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Se ha diseñado un banco de pruebas para la comprobación de fuerzas en acción.
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DISEÑO MECÁNICO II
PROYECTO FINAL BANCO DE PRUEBAS PARA TRANSMISIÓN MECÁNICA
José Andrés Flóres Benavides – 0934911 Fabio Alexis Castro Rojas – 1126630
Escuela de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería _______________________________________________________________________________
RESUMEN: Para el diseño de una línea de transmisión mecánica se utilizaron diferentes métodos aprendidos durante el curso de diseño 2 para el cálculo y reajuste de medidas, factores de seguridad, factores de corrección y modelos estadísticos, para determinar los elementos óptimos en la línea de transmisión teniendo en cuenta los diferentes tipos de falla presentados en los componentes.
OBJETIVOS
Diseñar una transmisión mecánica con un fin didáctico, en el cual se acople un motor de 0,5 hp a la entrada y se garantice que la salida de esta transmisión de potencia no sea muy diferente de la entrada.
Verificar mediante cálculos en los diferentes componentes mecánicos las velocidades de rotación, las fuerzas ejercidas por los elementos, el torque transmitido de elemento a elemento y la perdida de potencia a lo largo de la cadena de transmisión.
Diseñar una transmisión mecánica relativamente barata en la cual los elementos para la transmisión de potencia sean funcionales y de bajo costo, dejando espacio de cartera a elementos más complejos como dispositivos de medición que necesitan mayores recursos económicos.
INTRODUCCIÓN La transmisión de potencia desde una fuente a través de una máquina para tener un impulso de salida, es una de las tareas más comunes que se asignan a una maquinaria. Un medio eficiente para transmitir la potencia es a través del movimiento rotatorio de un eje soportado por cojinetes. Se pueden incorporar engranes, bandas, poleas, o catarinas de cadena a fin de proporcionar cambios de velocidad y par de torsión entre ejes. La mayoría de los ejes son cilíndricos (solidos o huecos) incluyen diámetros de paso con hombros para alojar la posición y soporte de los cojinetes, engranes y demás elementos de transmisión, por lo cual el diseño de un sistema para
transmitir potencia requiere de atención al diseño y la selección de cada uno de los componentes. METODOLOGÍA Basados en el texto: Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley y Norton, se realizó el diseño y cálculo de los componentes, tomando en cuenta la guía paso a paso para el diseño de la transmisión mecánica de la sección 18-1 nombrada a continuación: • Determinación de potencia y par de
torsión • Calculo de engranajes • Análisis de fuerzas • Selección de materiales
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• Diseño del eje • Elección de cojinetes Para la determinación de la potencia y el par de torsión se tomó como base los datos del motor de 0,5 hp potencia de entrada y 1,978 N-m torque de entrada con acople directo al primer engranaje de la cadena transmisora de potencia, luego de esto, se realizó un análisis de fuerzas en cada elemento (engranajes y poleas) para determinar el par de torsión, la potencia y la tensión en las poleas de la transmisión de potencia, determinando de la misma manera la potencia, velocidad y torque en la salida de la línea de transmisión. Para el cálculo de los engranajes se tuvo en cuenta que su vida sería de 50 años a infinita suponiendo que sus horas de uso anuales sean 240 en total, su eficiencia sea de 98%, el cálculo de resistencias a la fatiga está fundamentado en el engranaje numero 2 el cual es el engranaje que presenta mayores esfuerzos, siendo estos de un acero A1 con una dureza de 160 HB; para el eje se eligió como material acero 1020 en un principio por costos y al realizar el análisis y verificar que era un material útil para el eje de salida tomando como referencia que el eje debía ser de 20 mm se usó este material suponiendo que sería realizado en frio y con un factor de seguridad no menor a 1,5. Con respecto a la elección de los cojinetes se seleccionaron cojinetes de bolas de contacto angular de una sola fila de serie 02 ranura profunda de la tabla 2 capitulo 11, Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley y Norton, el tipo de aplicación para el cual se usaran es una máquina de operación intermitente, donde la interrupción del servicio resulta de poca importancia, estos se usaran con engranajes comerciales.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS Del anexo 1 donde se encuentran los datos del motor y los datos para el diseño de los engranajes podemos observar que en una transmisión mecánica la potencia a lo largo de la misma se pierde en relación de los elementos que componen la línea, lo mismo que sucede con el torque transmitido, para nuestro caso en el cual el final de la línea de transmisión es una pulidora lo que necesitamos es una alta velocidad de giro para los elementos de la pulidora por lo cual la fuerza perpendicular al eje será desestimada pues no lo tomaremos como un freno, la idea de la pulidora es que pula los elementos con la menos fuerza normal posible. Del anexo 2 se puede observar que al tener cuatro poleas con las ruedas dispuestas de la misma manera tanto para la entrada como la salida la velocidad de las ruedas en rpm se obtienen realizando los cálculos para únicamente el primer par de ellas y teniendo en cuenta el deslizamiento de la cinta podemos observar como la velocidad lineal de las ruedas se vuelve un tanto menor y además notamos que al aumentar el coeficiente de fricción reduce la fuerza de tención de la parte “suelta” de las poleas. CONCLUSIONES Las transmisiones de potencia mecánicas presentan una alta eficiencia en general arriba del 80% por lo cual son altamente empleadas en diversos trabajos mecánicos de manera industrial. Las transmisiones reducen la velocidad de entrada y producen un bajo par motor a la salida aunque también puede ser usada de modo inverso, esto depende del montaje de los elementos.
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Las transmisiones de tipo mecánico son relativamente baratas ya que su componentes se encuentran generalmente en el mercado y no es necesario realizar piezas por pedido, al verlas fuera de su carcaza se puede observar cómo trabaja cada uno de los elementos dando una mejor imagen de cómo se transmite el movimiento de elemento a elemento. BIBLIOGRAFÍA
Budynas R., Nisbett J.; DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA DE SHIGLEY, Novena Edición, Editorial McGraw-Hill, México, 2011.
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ANEXO 1 Transmisión por Engranajes
Engranes de acero A1 endurecido en la masa (160 HB)
Acero grado 2 máximo
El cálculo de la resistencia a la fatiga es basado en el engrane que sufre mayores esfuerzos (engrane 2)
DISEÑO DE UNA TRASMICIÓN DE
POTENCIA
CON CARGA Y FUENTE UNIFORMES
Propiedades Eficiencia Engranes 0,98
Potencia Motor (kw) 0,37284
Propiedades
Velocidad Motor (rpm) 1800
Modulo (mm) 2
F(mm) 10
Torque Motor (N-m) 1,97797763
Ka (carga uniforme) 1
Km (Conocido F) 1,6
Eje de entrada
Potencia (kw) 0,37284
Qv (calidad supuesta) 6
Torque (N-m) 1,97797763
Ks (factor de tamaño) 1
Velocidad (rpm) 1800
Kb (sin aro) 1
Fuerza Tangencial (N) 197,797763
Ca (carga uniforme) 1
Diámetro (m) 0,02
Cm (conocido F) 1,6
Diámetro (in) 0,508
Cs (factor de tamaño) 1
Vel. Tangencial (ft/min) 457,2
Cf (buen acabado) 1
Cp (engranes acero-acero) 191
Angulo de Presión Radianes 0,349
Engrane 1 Dientes 73
Dureza engranes (HB) 160
Potencia (kw) 0,37284
Turno (horas/año-turno) 240
Torque (N-m) 1,97797763
Tiempo de duración (años) 40
Velocidad (rpm) 1800
N (ciclos) 3290713043
Fuerza tangencial (N) 27,095584
Kt (temperatura) 1
Diámetro paso (m) 0,146
Kr (confiabilidad 99%) 1
Diámetro de paso (in) 3,7084
Kl (factor de vida) 0,917884143
Vel. Tangencial (ft/min) 3337,56
Cl (factor de vida) 0,875206969
B 0,82548181
Ct (temperatura) 1
A 59,7730185
Cr (confiabilidad 99 %) 1
Kv, Cv 0,5722133
Ch (razon de dureza) 1
Ki 1,42
Sfb' (psi) 30849,4
J 0,38
Sfb (psi) 28316,17509
5
Esfuerzo flexión (Mpa) 14,1558289
Sfb (Mpa) 195,2332055
P1 (mm) 24,4130664
Sfc' (psi) 85240
p2(mm) 8,41492688
Sfc (psi) 74602,64201
I 0,04027835
Sfc (Mpa) 514,3672439
Esfuerzo superficial
(Mpa) 216,796048
Nb 13,7917183
Nc 5,62916381
Propiedades eje acero 1020
Kt 1,6
Kts 1,35
Engrane 2 Dientes 23
Kf 1,49
Potencia (kw) 0,3653832
Sut 68
Torque (N-m) 0,61073446
Ka 0,882569474
Velocidad (rpm) 5713,04348
Kb 0,85
Fuerza tangencial (N) 26,5536723
Se (Kpsi) 25,50625781
Diámetro paso (m) 0,046
D (m) 0,02
Diámetro de paso (in) 1,1684
d (m) 0,016
Vel. Tangencial (ft/min) 3337,56
D/d 1,2
B 0,82548181
r (m) 0,0016
A 59,7730185
q 0,82
Kv, Cv 0,5722133
qs 0,85
Ki 1,42
Factor de seguridad 1,6
J 0,4
Esfuerzo flexión (Mpa) 13,1790767
Esfuerzo superficial
(Mpa) 382,350718
Nb 14,8138758
Nc 1,80976751
Engrane 3 Dientes 73
Potencia (kw) 0,3653832
Torque (N-m) 0,61073446
Velocidad (rpm) 5713,04348
Fuerza tangencial (N) 8,36622553
Diámetro paso (m) 0,146
Diámetro de paso (in) 3,7084
Vel. Tangencial (ft/min) 10593,1252
B 0,82548181
A 59,7730185
6
Kv, Cv 0,43754376
Ki 1,42
J 0,38
Esfuerzo flexión (Mpa) 5,7161394
P1 (mm) 24,4130664
p2(mm) 8,41492688
I 0,04027835
Esfuerzo superficial
(Mpa) 137,7638
Nb 34,1547313
Nc 13,9404368
Engrane 4 Dientes 23
Potencia (kw) 0,35807554
Torque (N-m) 0,18857472
Velocidad (rpm) 18132,7032
Fuerza tangencial (N) 8,19890102
Diámetro paso (m) 0,046
Diámetro de paso (in) 1,1684
Vel. Tangencial (ft/min) 10593,1252
B 0,82548181
A 59,7730185
Kv, Cv 0,43754376
Ki 1
J 0,4
Esfuerzo flexión (Mpa) 3,74769421
Esfuerzo superficial
(Mpa) 242,966089
Nb 52,0942196
Nc 4,48182899
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ANEXO 2 Transmisión por Poleas
Propiedades Poleas
Eje de salida Potencia (kw) 0,264
Distancia entre centros (mm) 220
Torque (N-m) 0,0463
D1 (mm) 30,9
Velocidad (rpm) 18133
D2 (mm) 52
Fuerza tangencial (N) 4,63
N1 (rpm) 18132,7032
Diámetro (m) 0,02
N2 (rpm) 10775,01017
Diámetro (in) 0,508
Torque (N-m) 0,18857472
Vel. Tangencial (ft/min) 4,38157951
T1 (N-m) 12,2054835
u 0,5
ϴ (grados) 160
Polea 1 Potencia (kw) 0,35807554
T2 (N-m) 3,016365352
Torque (N-m) 0,18857472
Velocidad 1 (m/seg) 28,75052175
Velocidad (rpm) 18132,7032
S 2
Tensión Máxima (N) 12,2054835
Longitud de la correa (m) 0,570724936
Velocidad 2 (m/seg) 14,66863354
Polea 2 Potencia (kw) 0,26419194
Torque (N-m) 0,23413873
Velocidad (rpm) 10775,0102
Tensión Máxima (N) 12,2054835
Polea 3 Potencia (kw) 0,26419194
Torque (N-m) 0,23413873
Velocidad (rpm) 10775,0102
Tensión Máxima (N) 15,1546104
Polea 4 Potencia (kw) 0,26419194
Torque (N-m) 0,23413873
Velocidad (rpm) 18132,7032
Tensión Máxima (N) 12,2054835