la que se prevé su uso. Los valores nominales del límite elástico (fyb) y de la resistencia última a tracción (fub) para adoptar como valores característicos en los cálculos en cada tipo de tornillo se dan en la figura.
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Figura 36: Valores nominales de fyb y de fub para los tornillos
Fuente: MEDIOS-DE-UNIÓN-DE-ESTRUCTURAS-METÁLICAS.com COEFICIENTES PARCIALES DE SEGURIDAD El coeficiente parcial de seguridad del material γM se tomará como: γMb: Resistencia de tornillos
1,25
γMr:
1,25
Resistencia de roblones
γMp: Resistencia de bulones
1,25
γMs: Resistencia al deslizamiento 1,25 (ELU); 1,1(ELS) AGUJEROS PARA TORNILLOS Los agujeros para tornillos se efectuarán preferentemente mediante taladro. El diámetro estándar de los agujeros será igual al del vástago del tornillo más: - 1mm para tornillos de 12 y 14mm de diámetro; - 1 ó 2mm para tornillos de 16 a 24mm; - 2 ó 3mm para tornillos de 27mm o mayores. En uniones atornilladas resistentes por rozamiento pueden emplearse agujeros a sobremedida o agujeros rasgados, cortos o largos, para facilitar el montaje de las piezas. Si se utilizan agujeros a sobremedida, el diámetro del taladro será igual al del
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vástago de los tornillos más: - 3mm para tornillos de 12mm; - 4mm para tornillos de 12 a 22mm; - 6mm para tornillos de 24mm; - 8mm para tornillos de 27mm o mayores.
2.8.1.2 Unión engatillada Las uniones engatilladas se utilizan en elementos compuestos por chapa; el engatillado consiste en darle un pliegue o solución plegada en el lateral o final del tubo de forma que se pueda empalmar con otra chapa o tubo solo o mediante la utilización de una tercera pieza. Se usa en tubos de ventilación, chimeneas, cubiertas de tejados, cerramientos de chapa, etc.; normalmente las piezas vienen preparadas de fábrica, pero muy a menudo se realiza el pliegue in situ (Ferrer Ruiz, 2004). Figura 37: Uniones por perno
Fuente: https://blog.laminasyaceros.com/
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2.8.1.3 Unión por soldadura Las uniones soldadas dan por resultado una unión rígida entre dos o más componentes. Normalmente el proceso de unión se realiza mediante la aplicación de calor a dos componentes de materiales iguales o similares, además se puede aplicar, o no, material a la unión. El calor hace que los materiales se fundan uniendo las distintas partes y dando como resultado un cordón de soldadura. El espesor del cordón dependerá de los espesores de los componentes que se unen. Durante el proceso de ejecución se deben proteger los materiales de los gases de la atmósfera. Existen distintos tipos de soldadura según cómo se produce la fusión de los materiales (SAMAT, 2021).
2.8.1.3.1 Soldadura Manual por Arco (Smaw) La característica más importante de la soldadura con electrodos revestidos, en inglés Shield Metal Arc Welding (SMAW) o Manual Metal Arc Welding (MMAW), es que el arco eléctrico se produce entre la pieza y un electrodo metálico recubierto. El recubrimiento protege el interior del electrodo hasta el momento de la fusión. Con el calor del arco, el extremo del electrodo funde y se quema el recubrimiento, de modo que se obtiene la atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido desde el núcleo del electrodo hasta el baño de fusión en el material base. Estas gotas de metal fundido caen recubiertas de escoria fundida procedente de la fusión del recubrimiento del arco. La escoria flota en la superficie y forma, por encima del cordón de soldadura, una capa protectora del metal fundido. Como son los propios electrodos los que aportan el flujo de metal fundido, será necesario reponerlos cuando se desgasten. Los electrodos están compuestos de dos piezas: el alma y el revestimiento. El alma o varilla es alambre (de diámetro original 5.5 mm) que se comercializa en rollos
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continuos. Tras obtener el material, el fabricante lo decapa mecánicamente (a fin de eliminar el óxido y aumentar la pureza) y posteriormente lo trefila para reducir su diámetro. El revestimiento se produce mediante la combinación de una gran variedad de elementos (minerales varios, celulosa, mármol, aleaciones, etc.) convenientemente seleccionados y probados por los fabricantes, que mantienen el proceso, cantidades y dosificaciones en riguroso secreto. Este tipo de soldaduras pueden ser efectuados bajo corriente tanto continua como alterna. En corriente continua el arco es más estable y fácil de encender y las salpicaduras son poco frecuentes; en cambio, el método es poco eficaz con soldaduras de piezas gruesas. La corriente alterna posibilita el uso de electrodos de mayor diámetro, con lo que el rendimiento a mayor escala también aumenta. En cualquier caso, las intensidades de corriente oscilan entre 10 y 500 amperios. El factor principal que hace de este proceso de soldadura un método tan útil es su simplicidad y, por tanto, su bajo precio. A pesar de la gran variedad de procesos de soldadura disponibles, la soldadura con electrodo revestido no ha sido desplazada del mercado. La sencillez hace de ella un procedimiento práctico; todo lo que necesita un soldador para trabajar es una fuente de alimentación, cables, una porta electrodo y electrodos. El soldador no tiene que estar junto a la fuente y no hay necesidad de utilizar gases comprimidos como protección. El procedimiento es excelente para trabajos, reparación, fabricación y construcción. Su campo de aplicaciones es enorme: casi todos los trabajos de pequeña y mediana soldadura de taller se efectúan con electrodo revestido; se puede soldar metal de casi cualquier espesor y se pueden hacer uniones de cualquier tipo. Sin embargo, el procedimiento de soldadura con electrodo revestido no se presta para su automatización o semiautomatización; su aplicación es esencialmente manual. La longitud de los electrodos es relativamente corta: de 230 a 700 mm. Por tanto, es un proceso principalmente para soldadura a pequeña escala. El soldador tiene que interrumpir el trabajo a intervalos regulares para cambiar el electrodo y debe limpiar el punto de inicio antes de empezar a usar electrodo nuevo. Sin embargo, aun con todo este tiempo muerto
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y de preparación, un soldador eficiente puede ser muy productivo. Figura 38: Esquema de Shield Metal Arc Welding (SMAW)
Fuente: https://smawmetal.com/
Figura 39: Método de Soldeo
Fuente: https://ikastaroak.ulhi.net/
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Figura 40: Uniones Soldadas
Fuente: https://m.riunet.upv.es Figura 41: Soldabilidad por proceso
Fuente: http://metalurgia4c.blogspot.com/2014/10/soldadura.html
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2.8.1.3.2 Clasificación de Electrodos Figura 42: Sistema AWS para clasificación de electrodos
Fuente: http://manuealelectrodosparasoldaduraaws
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Figura 43: Interpretación de la última cifra para electrodos AWS
Fuente: http://manuealelectrodosparasoldaduraaws Figura 44: Significado de la nomenclatura de electrodo
Fuente: https://www.tecnologia-tecnica.com.ar/soldaduraporarco/
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2.9 SOFTWARE DE DISEÑO (SOLIDWORKS, SAP 2000, INVENTOR 2.9.1 SolidWorks SolidWorks es un software CAD (diseño asistido por computadora) para modelado mecánico en 2D y 3D, desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp., El programa permite modelar piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto planos técnicos como otro tipo de información necesaria para la producción. Es un programa que funciona con base en las nuevas técnicas de modelado con sistemas CAD. El proceso consiste en traspasar la idea mental del diseñador al sistema CAD, "construyendo virtualmente" la pieza o conjunto. Posteriormente todas las extracciones (planos y ficheros de intercambio) se realizan de manera bastante automatizada. (Solidworks corp., 2018)
Figura 45: Software SolidWorks
Fuente: https://origencadcam.es/nueva-actualizacion-solidworks-2018-sp04/
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2.9.2 SAP 2000 SAP2000 es un programa comercial de cálculo de estructuras basado en el Método de los Elementos Finitos (MEF). El SAP2000 es un programa de elementos finitos, con interfaz gráfico 3D orientado a objetos, preparado para realizar, de forma totalmente integrada, la modelación, análisis y dimensionamiento del más amplio conjunto de problemas de ingeniería de estructuras. (SAP, 2018) Figura 46: SAP 2000
Fuente: https://www.software-shop.com/producto/sap2000
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CAPÍTULO III MARCO PRÁCTICO
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CAPÍTULO III MARCO PRÁCTICO 3.1 CARACTERISTICAS TECNICAS DE UN ELEVADOR TIPO TIJERA El principio de funcionamiento de un elevador tipo tijera se caracteriza por componerse de una estructura metálica sostenida por largueros unidos entre sí por un pasador, siendo impulsado por el recorrido que tendrán cilindros hidráulicos, encima tendrá una plataforma la cual sostendrá al vehículo elevado.
Los cilindros hidráulicos conformados por un vástago en su interior realizarán un recorrido el cuál al avanzar desde su posición inicial elevará la estructura hasta la altura requerida del vehículo elevado, facilitando la elevación sin requerir un sobre esfuerzo humano.
En el presente proyecto a realizar cuando la estructura este completamente plegada los largueros quedarán ocultos por la base y plataforma superior con el fin de lograr un diseño compacto, que ocupe un espacio reducido en el taller y sea de fácil transportabilidad.
3.1.1 Componentes del elevador La característica del presente elevador es su composición tipo tijera, la cual será detallada a continuación describiendo los componentes respectivamente.
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Figura 47: Componentes del Elevador
Fuente: Elaboración propia 3.1.1.1. Plataforma superior La plataforma superior es el elemento de la estructura que sostendrá al vehículo, teniendo articulaciones móviles que permitirán adecuar la extensión de la estructura al chasis de los diferentes vehículos. 3.1.1.2. Largueros Serán dispuestos dos pares de largueros a cada extremo horizontal de la plataforma superior, siendo estos los que la sostendrán. Este par de largueros ejercerán el movimiento de elevación con la ayuda de los cilindros formando un “x” a las distintas alturas de la estructura.
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3.1.1.3. Pasador sujesor de largueros Este elemento permitirá la articulación de los largueros entre si, en el que también estará dispuesto parte del peso de la estructura superior. 3.1.1.4. Largueros de unión soldados Este elemento permite la unión de las plataformas superiores, conformado de largueros de menor dimensión.
3.2 PARÁMETROS DE DISEÑO DEL ELEVADOR Los parámetros de diseño se establecerán de acuerdo con las necesidades y aplicaciones de un elevador de baja altura tipo tijera. Los parámetros fundamentales para tener en cuenta son la longitud, el ancho y el peso de los vehículos, dados de la siguiente manera: •
Peso máximo que soportará el elevador: Se diseñarán todos los elementos del elevador basados en los esfuerzos que produzcan o reciban. Se determina una tabla en la que se detallan los modelos y pesos de algunos los vehículos comerciales de nuestro medio dentro del parámetro de vehículos livianos.
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Figura 48: Pesos en Vehículos Convencionales
Fuente: Elaboración propia
Se identifica el vehículo con mayor peso de nuestra lista y es la Nissan Frontier con un peso de 3080 Kg. misma que nos servirá de referencia para realizar los cálculos futuros. •
Altura máxima de elevación: Se diseñarán todos los elementos del elevador basados en los esfuerzos que produzcan o reciban respecto a los perfiles de acero a utilizar, se contempla como máximo una altura de elevación de un metro.
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Figura 49: Altura Máxima de Elevación
Fuente: Elaboración propia •
Altura mínima del vehículo: La altura mínima entre el suelo y chasis del vehículo deberá ser de 15 cmts, de tener una altura menor a ésta en algún tipo de vehículo se recomienda usar una plataforma sencilla de madera para que el vehículo logre la elevación indicada.
•
Distancia máxima entre los ejes del vehículo: La distancia entre ejes o batalla de un vehículo es la distancia que existe entre la rueda delantera y trasera como se muestra en la figura a continuación (A). Se reúne estos datos con el fin de determinar el tamaño de nuestra estructura respecto a los ejes de los distintos vehículos.
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Figura 50: Distancia entre Ejes
Fuente:Elaboración propia Figura 51: Distancia entre Ejes
Fuente: Elaboración propia
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La distancia entre ejes mayor es de la Nissan Frontier según los datos obtenidos, y la menor es del Suzuki Jimny, estos datos nos servirán de parámetro para la estructura. •
Distancia entre las ruedas: El vehículo debe poder ingresar libremente en el elevador, para lo cual se toma en cuenta la distancia entre ruedas delanteras y traseras de los distintos vehículos.
Figura 52: Distancia entre Ruedas
Fuente: Elaboración propia Se tiene en cuenta las distancias mínimas y máximas entre ruedas que sirven de referencia para el diseño de nuestra estructura, misma que no deberá sobrepasar dichas dimensiones. •
Trabajos a realizar en el vehículo: Los parámetros de diseño están dirigidos a que el trabajo y las actividades necesarias a ejecutarse en el elevador se hagan con la mayor comodidad posible, se detalla los distintos tipos de trabajo que requieren el uso de la estructura del proyecto.
3.2.1 Diseño de elementos principales del elevador Todos los elementos que conformen el equipo serán diseñados mediante el programa de diseño Solid Works, el cual nos permitirá realizar la base de parámetros previa construcción. 3.2.1.1 Tubo base del elevador
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Este tubo servirá de soporte para la estructura cuando se encuentre elevada. Figura 53: Tubo Base de la Estructura
Fuente: Elaboración propia 3.2.1.2 Largueros externos Estos largueros formarán una parte de las tijeras, serán articuladas por un pasador. Figura 54: Largueros Externos
Fuente: Elaboración propia
3.2.1.3 Largueros internos Estos largueros formarán el conjunto adicional de tijera para la estructura.
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Figura 55: Largueros Internos
Fuente: Elaboración propia
3.2.1.4 Plataforma superior Será la plataforma suspendida por el conjunto de largueros, permitirá colaborar con la suspensión del vehículo. Figura 56: Plataforma Superior
Fuente: Elaboración propia
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3.2.1.5 Estructura final Se realizará la unión de estos 3 componentes con pasadores en uniones articuladas, que permitirán el funcionamiento del equipo. Figura 57: Estructura Final
Fuente: Elaboración propia
3.3 ANALISIS Y CALCULO DE CARGAS POR MODELO MATEMATICO 3.3.1 Análisis de cargas en la estructura Figura 58: Distribución de Cargas
Fuente: Elaboración propia
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El peso de referencia mayor es de 3080 Kg, que estarán distribuidos en 2/3 del peso en el eje que soporte el motor y 1/3 del peso en el eje contrario a la ubicación del motor. De esta manera la estructura soportará el peso distribuido en los dos tijerales respectivamente, se detalla en la siguiente figura.
Figura 59: Distribución del Peso
Fuente: Elaboración propia
Por lo tanto 2/3 de 30880 kg. que es el peso mayor de referencia será igual a 2053,3 kg para el eje delantero, este peso será distribuido en 2 partes iguales a los dos tijerales, teniendo en cada uno de ellos 1026,67 kg. Para el eje trasero que posee 1/3 del peso total, tendrá un valor de 1026.7 kg, que también será distribuido en 2 partes iguales teniendo 513 kg para cada tijeral.
3.3.2 Perfiles de Acero A36 Se utilizarán perfiles de acero cuadrado A36 con las siguientes dimensiones para los tijerales.
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Figura 60: Perfil Cuadrado Acero A36 Largero 1
Fuente: Elaboración propia Figura 61: Perfil Cuadrado Acero A36 Largero 2
Fuente: Elaboración propia
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Figura 62: Perfil Costanera Acero A36 Plataforma
Fuente: Elaboración propia
3.3.3. Modelo matemático A partir de los datos provistos previamente se realizarán los cálculos para determinar si los perfiles seleccionados cumplirán con los requerimientos deseados y si la estructura podrá soportar el peso del vehículo elevado a una altura máxima de 1 metro. Figura 63: Carga en la Estructura
Fuente: Elaboración propia
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Se conoce que el peso de un objeto sobre otro realiza una acción de compresión en la cual las fuerzas se ejercen en un mismo sentido. Se calculará la fuerza que se ejerce en ambos largueros de la estructura de la siguiente manera: Figura 64: Proyección de Vectores
Fuente: Elaboración propia Donde se debe calcular la fuerza del punto A hacia el punto C.
𝑭ac =? Por lo tanto: Figura 65: Proyección de Vectores
Fuente: Elaboración propia
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La ley de senos indica lo siguiente:
𝑺𝒆𝒏 ∝ =
𝑪𝒂𝒕𝒆𝒕𝒐 𝑶𝒑𝒖𝒆𝒔𝒕𝒐 𝑯𝒊𝒑𝒐𝒕𝒆𝒏𝒖𝒔𝒂
Donde: 𝑺𝒆𝒏 ∝ =
𝑭𝒂𝒃 𝟏𝟎𝟐𝟔 𝒌𝒈
𝑭𝒂𝒄 = (𝑺𝒆𝒏 𝟑𝟖) ∗ 𝟏𝟎𝟐𝟔 𝒌𝒈 𝑭𝒂𝒄 = 𝟔𝟑𝟐 𝒌𝒈 ∗
𝟗. 𝟖𝟏 𝑵 𝟏𝒌𝒈
𝑭𝒂𝒄 = 𝟔𝟐𝟎𝟎. 𝟕𝟐 𝑵 Esta será la fuerza ejercida sobre el larguero 1 en uno de los tijerales. Se debe calcular el esfuerzo que soportará el perfil en la sección que tendrá, por lo tanto:
𝝈=
𝑭 𝑨
Donde: 𝝈 = Esfuerzo (MPa) F = Fuerza (N) A = Área (m2)
El área del perfil se calculará de la siguiente manera:
AT= AE - AI Donde: AT= Área total (m2) AE= Área externa (m2)
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AI= Área interna (m2)
Figura 66: Área interna y Área externa
Fuente: Elaboración propia AT = (80mm)2 – (68mm)2 𝑨𝑻 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟖 𝐦𝟐 Con estos datos obtenidos se calcula el esfuerzo: 𝛔=
𝛔𝐀𝐂 =
𝟔𝟐𝟎𝟎.𝟕𝟐 𝐍 𝟎.𝟎𝟎𝟏𝟖 𝐦𝟐
𝐅 𝐀 1 N/m² = 1 Pascal [Pa]
𝛔𝐀𝐂 = 𝟑. 𝟒𝟖 𝑴𝑷𝒂 Se debe calcular la fuerza del punto B hacia el punto C.
𝑭ac =?
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Por lo tanto: Figura 67: Proyección de Vectores
Fuente: Elaboración propia Donde: 𝑺𝒆𝒏 ∝ =
𝑭𝒃𝒄 𝟓𝟏𝟑 𝒌𝒈
𝑭𝒃𝒄 = (𝑺𝒆𝒏 𝟑𝟏) ∗ 𝟓𝟏𝟑 𝒌𝒈 𝑭𝒃𝒄 = 𝟐𝟔𝟒. 𝟏 𝒌𝒈 ∗
𝟗. 𝟖𝟏 𝑵 𝟏𝒌𝒈
𝑭𝒃𝒄 = 𝟐𝟓𝟗𝟏. 𝟐𝟏 𝑵 Con estos datos obtenidos se calcula el esfuerzo: 𝐅 𝛔= 𝐀
𝛔𝐁𝐂 =
𝟐𝟓𝟗𝟏.𝟐𝟏 𝐍 𝟎.𝟎𝟎𝟏𝟖 𝐦𝟐
1 N/m² = 1 Pascal [Pa] 𝛔𝐁𝐂 = 𝟏. 𝟒𝟔 𝐌𝐏𝐚
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Al caracterizarse por se una estructura tipo tijera con un punto articulado que une los largueros se deberá calcular si el pasador previsto soportará el esfuerzo ejercido en ese par de largueros Se calculan las fuerzas en X y Y respectivamente hacia nuestro pasador. Figura 68: Calculo de fuerzas en X y Y
Fuente: Elaboración propia Se determinan las fórmulas principales:
FRx = FAC (x) – FBC (x) FRy = FAC (Y) – FBC (Y)
FR = FR(X) + FR (Y) Por tanto: FRx = 3622.83 N FRy = - 8792.66 N
FR = 9509.77 N
80
Se calcula el área del perfil: Figura 69: Calculo de área del pasador
Fuente: Elaboración propia
AT= 14.22 m2 Por tanto, se calcula un esfuerzo cortante:
𝑉 𝜏= 𝐴 𝜏 = 0.00067 𝑀𝑃𝑎 Figura 70: Características mecánicas acero al boro
Fuente: Elaboración propia
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Se realiza una comparativa respecto al esfuerzo y limite de fluencia del acero al boro.
𝜏 = 0.00067 𝑀𝑃𝑎 < 600 MPa Donde se determina que el perfil utilizado y el esfuerzo que se ejerce sobre él están por debajo del limite de fluencia del acero utilizado.
3.3.4 Límite de fluencia del acero A36 En la gráfica siguiente se puede observar el límite de fluencia del acero A36. El límite de fluencia significa el fin de la zona elástica del material y el inicio de la zona plástica. Eso significa que, al superar el límite de fluencia, el material se deformará de forma permanente, irreversible, nuestros cálculos deben estar por debajo de este límite con el fin de demostrar que nuestra estructura soportará el esfuerzo que genere elevar el vehículo. Figura 71: Limite de fluencia de acero A36
Fuente: Elaboración propia Se comparan los valores obtenidos con el límite de fluencia.
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𝛔𝐀𝐂 = 𝟑. 𝟒𝟖 𝑴𝑷𝒂 < 250 MPa 𝛔𝐁𝐂 = 𝟏. 𝟒𝟔 𝐌𝐏𝐚
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