Diseno de Un Carrusel Infantil

i

DISEÑO DE UN CARRUSEL PARA ENTRETENIMIENTO INFANTIL

ii

CONTENIDO

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES ....................................................................... 1

1.1. OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 1

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................... 1

1.3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................. 1

1.4. BASE TEÓRICA ........................................................................................ 2

1.4.1. CARRUSEL ........................................................................................ 2

1.4.2. PARTES DE UN CARRUSEL ............................................................. 3

1.4.3. MÁQUINAS SIMILARES Y PROVEEDORES..................................... 4

CAPÍTULO 2. ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO ...... 7

2.1. PLANIFICACIÓN DEL PRODUCTO (CASA DE LA CALIDAD) ................ 7

2.2. ESPECIFICACIONES DEL CARRUSEL PARA ENTRETENIMIENTO

INFANTIL .......................................................................................................... 10

2.3. ANÁLISIS FUNCIONAL Y ESTRUCTURA MODULAR ........................... 11

2.4. MÓDULOS Y ALTERNATIVAS ............................................................... 12

2.4.1. MÓDULO 1. INGRESO POSICIONAMIENTO Y SALIDA DE

USUARIO ...................................................................................................... 12

2.4.2. MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL ............................... 13

2.4.3. Módulo 3. Estructura. ........................................................................ 14

2.4.4. Módulo 4. Frenar mecanismo. .......................................................... 14

2.5. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS: ...................................................... 14

2.5.1. MÓDULO 1. ENTRADA, POSICIONAMIENTO Y SALIDA DEL

USUARIO ...................................................................................................... 19

2.5.2. MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL ............................... 23

2.5.3. MÓDULO 3. ESTRUCTURA............................................................. 32

iii

2.5.4. MODULO 4. FRENO ........................................................................ 35

CAPÍTULO 3. CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DEL CARRUSEL ..................... 37

3.1. Cálculo de las dimensiones del cigüeñal: ............................................... 37

-Diagrama de cuerpo libre. ............................................................................ 37

Condiciones de funcionamiento: ................................................................... 37

3.1.1. Solución y referencia. ....................................................................... 40

3.2. Cálculo de las dimensiones del eje principal: ......................................... 48

3.2.1. Solución y referencia. ....................................................................... 49

3.3. Cálculo de la potencia del motor. ............................................................ 57

3.4. Cálculos de engranajes cónicos .............................................................. 59

3.4.1. Cálculo de los engranajes cónicos para mover los cigüeñales. ........ 68

3.5. Rodamientos ........................................................................................... 80

3.5.1. Rodamientos en el eje ...................................................................... 80

3.5.2. Rodamientos en los cigüeñales ........................................................ 82

3.5.3. Rodamientos en los tiradores ........................................................... 85

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 98

1

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES

1.1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar un carrusel para entretenimiento infantil.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Obtener el diseño de un equipo que brinde comodidad, diversión y seguridad

para los usuarios.

• Obtener los planos de conjunto y de taller que permitan realizar la construcción

de un carrusel.

• Determinar un estudio de todos los parámetros necesarios para que la

construcción del carrusel sea sencilla y de bajo costo.

1.3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

El centro educativo “Mundo de los Bajitos” desea la implementación de un

carrusel infantil, ya que muchos padres de familia y profesores han incentivado a

los distintos dirigentes de dicho establecimiento a la adquisición de éste equipo

para que exista una diversión sana y alegre de los niños en los distintos horarios

de recreación.

Por tal motivo se ha visto la necesidad de realizar una investigación mucho más

profunda acerca de los tipos de carruseles, de sus componentes, las

características de cada elemento, tipo de material para que de esta forma se logre

la elección de una alternativa de diseño confiable, segura y que esté acorde a los

requerimientos de la institución.

El carrusel debe ser de un tamaño adecuado a su localización, el área máximo

que debe ocupar es de 25 m2, de esta forma se logra que no exista la dificultad y

tampoco se genere un obstáculo para la libre movilización de las personas; se

debe disponer de un sistema que funcione eléctricamente de tal forma que las

personas no realicen un esfuerzo físico en el momento de realizar el impulso y

posteriormente el giro del carrusel.

Debe ser de fácil mantenimiento, con repuestos de bajo costo que se puedan

conseguir en el mercado.

2

El diseño será realizado para un carrusel fijo ya que éste no se movilizará hacia

otros lugares dentro de la institución.

1.4. BASE TEÓRICA

1.4.1. CARRUSEL1

Un carrusel, tiovivo o calesita es un medio de diversión consistente en una

plataforma rotatoria con butacas para los pasajeros. Tradicionalmente los

"butacas" poseen formas de caballos de madera u otros animales, los cuales en

muchos casos son desplazados mecánicamente hacia arriba y hacia abajo para

simular el galope de un caballo. Normalmente, la música se repite mientras el

carrusel da vueltas.

Aunque los carruseles modernos están fundamentalmente compuestos de

caballos, los carruseles de periodos anteriores a menudo incluían diversas

variedades de animales, como perros, caballos, conejos, cerdos y ciervos, por

nombrar algunos.

Los tiovivos primitivos no tenían plataforma,

sino que se colgaban los animales de postes

o cadenas, los cuales se inclinaban hacia

afuera al girar, por efecto de la fuerza

centrífuga, simulando volar. Se les llamaba

carruseles de caballos voladores.

Normalmente eran propulsados por animales

de tiro caminando en círculo, o por personas

jalando una cuerda o moviendo un

manubrio. Hacia la mitad del siglo XIX, se

desarrolló el carrusel de plataforma, para reducir los riesgos a los niños, donde los

animales y las carrozas se moverían en círculo sobre una plataforma circular

suspendida del eje o poste central.

Eventualmente, con los avances de la revolución industrial se empezaron a

desarrollar mecanismos, con engranajes y cigüeñales, a fin de dar a los postes

1 Extraído de la página http://es.wikipedia.org/wiki/Carrusel

Figura 1-1: Un tiovivo en un festival

veraniego en Londres, con sus animales

tradicionales, luces y decoración.

3

del cual colgaban los animales el típico movimiento de sube y baja, al desplazarse

alrededor del poste central. Las plataformas servían de soporte a la parte inferior

de los postes de suspensión a la vez que servían de plataforma para caminar por

ella o para colocar sobre ella otros animales, carrozas, canoas simuladas y otros

objetos. Era común tener órganos u otros instrumentos musicales automáticos y

pronto aparecieron los motores eléctricos y las luces que dieron a los tiovivos su

estilo clásico.

1.4.2. PARTES DE UN CARRUSEL2

Para construir un carrusel se debe tener en cuenta su diseño mecánico y su

diseño decorativo. Las partes mecánicas de un carrusel se pueden observar en la

Figura 1-2.

Figura 1-2: Partes mecánicas de un carrusel para ent retenimiento infantil.

Las partes decorativas de un carrusel para entretenimiento infantil se puede

observar en la Figura 1-3.

2 Extraído del documento web http://rosekennedygreenway.files.wordpress.com/2010/10/10-27-10-community-meeting_final.pdf

4

Figura 1-3: Partes decorativas de un carrusel para e ntretenimiento infantil.

1.4.3. MÁQUINAS SIMILARES Y PROVEEDORES

1.4.3.1. Proveedor en México. “El Carruselito”

CARRUSEL DE LUJO3 Carruselito de Lujo: único en su género no tiene competencia, ideal para pasillos pequeños o espacios reducidos y de fácil desplazamiento: • 300 lámparas italianas de importación. • Con música estereofónica de más de 100

canciones infantiles. • Incluye remolque y su jalón. • Funciona con 110 volts. • Mide 3 mts de diámetro y 3.30 mts de altura. • Pesa 750 Kgrs. • Hecho en su mayoría en fibra de vidrio con

pisos de madera y paisajes reales al gusto. • Incluye 12 figuras 8 con movimiento y 4 fijas,

con cinturones de seguridad en cada figura. • Control para operar.

Figura 1-4 : Carrusel de lujo,

comercializado por el El Carruselito,

en México.

3 Encontrado en http://www.elcarruselito.com/index.php/carrusel-de-lujo

5

CARRUSEL TIPO ITALIANO4 Carruselito Tipo Italiano: único en su género no tiene competencia, ideal para pasillos pequeños o espacios reducidos y de fácil desplazamiento: • De 150 luces y 220 lámparas italianas de

importación.

• Con música estereofónica (30) canciones.

• Puede incluir remolque y su jalón.

• Funciona con 110 volts.

• Mide 2.20 mts. de diámetro y 3.00 mts de altura.

• Pesa 450 Kgrs.

• Hecho en su mayoría en fibra de vidrio con paisajes reales.

• Incluye 6 figuras (de disney, caballos, animalitos y varios).

• Incluye el cinturón de seguridad en cada figura.

• Control para operar.

Figura 1-5 : Carrusel tipo italiano,

comercializado por El Carruselito, en México.

4 Encontrado en http://www.elcarruselito.com/index.php/carrusel-tipo-italiano.

6

1.4.3.2. Proveedor en Argentina. “Supernovafun”5

Figura 1-6: Productos comercializados por Supernovafu n, en Argentina. Ofrecen una variedad de

productos para personalizar un carrusel.

5 Encontrado en http://www.supernovafun.com/

7

CAPÍTULO 2. ESTUDIO Y SELECCIÓN DE

ALTERNATIVAS DE DISEÑO

2.1. PLANIFICACIÓN DEL PRODUCTO (CASA DE LA CALIDAD)

Luego de haber realizado una recopilación de datos mediante encuestas y

entrevistas a los usuarios se obtuvo la siguiente lista de demandas o

necesidades:

1. Que tenga 12 butacas

2. Que tenga movimientos giratorio y de vaivén de las butacas

3. Que tenga una plataforma base máximo de ф4m

4. Que sea estable

5. Que su mantenimiento sea fácil

6. Que su operación sea fácil

7. Que su funcionamiento sea silencioso

8. Que brinde seguridad para usuarios

9. Que sea atractivo a la vista del usuario (decoración atractiva)

10. Que sus butacas sean cómodas

11. Que su costo sea bajo

12. Que su instalación sea fácil

Una vez definida las necesidades y requerimientos de los usuarios se

establecieron las características técnicas del carrusel para entretenimiento infantil,

posteriormente se desarrolló la casa de la calidad, la cual se puede observar en la

Figura 2-1.

9

Figura 2-1: Casa de la calidad aplicada a la defini ción de las características del carrusel para entre tenimiento infantil.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F G H I

Necesidades y Deseos del Cliente Tipo de demanda

Dimensiones PesoMovimiento

rotatorio estable

Desplazamiento vertical de la

butacaMantenimiento Nivel de ruido Seguridad Ergonomía Estética Propia

EmpresaCompetencia 1 Competencia 2 Objetivos

Indice de Mejora

Factor de Venta

ImportanciaPonderació

nPonderació

n en %

1 12 butacas E 9 9 3 3 3 9 3 1 1 5 4 5 5.0 1.00 5 25.00 9.70

2 Movimientos giratorio de plataforma y de vaivén de las butacas O 1 9 9 9 3 9 3 1 5 5 5 5.0 1.50 5 37.50 14.56

3 Dimensión de plataforma base máximo ф4m E 9 9 1 3 1 1 1 4 4 5 5.0 1.20 4 24.00 9.32

4 Estable B 3 9 9 3 9 1 4 4 4 4.0 1.00 3 12.00 4.66

5 Facilidad de mantenimiento O 9 3 3 9 3 1 1 3 4 3 3.0 1.50 5 22.50 8.73

6 Fácil operación O 3 1 1 1 5 5 4 4.0 1.00 4 16.00 6.21

7 Funcionamiento silencioso O 9 9 3 3 9 3 1 4 5 3 3.0 1.20 4 14.40 5.59

8 Brinde seguridad para usuarios B 3 3 1 9 1 3 1 5 4 4 4.0 1.50 5 30.00 11.65

9 Atractivo a la vista del usuario E 1 1 9 1 5 5 3 3.0 1.50 5 22.50 8.73

10 Butacas cómodas E 3 1 1 9 3 1 4 5 4 4.0 1.20 4 19.20 7.45

11 Bajo costo O 9 9 9 9 1 3 9 3 3 1 3 3 3 3.0 1.50 5 22.50 8.73

12 Fácil instalación O 9 9 3 3 3 3 1 1 1 3 3 3 3.0 1.00 4 12.00 4.66

257.60 100.00

EVALUACIÓN TÉCNICADimensiones Peso Movimiento

rotatorio estableDesplazamiento

vertical de la butaca

Mantenimiento Nivel de ruido Seguridad Ergonomía Estética

PROPIA EMPRESA 1 1 1 1 1 1 1 1

COMPETENCIA 1 5 4 4 4 3 4 5 4 5COMPETENCIA 2 5 4 4 4 3 5 4 3 5INCIDENCIA 1085 1057 1025 799 874 476 1270 529 493 7608INCIDENCIA EN % 14.3 13.9 13.5 10.5 11.5 6.3 16.7 7.0 6.5 100

VA

LOR

ES

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4 m

x 4

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800

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ños

infa

ntile

s

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA

COMPROMISOS

VOZ DEL USUARIOVOZ DEL INGENIERO EVALUACIÓN DEL USUARIO

muy positiva

positiva

negativa

muy negativa

10

2.2. ESPECIFICACIONES DEL CARRUSEL PARA

ENTRETENIMIENTO INFANTIL

El carrusel para entretenimiento infantil debe cumplir con los requerimientos

planteados en la Tabla 2-1.

Tabla 2-1: Tabla de especificaciones del carrusel p ara entretenimiento infantil.

Empresa de ingeniería : FIM-EPN

Integrantes: Fabián Iza, Daniel Terán

Producto : Carrusel para entretenimiento infantil

Fecha inicial : 23/03/11 Última Revisión : 24/03/11

Concepto Fecha Propone R/D Descripción

Función 18/03/11 C R Proporcionar un medio de diversión consistente en una plataforma rotatoria con butacas para los pasajeros

18/03/11 C R Generar un movimiento rotatorio de velocidad constante y vertical oscilatorio

Dimensiones 21/03/11 C R Área disponible: 25 m2

21/03/11 C R Dimensiones máximas: Ø4 m x 4 m de altura 21/03/11 C R Capacidad: 12 butacas 21/03/11 C R Peso de pasajeros: entre 20 y 35 kg

Movimientos 22/03/11 C+I R Movimiento rotatorio C+I R Movimiento vertical oscilatorio de las butacas 22/03/11 I R Velocidad de rotación de la plataforma: 6 rpm

22/03/11 I R Amplitud de oscilación de butaca: 200 mm 22/03/11 I R Velocidad de oscilación: 18 golpes/minuto

Materiales 22/03/11 I R Plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP), acero galvanizado, capa fadness.

Energía 22/03/11 I R Energía eléctrica monofásica; Voltaje: 110V AC

Vida útil y

mantenimiento 22/03/11 I R En operación: 10 años; fiabilidad: 95% 22/03/11 I R Mantenimiento preventivo: cada 4 meses

Seguridad y ergonomía

22/03/11 C+I R Piso con material antideslizante 22/03/11 C+I R Sistema de freno de emergencia

22/03/11 C+I R Butacas con montura ergonómica Propone: C=Cliente, I= Ingeniería R/D: R=Requerimientos, D= Deseo.

11

2.3. ANÁLISIS FUNCIONAL Y ESTRUCTURA MODULAR

12

2.4. MÓDULOS Y ALTERNATIVAS

2.4.1. MÓDULO 1. INGRESO POSICIONAMIENTO Y SALIDA DE USUAR IO

2.4.1.1. Función 1. Ingresar usuario.

Descripción:

Se debe implementar un sistema que permitirá el ingreso del usuario hacia la

plataforma del carrusel.

Solución . Colocación de escalones para ascender hacia la plataforma.

El carrusel debe estar cercado por barras que, de igual forma permitirá el ingreso a

los usuarios.

2.4.1.2. Función 2. Posicionar usuario en butaca.

Descripción:

Consiste en ayudar al usuario a ubicarse en las butacas de una manera fácil y sin

riesgo de algún accidente.

Solución 1. Apoyo localizado en la base de la butaca.

Solución 2. Persona encargada de la adecuada ubicación de los usuarios en las

butacas.

2.4.1.3. Función 3. Asegurar usuario en butaca.

Descripción:

Se debe colocar dispositivos que brinden la seguridad necesaria para mantener a los

niños en las butacas sin el peligro de sufrir alguna caída.

Solución.

Uso de cinturones de seguridad instalado en la butaca.

13

2.4.2. MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL

2.4.2.1. Función 1. Producir movimiento.

Descripción:

El motor eléctrico proporcionará la potencia y energía mecánica para el movimiento

del carrusel, y su solución es única por requerimiento del cliente.

Solución: Motor eléctrico.

2.4.2.2. Función 2. Producir velocidad requerida.

Descripción :

Este sistema se utilizará para trasmitir el movimiento y variar la velocidad producida

por el motor eléctrico a una velocidad constante y adecuada.

Solución 1: Tornillo sin fin corona.

Solución 2. Bandas y poleas.

Solución 3 . Cadena y catalina.

2.4.2.3. Función3. Generar movimiento rotatorio de la plataforma.

Descripción:

Después de haberse conseguido la velocidad necesaria se desea obtener un

movimiento rotatorio horizontal del eje y transmitirla hacia la plataforma y para esta

función se tienen las siguientes alternativas.

Solución 1. Transmisión por engranajes cónicos.

Solución 2 . Transmisión mediante llanta.

2.4.2.4. Función 4. Originar movimiento oscilatorio vertical

Descripción:

14

Dicha función nos ayudará a obtener un movimiento rotatorio vertical y

posteriormente un movimiento oscilatorio vertical de las butacas.

Solución 1. Geometría ondulatoria de la plataforma.

Solución 2. Engranajes cónico-corona y cigüeñales.

Solución 3 . Levas y seguidores.

2.4.3. Módulo 3. Estructura.

Descripción:

Proporciona rigidez, estabilidad y soporte de los módulos funcionales.

Solución: Estructura metálica soldada y empernada, plataforma de acero y madera.

2.4.4. Módulo 4. Frenar mecanismo.

Descripción:

Se incorporará un sistema eléctrico para desactivar el motor eléctrico.

2.5. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS:

15

Alternativa A. Alternativa B. Alternativa C

MÓDULO 1. ENTRADA, POSICIONAMIENTO Y SALIDA DE USUARIO

Solución 1

Ingr

esar

y r

etira

r us

uario

Solución 2

Pos

icio

nar

y ba

jar

usua

rio d

e bu

taca

Colocar escalones Plataforma baja

Apoyo fijado a la base de la butaca

Persona encargada de posicionar y bajar usuario

Ase

gura

r us

uario

en

buta

ca

Cinturón de seguridad

16

MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL

Solución 1 Solución 2 Solución 3

Acc

iona

r m

ecan

ism

o y

prod

ucir

mov

imie

nto

Pro

duci

r ve

loci

dad

requ

erid

a

Gen

erar

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nto

rota

torio

de

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lata

form

a

Gen

erar

mov

imie

nto

osci

lato

rio

vert

ical

de

buta

cas

Motor eléctrico

Geometría ondulatoria de la plataforma

Transmisión por llanta

Levas y seguidores en la parte inferior

Reductor por tornillo sin fin corona

Transmisión por engranajes cónicos

Reductor por cadena-catalina

Reductor por poleas y bandas

Engranajes cónico-corona y cigüeñal en la parte

superior

17

Alternativa A. Alternativa B. Alternativa C.

MÓDULO 3. ESTRUCTURA

Solución 1 Solución 2

Sos

tene

r pl

ataf

orm

a

Base de plataforma

Sop

orta

r ej

e pr

inci

pal

y pl

ataf

orm

a

Soporte inferior

Soporte circular inferior

18

Alternativa A. Alternativa B.

Estructura superior

Columna

Carpa

Adorno superior.

19

2.5.1. MÓDULO 1. ENTRADA, POSICIONAMIENTO Y SALIDA DEL USU ARIO

2.5.1.1. ALTERNATIVA A.

Descripción:

Primera alternativa de selección, consta de una plataforma con una distancia mínima

entre el suelo y su base, además para posicionar al usuario se instalará apoyos en

los tiradores y finalmente se colocarán cinturones de seguridad en las butacas.

Figura 2.5.1. Alternativa A. (Módulo 1)

Ventajas:

- Mayor ergonomía debido a que el usuario tendrá la facilidad de ingreso hacia la

plataforma del carrusel debido a su diseño.

Desventajas:

- No brinda una completa seguridad debido a que no se tiene personal para la

adecuada ubicación de los usuarios.

2.5.1.2. ALTERNATIVA B.

Descripción:

20

Se tiene una plataforma con una distancia mínima entre el suelo y su base, para

posicionar al usuario se tiene la ayuda de una persona que se encarga también de

la seguridad, finalmente se colocarán cinturones de seguridad en las butacas.

Figura 2.5.2. Alternativa B. (Módulo 1)

Ventajas:

- Este sistema es más seguro debido a que existirá una persona para la

seguridad del usuario.

- Facilidad de acceso al carrusel mediante escaleras.

Desventajas:

- El mantenimiento se vuelve complicado debido a la reducción de espacio entre

la base de la plataforma y el suelo.

2.5.1.3. ALTERNATIVA C.

Descripción:

Se instalarán gradas para que el usuario tenga acceso hacia la plataforma, para

posicionar al usuario se instalan apoyos en los tiradores, finalmente se colocarán

cinturones de seguridad en las butacas.

21

Figura 2.5.3. Alternativa C. (Módulo 1)

Ventajas:

- Con este sistema se tiene de igual forma una adecuada comodidad para el

ingreso del usuario hacia la plataforma.

Desventajas:

- No brinda una completa seguridad debido a que no se tiene personal para la

adecuada ubicación de los usuarios.

Selección de la alternativa.

Método de los residuos ponderados.

La ponderación se determina de la siguiente manera:

- 1 Si el criterio (o solución) de la filas es superior (o mejor;>) que el de las

columnas.

- 0,5 Si el criterio (o solución) es equivalente (=) al de las columnas.

- 0 Si el criterio (o solución) de la filas es inferior (o peor;<) que el de las

columnas.

22

Criterios:

Ergonomía.- Indica la facilidad y comodidad que tienen los usuarios para situarse en

el carrusel.

Precio.- Que brinde un punto óptimo en la relación costo beneficio.

Seguridad.- Es necesario brindar seguridad y prevenir accidentes para que de esta

forma no se tenga ningún peligro en el momento de posicionarse en el carrusel.

Evaluación del peso específico de cada criterio.

Solución A Plataforma baja y apoyo en tirador

Solución B Manual

Solución C Grada-Tirador

Criterio seguridad ergonomía precio Σ+1 Ponderaciónseguridad 1 1 3 0,500 ergonomía 0 0,5 1,5 0,250

precio 0 0,5 1,5 0,250 suma 6 1,000

Evaluación del peso específico del criterio de seguridad

Criterio Solución A Solución B Solución C Σ+1 PonderaciónSolución A 0,5 0,5 2 0,333 Solución B 0,5 0 1,5 0,250 Solución C 0,5 1 2,5 0,417

suma 6 1,000

Evaluación del peso específico del criterio de ergonomía.

Criterio Solución A Solución B Solución C Σ+1 PonderaciónSolución A 1 1 3 0,500 Solución B 0 0 1 0,167 Solución C 0 1 2 0,333

suma 6 1,000

23

Evaluación del peso específico del criterio de precio.

Criterio Solución A Solución B Solución C Σ+1 PonderaciónSolución A 0 0,5 1,5 0,250 Solución B 1 1 3 0,500 Solución C 0,5 0 1,5 0,250

suma 6 1,000

Tabla de conclusiones:

Conclusión seguridad ergonomía precio Σ prioridadSolución A 0,1667 0,1250 0,0625 0,3542 1Solución B 0,1250 0,0417 0,1250 0,2917 2Solución C 0,2083 0,0833 0,0625 0,3542 3

Según los resultados del cuadro de ponderación se establece que la opción A y C

son las mejores alternativas que se adaptan a las necesidades del diseño.

Por lo tanto se puede escoger cualquiera de las dos soluciones y se ha escogido la

opción C.

Nota: Cabe recalcar que la necesidad de una persona para el manejo y cuidado del

carrusel y de los usuarios siempre va ser inevitable.

2.5.2. MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL

2.5.2.1. ALTERNATIVA A.

Descripción:

Para la generación de movimiento se tienen los distintos elementos: motor eléctrico

para generar movimiento y accionar el mecanismo, para la adquisición de una

velocidad requerida se tiene un reductor por tornillo sin fin corona. Se obtendrá un

movimiento horizontal de la plataforma mediante engranajes cónicos que convierten

el movimiento rotatorio vertical a uno horizontal, finalmente con la transmisión de

engranajes corona-cónico transformarán el movimiento rotatorio horizontal a uno

vertical el cual será transmitido a los cigüeñales y posteriormente a un movimiento

vertical de tiradores y butacas.

24


Nota: se puede utilizar un motorreductor de tornillo sin fin corona para obtener la velocidad

de giro requerida.

Ventajas:

- En comparación a las demás alternativas éste tendrá un nivel de ruido más

bajo.

- Se transmitirá grandes potencias debido a la utilización de engranajes.

- Larga vida útil de todos los elementos del módulo.

25

- No se necesita un nivel de mantenimiento exigente debido a que la mayoría de

los elementos únicamente necesitarán buena lubricación.

Desventajas:

- El peso será considerable debido a los materiales utilizados para la

construcción de los elementos.

- Tiene un costo adquisición y elaboración notable debido a que son elementos

complejos en comparación a las demás alternativas.

2.5.2.2. ALTERNATIVA B.

Descripción:

Para la generación de movimiento se tienen los distintos elementos: motor eléctrico

para generar movimiento y accionar el mecanismo, para la adquisición de una

velocidad requerida y transmisión de movimiento se tienen poleas y bandas.

Mediante la utilización de una llanta que por rozamiento con la base de la plataforma

se originará el movimiento rotatorio de la plataforma, posteriormente se obtendrá un

movimiento vertical de butacas con una geometría ondulatoria producida sobre la

plataforma.

26


Ventajas:

- Bajo nivel de ruido ya que su transmisión de movimiento y reducción de

velocidad se da únicamente por bandas y poleas.

- Montaje relativamente sencillo.

Desventajas:

- Vida útil corta ya que se generará un rozamiento para crear el movimiento

rotatorio de la plataforma por medio de la llanta.

- No permite transmitir potencia a bajas velocidades, la llanta solo proporciona

movimiento a la plataforma y no se tendrá una velocidad constante debido al

rozamiento.

- Se necesita un mantenimiento continuo debido a que los componentes están

sometidos a alta fricción y sufrirán un desgaste acelerado.

2.5.2.3. ALTERNATIVA 3

Descripción:

Esta alternativa posee los distintos elementos: motor eléctrico para generar

movimiento y accionar el mecanismo, para la adquisición de una velocidad requerida

y transmisión de movimiento se tiene cadena y catalina. Se obtendrá un movimiento

horizontal de la plataforma mediante la utilización de engranajes cónicos que

cambiarán el movimiento rotatorio vertical a uno horizontal, por último se obtendrá

27

un movimiento vertical de butacas con la incorporación de levas y seguidores en la

base de la plataforma.

Figura 2.5.5. Alternativa 3. (Módulo 2)

Ventajas:

- Larga vida útil si se tiene un adecuado mantenimiento.

- Se puede transmitir grandes potencias debido a su transmisión de movimiento

por cadena-catalina.

Desventajas:

- Alto nivel de ruido ya que la transmisión de movimiento se realiza por cadena-

catalina.

- Peso considerable debido a que existirá una cantidad de levas que se

necesitarán para realizar el movimiento oscilatorio vertical.

- Complicado diseño y fabricación de las levas debido a su geometría.

- Complejidad en el montaje debido a la utilización de levas y elevada cantidad

de piezas y componentes.


De igual forma se utilizará el criterio de los residuos ponderados.

28

Criterios:

Estabilidad .- Tratar de que los componentes le brinden estabilidad al carrusel y que

no se originen desgaste por vibraciones.

Mantenimiento.- Es evidente que se requiere de un adecuado mantenimiento

además de que este sea fácil de realizarse y a un plazo apropiado.

Construcción y montaje.- Se considera la disponibilidad de los procesos de

fabricación y la facilidad para realizar el montaje de todos los elementos del equipo.

Precio.- Que brinde un punto óptimo en la relación costo beneficio tratar en lo

posible de adquirir elementos de un costo conveniente.

Peso.- Tratar en lo posible de que los componentes no sean una incomodidad para

el fácil movimiento del carrusel y no se tenga problemas de desgaste y daño.

Tamaño.- Se toma en cuenta el tamaño ya que el diseño de un carrusel muy grande

no estaría acorde con los requerimientos del cliente y se elevarían los costos, peso,

etc.

Calidad.- Lograr obtener un carrusel de buenas condiciones, además tenga larga

vida útil sin que se tenga que realizar algún desmontaje por falla o desgaste.

Seguridad.- Brindar una adecuada seguridad a los usuarios y que éstos se sientan

conformes. De esta forma se conseguirá el objetivo de proporcionar diversión y

alegría para los beneficiarios.

Ruido.- Es necesario obtener un mecanismo que no produzca tanto ruido o tratar en

lo posible de eliminarlo por lo tanto también es un criterio importante ya que todas

las personas que están alrededor del carrusel tendrán incomodidad si existiera un

ruido extremadamente fuerte.

Solución A Cigüeñal

Solución B Forma ondulatoria fija inferior + Llanta horizontal

Solución C Leva disposición inferior

32

2.5.3. MÓDULO 3. ESTRUCTURA.

2.5.3.1. Alternativa A. Estructura 1.


Ventajas:

- No necesita mucho mantenimiento.

- El costo es más bajo en comparación a la alternativa2

- Brinda más seguridad y proporciona un mejor apoyo para los elementos

localizados en la parte superior.

Desventajas:

- Menor estabilidad que la alternativa 2.

33

2.5.3.2. Alternativa B. Estructura 2.


Ventajas:

- Provee buena estabilidad al carrusel y a sus componentes.

Desventajas:

- Elevado costo.

- Necesita mayor mantenimiento debido a que utiliza elementos que van a estar

en continuo rozamiento como rodamientos.


Solución A

Estructura 1

Solución B Estructura 2

Criterios:

Precio.- Que brinde un punto óptimo en la relación costo beneficio.

34

Mantenimiento.- Se debe tener un mantenimiento fácil y sencillo de realizarse.

Estabilidad .- No se debe permitir que el carrusel se mueva u oscile de un lado hacia

el otro durante el movimiento del mismo.

Evaluación del peso específico de cada criterio:

Criterio mantenimiento Estabilidad precio Σ+1 Ponderación

mantenimiento 1 1 3 0,429

Estabilidad 1 0,5 2,5 0,357

precio 0 0,5 1,5 0,214

suma 7 1,000

Evaluación del peso específico del criterio de mantenimiento:

Criterio Solución A Solución B Σ+1 Ponderación

Solución A 0,5 1,5 0,600

Solución B 0 1 0,400

suma 2,5 1,000

Evaluación del peso específico del criterio de estabilidad:


Solución A 0 1 0,400


suma 3 1,200

Evaluación del peso específico del criterio de precio:


Solución A 1 2 0,800


suma 3 1,200

Tabla de resultados.

Conclusión Mantenimiento Estabilidad Precio Σ Prioridad

Solución A 0,2571 0,1429 0,1714 0,5714 1

Solución B 0,1714 0,2857 0,0857 0,5429 2

35

Según los resultados del cuadro de ponderación se establece que la opción A es la

mejor alternativa que se adapta a las necesidades del diseño.

2.5.4. MODULO 4. FRENO

2.5.4.1. Desconectar el motor.

Descripción:

En el momento de desconectar el motor el carrusel conseguirá detenerse debido al

peso de todo el mecanismo y a sus elementos en rozamiento por lo tanto éste se

detendrá a la segunda o tercera vuelta.

Solución final.

Módulo 1. Alternativa C

Módulo 2 Alternativa A

Módulo 3 Alternativa A

Módulo 4 Única solución.

Figura 2.5.9. Solución final.

36



37

CAPÍTULO 3. CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DEL

CARRUSEL

3.1. Cálculo de las dimensiones del cigüeñal:

-Diagrama de cuerpo libre.

Figura 1. Diagrama de cuerpo libre

Condiciones de funcionamiento:

El cigüeñal estará montado sobre la estructura superior el cual proporcionará el

movimiento vertical de las butacas. Este estará soportado por dos rodamientos

radiales. En las secciones de menor longitud están localizados los tiradores.

Para determinar el diámetro de cada sección se utilizó el método de la energía de

distorsión con las siguientes fórmulas:

Cálculo de los esfuerzos.

Las fórmulas utilizadas para los cálculos de los cigüeñales fueron obtenidas del

Manual de diseño de Shigley (cuarta edición)

Donde:

σ = Esfuerzo normal (Pa)

M= Momento máximo (Pa)

38

I= Momento de inercia (m4)

d= Diámetro del cigüeñal

Donde:

τ = esfuerzo cortante (Pa)

T = torque (N.m)

J = Momento polar de inercia (m4)

r = radio (m)

Cálculo de los esfuerzos principales de la sección

Donde:

σ1,3 = Esfuerzos normales principales (Pa)

Determinación de la resistencia de la sección críti ca.

Acero SAE 1018 según la tabla A-17 del Manual de Shigley se tiene.

Relacionar esfuerzos principales con la resistencia para determinar el

diámetro.

Para el cálculo del diámetro se realiza para un diseño estático debido a que el

carrusel va a girar a bajas velocidades. Por lo tanto se utiliza la teoría de la energía

de la distorsión.

39

Figura 2. Teoría de la energía de la distorsión

Donde:

SA = Esfuerzo de la teoría de distorsión (Pa)

Sy = Resistencia máxima a la fluencia (Pa)

σ1 = Esfuerzo principal 1 (Pa)

σ3 = Esfuerzo principal 3 (Pa)

Donde:

n = Factor de seguridad

40

Se sabe que los esfuerzos principales estarán en función del diámetro, por lo tanto

despejando encontramos el parámetro requerido y reemplazando ésta en la fórmula

del factor de seguridad encontramos el n real.

3.1.1. Solución y referencia.

Para el cálculo del diámetro del cigüeñal hemos dividido al mismo en secciones.

3.1.1.1. Sección 1.

Diagrama de cuerpo libre:

Figura 3. Diagrama de cuerpo libre de la sección 1

Diagrama de Fuerzas

Figura 4. Diagrama de fuerzas de la sección 1

Diagrama de Momentos

Figura 5. Diagrama de momentos de la sección 1

41

Cálculo del momento máximo

Figura 6. Cálculo del momento máximo mediante AUTOCAD MECHANICAL

42

3.1.1.2. Sección 2.

Diagrama de cuerpo libre.


Diagrama de fuerzas


Diagrama de momentos


43

Cálculo del momento máximo.


3.1.1.3. Sección 3.


44


Diagrama de fuerzas





45


3.1.1.4. Sección 4.


46


Diagrama de fuerzas





47


Luego de realizar los cálculos para cada sección se obtuvo los siguientes resultados.

Sección 1 2 3 4

MMAX(N.m) 36,75 134,75 67,38 77,48

48

T(N.m) 0 49 49 49

σX(Pa.m3) 374,33/d3 1372,55/d3 686,33/d3 789,2/d3

τXY(Pa.m3) 0 249,55/d3 249,55/d3 249,55/d3

σ1(Pa.m3) 374,33/d3 1416,52/d3 767,47/d3 861,5/d3

σ3(Pa.m3) 0 -43,97/d3 -81,15/d3 -72,3,/d3

SA(Pa) 208,1 210,63

n 2 2 2 2

Diámetro (mm) 15,04 25 19,5 20,14

nreal 1,96 2,38 2,01 1,95

Tabla 1. Resultados

3.2. Cálculo de las dimensiones del eje principal:

-Diagrama de cuerpo libre.


Diagrama de fuerzas

Figura 20. Diagrama de fuerzas del eje principal


49

Figura 21. Diagrama de momentos del eje principal

Cálculo del momento máximo



El eje principal estará soportado por dos rodamientos de rodillos cónicos montados

en la estructura base, el eje transmitirá el movimiento y la potencia generado por el

motor a través de los engranajes cónicos situados en la parte superior e inferior del

eje. Además éste soportará el peso de la estructura superior y plataforma mediante

cables de tensión.

3.2.1. Solución y referencia.

Para el cálculo de los diámetros del eje central hemos dividido al mismo en

secciones.

Para determinar el diámetro de cada sección se utilizó el método de la energía de

distorsión con las fórmulas antes mencionadas añadiendo la ecuación siguiente.

50

Donde:

σ = Esfuerzo normal de compresión

F = peso del carrusel + usuarios

A = Área transversal del eje principal

Debido a que se tiene un esfuerzo de compresión el cálculo del diámetro es un poco

complicado por lo que se supone un diámetro, y se calcula el factor de seguridad, si

este está en el rango aceptable se admite el diámetro de lo contrario se procede a

un proceso de iteración. Hasta encontrar el adecuado.

3.2.1.1. Sección A-B

En la sección A-B existe el torque generado por los engranajes cónicos localizados

en el cigüeñal y que son y que es transmitido a todo el eje, la fuerza de compresión

generado por el peso de la plataforma y los usuarios y por último el momento

generado en el punto B.


Figura 23. Diagrama de cuerpo libre de la sección A-B

Diagrama de fuerzas

51

Figura 24. Diagrama de fuerzas de la sección A-B


Figura 25. Diagrama de momentos de la sección A-B

52

3.2.1.2. Sección B-C



Diagrama de fuerzas

Figura 27. Diagrama de fuerzas de la sección B-C


53

Figura 28. Diagrama de momentos de la sección B-C

3.2.1.3. Sección C-D


54


Diagrama de fuerzas

Figura 30. Diagrama de fuerzas de la sección C-D


Figura 31. Diagrama de momentos de la sección C-D

55

3.2.1.4. Sección D-E



Diagrama de fuerzas

56

Figura 33. Diagrama de fuerzas de la sección D-E


Figura 34. Diagrama de momentos de la sección D-E

57

Luego de realizar los cálculos para cada sección se obtuvo los siguientes resultados.

Secci ón AB BC CD DE

MMAX(N.m) 58,41 352 2940 2940

T(N.m) 464,88 464,88 464,88 464,88

σX(Pa.) 4,76*106 16,6*106 48,76*106 84,25*106

σY(Pa.) 5,98*106 -4,16*106 -2,062*106 -3,055*106

τXY(Pa.) 18,94*106 10,96*106 3,855*106 6,902*106

σ1(Pa.) 18,34*106 18,82*106 47,06*106 84,81*106

σ3(Pa.) -19,56*106 -6,383*106 -3,162*105 -5,621*105

SA(Pa) 219,26 219,3

n 2 2 2 2

Diámetro (mm) 50 60 85 70

nreal 6,7 10 5 3

Tabla 2. Resultados

3.3. Cálculo de la potencia del motor.

Para el cálculo de la potencia del motor se utilizamos las siguientes fórmulas.

Potencia total= potencia requerida por los cigüeñales + potencia para vencer la

inercia del carrusel.

Para la potencia requerida de los cigüeñales utilizamos el momento generado en el

engranaje cónico superior multiplicado por 6 (número de cigüeñales) y este a su vez

multiplicado por la velocidad angular del carrusel.

Datos:

58

Donde:

P1 = Potencia requerida de los cigüeñales

M = momento generado en el engranaje cónico superior (N.m)

ω = velocidad angular(rad/s)

Para el cálculo de la potencia para vencer la inercia se supone un tiempo (15

segundos) para llegar a una velocidad constante y el carrusel parte del reposo, con

lo cual encontramos la aceleración angular (0,042 rad/s2) y éste multiplicado por la

inercia del carrusel (4800 Kg*m2) nos da el torque (201,6 N*m). El torque

multiplicado por la velocidad angular nos da la potencia requerida.

Donde:

t = tiempo (s)

θ = Angulo girado (Rad)

ω = velocidad angular (rad / s)

α = Aceleración angular (rad/ s2)

,

Donde:

I = momento de inercia (Kg.m2)

T = torque (N.m)

59

Se necesita un motor con una potencia de 1,5 HP

3.4. Cálculos de engranajes cónicos

El primer cálculo a realizarse será para los engranajes cónicos localizados en la

parte inferior del eje principal. Dichos engranajes tienen la función de convertir el

movimiento rotatorio vertical a un movimiento rotatorio horizontal y transmitir la

potencia del motor hacia el eje principal.

Para el cálculo se va a seleccionar un módulo métrico estándar y el número de

dientes, con estos datos se calcularán los diámetros requeridos del engranaje y las

fuerzas actuantes.

Los engranajes cónicos son de igual número de dientes ya que no es necesario

realizar una relación de transmisión porque la salida en el eje del motor es 6 rpm, el

cual es el deseado para nuestro diseño.

Datos:

M = 6

60

Número de dientes = 30

Acero carburizado y endurecido

SAC =1720N/mm2; ST = 275 N/mm2

Diagrama de cuerpo libre y fuerzas en engranajes có nicos


Donde:

d1 = diámetro primitivo (mm)

de = diámetro exterior (mm)

di = diámetro interior (mm)

a = addendum (mm)

61

b = deddendum (mm)

M = módulo (mm)

Z = número de dientes

Distancia entre centros:

Donde Pb = paso diametral

Altura de la cabeza :

Altura de la raíz

Cálculo de la generatriz del cono

Ancho del diente

Holgura

Cálculo del ángulo γ.

62

Cálculo de la velocidad en la línea de paso en el diámetro d1 (m/s)

Donde:

v = velocidad en la línea de paso en el diámetro (m/s)


n1 = número de revoluciones (rpm/min)

Cálculo de la carga tangencial a transmitir.

Donde:

WT = carga tangencial (KN)

P = potencia (HP)


n = número de revoluciones (rpm/min)

Fuerza radial.

Donde:

Wr = carga transmitida radialmente (N)

Wa = carga transmitida axialmente (N)

Cálculo de esfuerzo de flexión.

63

Donde:

σ = esfuerzo de flexión (N/mm2)

b = ancho de cara del engranaje o piñón. (mm)

KA = factor de sobrecarga.

Kv= factor dinámico.

YX =factor de tamaño por flexión.

KHB = factor de distribución de carga

Yβ = factor de curvatura en el sentido longitudinal de resistencia a la flexión.

YJ= factor de geometría de resistencia a la flexión.

m = módulo

Cálculo de los factores.

Factor de sobrecarga: carga uniforme-uniforme. Tabla 15.2 del manual de diseño de

Shigley (octava edición).

KA=1

Factor de seguridad. Sf y SH = 1

Factor dinámico.

Kv: de la ecuación

64

Factor de tamaño por flexión.

Cálculo de distribución de carga.

Factor de curvatura en el sentido longitudinal de resistencia a la flexión.

Engranes cónicos rectos:

Factor de geometría de resistencia a la picadura. I

De la figura 15.6 del manual de diseño de Shigley (octava edición) se obtuvo:


65

Cálculo del esfuerzo de contacto.

Donde:

σc = esfuerzo de contacto (N/mm2)

ZE = coeficiente elástico

b = ancho de cara del engranaje o piñón. (mm)

ZI = factor geométrico de resistencia a la picadura

KA = factor de sobrecarga.

Kv= factor dinámico.

Km = factor de distribución de carga

ZX= factor de tamaño de resistencia a la picadura.

Zxc = factor de coronamiento de resistencia a la picadura.

d = diámetro (mm)

cuando 12,7 < F < 114,3 pulg.

66

Cálculo del esfuerzo de contacto permisible.

Donde:

σperm = esfuerzo de contacto permisible (N/mm2)

σHlim = número de esfuerzo de contacto permisible (N/mm2)

zNT = factor de ciclos de esfuerzo de resistencia a la picadura.

ZW = factor de relación de la dureza de resistencia a picadura.

ZZ = factor de confiabilidad por picadura.

Kθ = factor de temperatura

SH = factor de seguridad por contacto.

Cálculo de la resistencia a la flexión permisible.

67

Donde:

σperm = esfuerzo de flexión permisible (N/mm2)

SAT = número de esfuerzo de flexión permisible.

SF = factor de seguridad por flexión.

ZW = factor de relación de la dureza de resistencia a picadura.

ZZ = factor de confiabilidad por picadura.

Kθ = factor de temperatura

YZ = factor de confiabilidad de resistencia a la flexión

YNT = factor de ciclos de esfuerzo de resistencia a la flexión

Cálculo de los factores de seguridad

Factor de seguridad por desgaste.

Factor de seguridad a la flexión.

68

Al comparar los dos factores es mayor que .

TABLA DE RESULTADOS

ENGRANAJE 1 Y 2

d1 (mm) 180

de (mm) 192

di (mm) 165

b (mm)

v (m/s)

WT (N)

σ de flexión (N/mm2)

σ de contacto (N/mm2)

σ de flexión permisible(N/mm2)

σ de contacto permisible(N/mm2)

nw factor de seguridad por desgaste 2,25

nw factor de seguridad a la flexión 1,09

Los factores de seguridad son aceptables.

3.4.1. Cálculo de los engranajes cónicos para mover los cigüeñales.

Los engranajes localizados en la parte superior tienen la función de transmitir la

potencia a los cigüeñales y también de realizar la inversión de movimiento rotacional

horizontal a un movimiento rotatorio vertical para poder obtener un movimiento

oscilatorio vertical de las butacas.

Datos:

Engranaje 1

M = 6


69

Acero ANSI 4140 grado 2. Se utiliza el acero Böhler V320 que es equivalente al

acero antes mencionado.

SAC =1000N/mm2

SAT =150 N/mm2

Engranaje 2

M = 6


SAC =1000N/mm2

SAT =150 N/mm2

Relación de transmisión 1:3

Se escogió una relación de 1 a 4 por lo tanto la corona acoplada al eje girará a 6 rpm

y los engranajes cónicos lo harán a 18 rpm, por lo tanto las butacas oscilarán

verticalmente 18 veces por minuto.

Diagrama de cuerpo libre y fuerzas en engranajes có nicos

70


3.4.1.1. Engranaje 1.

Cálculo de los diámetros.

Altura de la cabeza:

Altura de la raíz:

3.4.1.2. Engranaje 2.

Cálculo de los diámetros.

Altura de la cabeza:

Altura de la raíz:

71

Distancia entre centros:

Cálculo de la generatriz del cono:

Ancho del diente del engranaje y piñón:

Holgura:

Cálculo del ángulo γ y δ.

Cálculos de esfuerzos y factores de seguridad

3.4.1.3. ENGRANAJE 1

Cálculo de la velocidad

72


Fuerza radial.

Cálculo de esfuerzos.




KA=1


Factor dinámico.

Kv: de la ecuación

73








74


cuando 12,7 < F < 114,3 pulg.


75





Los factores de seguridad son aceptables.

Conclusiones.

Los factores obtenidos están dentro de un rango aceptable por lo tanto el módulo y

el número de dientes es el adecuado.

3.4.1.4. ENGRANAJE 2

Cálculo de la velocidad

76


Fuerza radial.

Cálculo de esfuerzos.




KA=1


Factor dinámico.

Kv: de la ecuación

77









78

cuando 12,7 < F < 114,3 pulg.


79





TABLA DE RESULTADOS

ENGRANAJE 1 ENGRANAJE 2

d1 (mm) 360 90

de (mm) 372 102

di (mm) 345 75

b (mm)

v (m/s)

WT (N)

σ de flexión (N/mm2)

σ de contacto (N/mm2)

σ de flexión permisible(N/mm2) 275

80

σ de contacto permisible(N/mm2) 2270,4

nw factor de seguridad por desgaste 5 ,14

nw factor de seguridad a la flexión 1,25

Conclusiones:

Como en el caso anterior se impusieron los módulos y el número de dientes de los

engranajes según catálogo Kegelraeder. Mediante los cálculos pertinentes se

obtuvieron factores de seguridad aceptables. Por lo tanto los diámetros calculados y

el módulo son los adecuados.

3.5. Rodamientos

3.5.1. Rodamientos en el eje


Este va a soportar la carga axial debido al peso del carrusel y de los usuarios y

también una carga radial debido a la reacción del eje que esta sometido a flexión por

lo que hemos decidido usar rodamiento de rodillos cónicos.


Rodamiento Rodamiento

81

Figura 38. Diagrama de fuerzas

3.5.1.1. Solución y referencia.

Para la selección del rodamiento hemos escogido la marca FAG ya que tiene una

amplia gama de rodamientos y es fácil de encontrar en el mercado.

Usamos el catalogo 41 250 SA de donde usamos las siguientes formulas

FaYFrP oo += 5.0 (Kgf) Para oYFr

Fa

2

1>

FrPo = (Kgf) Para oYFr

Fa

2

1≤

Donde:

Po = Carga estática equivalente

Fr = Carga radial

Fa = Carga axial

Yo = Factor axial

oo PFsC .= (Kgf)

oo CseguroC .η= (Kgf)

Donde:

Fs = Factor de esfuerzos estáticos

η = Factor de seguridad

82

Luego de hacer los cálculos respectivos buscamos en el catalogo el rodamiento que

soporte la carga critica.

A continuación los resultados obtenidos:

Rodamiento d (mm) Fa(Kgf) Fr(Kgf) Po(Kgf) fs η Co (Kgf) Co*(Kgf) Denominación

1 50 1199,19 149,9 1034,3 2 4 8274,4 9000 FAG 303 10 A

2 70 - 149,9 149,9 2 4 1199,2 8800 FAG 320 14 X

Tabla 3. Resultados

3.5.2. Rodamientos en los cigüeñales


Estos rodamientos solo van a soportar la carga radial debido al peso del cigüeñal,

además de las respectivas butacas y de los usuarios por lo que hemos decidido

usar rodamiento rígido de bolas. Como son 6 cigüeñales el número de

rodamientos serán 12


Rodamiento 1. Diagrama de cuerpo libre

Rodamiento Rodamiento

83


Figura 41. Diagrama de fuerzas del rodamiento 1


F


Figura 43. Diagrama de fuerzas rodamiento 2

84




Usamos el catalogo 41 250 SA de donde usamos las siguientes formulas para

carga estática equivalente.

FaFrPo 5.06.0 += (Kgf) Para 8.0>Fr

Fa

FrPo = (Kgf) Para 8.0≤Fr

Fa

Donde:


Fr = Carga radial

Fa = Carga axial

oo PFsC .= (Kgf)


Donde:



Luego de hacer los cálculos respectivos buscamos en el catalogo el rodamiento

que soporte la carga critica.



85

1 25 - 188,85 188,85 2 2 755,4 1160 FAG 63 05

2 25 - 103,09 103,09 2 2 412,36 500 FAG 60 05

Tabla 4. Resultados

3.5.3. Rodamientos en los tiradores


Estos rodamientos solo van a soportar la carga radial debido al peso de las

respectivas butacas y de los usuarios por lo que hemos decidido usar rodamiento

rígido de bolas.

Como son 12 tiradores el número de rodamientos serán 12, 6 del rodamiento 1 y 6

del rodamiento 2



Rodamiento

Rodamiento

86






87




Usamos el catalogo 41 250 SA de donde usamos las siguientes formulas para

carga estática equivalente.

FaFrPo 5.06.0 += (Kgf) Para 8.0>Fr

Fa

FrPo = (Kgf) Para 8.0≤Fr

Fa

Donde:


Fr = Carga radial

Fa = Carga axial

oo PFsC .= (Kgf)


Donde:



Luego de hacer los cálculos respectivos buscamos en el catalogo el rodamiento

que soporte la carga critica.



88

1 25 - 103,09 103,09 2 2 412,36 500 FAG 60 05

2 25 - 49,97 49,97 2 2 199,88 500 FAG 60 05

Tabla 5. Resultados

89

CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE COSTOS DEL CARRUSEL

INFANTIL

4.1. Introducción

Una vez que se ha realizado el diseño del carrusel es necesario realizar un

análisis económico de para tener una referencia del costo total del equipo.

En la tabla 4.1 se tiene las dimensiones de algunos materiales necesarios en la

construcción del carrusel.

Denominación Dimensiones (mm)

Estructura inferior Perfil cuadrado 50x2x29000

Eje principal Φ8,5x7720

Base de plataforma Perfil cuadrado 50x2x19380

Plataforma Diámetro 4000

Apoyo para subir a la butaca Placa de 15x120x300

Guía de tubo para apoyo Placa de 25x155x300

Base de butaca 310X1000X20

Butaca Longitud de 900

Tubo decorativo Φ40x2000

Eje con gancho Φ240x2251

Tubo guía de butaca Φ40x2167

Tirador Φ200x2208

Estructura superior Perfil cuadrado 50x2x22110

Corona Módulo 6, 45 dientes

Engranajes cónicos Módulo 6, 15 dientes

Base de eje con gancho Placa de 15x600x600

Perno de tubo decorativo 1/4"X1"

Soporte de tubo decorador Tubo redondo Φ422X1,5x40

y soporte de butaca Tubo redondo Φ422X1,5x170

Cubierta Φ4000, altura 1000

Cigüeñales: Φ250x95001584

Apoyo de chumacera Placa de 15x90x90

Soporte de corona Placa de 50x500x500

Tensor alamre de 1/2"x6000

Placa circular de tensores Φ70x44

Placa transversal de

cigüeñales Placa de 30x120x180

Soporte rodamiento Φ126X74

Tabla 4.1 Dimensiones de los materiales

92

La tabla 4.4 nos muestra el tiempo de producción de los elementos del carrusel, y con

esto se tiene el costo del tiempo de cada máquina por hora

La tabla 4.5 nos muestra el total de costo por la producción de los elementos del carrusel.

La tabla 4.6 nos muestra los costos adicionales por la construcción del carrusel.

Máquina

herramienta Costo herram./h Tiempo total

operación Costo total

Fresadora 9 6,4 57,6

Torno 7 8,7 60,9

Taladro 5 4,8 24

Dobladora 20 3 60

Soldadura 5 16,13 80,65

Amoladora 1,5 6,9 9,45

Oxicorte 10 5,9 59

Corte 1,5 6,05 9,075

Pintura 5 8,5 42,5

Total 66,38 403,175

Tabla 4.5 Costo total de producción

Otros rubros

Imprevistos (1%) 1134,82

Montaje 300

Transporte 50

Utilidad (3%) 3404,48

Total 4889,30

Tabla 4.5 Costo total de producción

El costo total es la suma de todos los costos parciales que se detallaron anteriormente.

Costo de

material

Costo de

producción

Otros

rubros

Total

11348,25 403,2 4889,3 16640,7

Tabla 4.6 Costo total del carrusel

93

CAPÍTULO 5. PROTOCOLO DE ENSAYOS

5.1. Protocolo de ensayos para un carrusel infantil.

Este protocolo tiene por objeto definir el ensayo de un carrusel que va ser

implementado en un centro educativo a fin de proveer una máquina de distracción

segura y fiable.

5.2. Objetivo

Se desea comprobar que el carrusel realice las funciones correspondientes a su

vida útil sin fallar en condiciones análogas a las de utilización. Las pruebas deben

garantizar la funcionalidad y fiabilidad del equipo.

5.3. Diseño del ensayo

Las pruebas necesarias para el carrusel son:

- Pruebas para comprobar la resistencia del eje principal, estructura,

elementos del carrusel, la velocidad de rotación del carrusel y velocidad de

oscilación de las butacas establecidas en las especificaciones

- Pruebas para comprobar la potencia del motor.

5.3.1. Prueba para comprobar la resistencia de los elementos, la velocidad

rotacional del carrusel y oscilatoria de las butacas.

Esta prueba tiene como finalidad comprobar la resistencia de los elementos del

carrusel, comprobar su correcta estabilidad especialmente de la plataforma,

observar que no existan vibraciones que pueden dañar los elementos,

especialmente aquellos que deben transmitir la potencia del motor como los

engranajes. Otra finalidad de esta prueba es comprobar la velocidad rotacional del

carrusel y la oscilación de las butacas, comprobar que se consigue una velocidad

constante. Para esta prueba se va a considerar diferentes casos.

Caso 1. Carrusel con butacas completamente ocupadas .

La prueba se realizará cuando el carrusel esté en reposo y en movimiento. En

reposo el tiempo será de 30 minutos y en movimiento el tiempo necesario será de

1 hora.

94

Prueba en reposo

1. En primer lugar las butacas serán ocupadas con pesos simulados semejantes a

los de los usuarios. Dicho peso se conseguirá con un saco lleno de arena.

2. Después de haberse colocado el peso necesario se procede a observar

durante 30 minutos si se produce alguna deformación debido a los esfuerzos

producidos en el eje principal, estructura base y estructura superior. De no

ocurrir alguna deformación los materiales utilizados para los diferentes

elementos y los cálculos respectivos serán correctos.

Prueba en movimiento. (Carrusel en funcionamiento)

En este caso se observará la resistencia de los elementos, también se medirá las

velocidades del carrusel y el desplazamiento de las butacas.

La velocidad que se debe comprobar es de 6 revoluciones por minuto y la

velocidad de desplazamiento oscilatorio de las butacas es de 18 rpm.

1. Con el peso necesario se procede a poner en funcionamiento el carrusel.

2. Minutos después de haberse puesto en funcionamiento se procede a medir la

velocidad de rotación del carrusel con un medidor de revoluciones.

Comprobada la velocidad de rotación se procede a comprobar la velocidad

oscilatoria de las butacas en revoluciones por minuto.

3. Posteriormente se comprobará que se obtiene una velocidad constante y un

movimiento uniforme midiendo las velocidades en diferentes tiempos cada 5

minutos con un cronómetro.

4. El carrusel funcionará durante 1 hora en este tiempo se observará si existen

deformaciones en los elementos ya mencionados, se verifica también la

estabilidad de la plataforma y de todo el carrusel.

Caso 2. Carrusel con la mitad de butacas ocupadas ( un solo lado).

Se realiza el mismo procedimiento anterior pero con el peso localizado

únicamente en un lado del carrusel.

Para la prueba en reposo y en movimiento se observará que no existan grandes

deformaciones en el eje principal y en los elementos que están sometidos a

esfuerzos como la estructura base y la superior.

95

De igual forma se medirá la velocidad de rotación del carrusel con un medidor de

revoluciones y la velocidad oscilatoria de las butacas en revoluciones por minuto,

mediante un cronómetro, también se comprobará que se obtenga una velocidad

constante con un movimiento uniforme midiendo las velocidades en diferentes

tiempos. El tiempo de medición será cada 5 minutos.

5.3.2. Pruebas para comprobar la potencia del motor.

Esta prueba tiene como finalidad demostrar y comprobar que la potencia obtenida

mediante cálculos sea la correcta y que no existan atascamientos debido a una

mala elección del motor.

1. El primer paso es colocar los pesos necesarios en las butacas tal y como se

procedió en la prueba anterior.

2. El segundo paso será encender el motor y apagarlo después de haber

conseguido una velocidad constante de la plataforma, si en este lapso de corto

tiempo no ocurre atascamientos debido a la inercia del carrusel podemos

comprobar que la potencia del motor es la correcta.

96

CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1. CONCLUSIONES:

- El diseño de un carrusel infantil fue de gran utilidad para optimizar los

conocimientos teóricos y prácticos ya adquiridos en el transcurso de nuestro

estudio.

- El carrusel está conformada por elementos sencillos de fácil construcción y

materiales de gran disponibilidad en el mercado local, de esta manera en un

futuro se puede realizar la construcción del mismo, además su diseño puede

ser mejorado cada vez en los cursos posteriores.

- En nuestro medio existe un escaso conocimiento acerca de este diseño es por

eso que también es otra causa muy importante para seguir implementándolo en

cursos posteriores, incluso podría servir como un tema de tesis ya que se hizo

algunas investigaciones y no existen temas referentes a este tipo de diseño.

- No se contó con el tiempo suficiente para realizar los respectivos cálculos de

todos los elementos principales de carrusel y tampoco se alcanzó a realizar un

estudio acerca de la conexión eléctrica por lo que es un diseño bastante

extenso y complejo.

- Al analizar el costo total del carrusel podemos concluir que se aproxima mucho

al costo de otros fabricados en el exterior, con lo cual se puede decir que el

carrusel diseñado puede lidiar en el mercado con la de más competencia.

- En el transcurso del curso hemos corregido y cambiado algunas partes y

soluciones al diseño inicial, por lo que se puede decir que el diseño del

carrusel puede ser cambiado y mejorado por cursos posteriores.

- El uso del diseño concurrente fue una herramienta muy importante que facilito

nuestro diseño y nos dio una visión mas clara de la funcionalidad y

especificaciones del carrusel.

97

6.2. Recomendaciones

- Siempre es necesario en cada diseño realizar un protocolo de ensayos ya que

nos ayuda a verificar que la máquina funcionará correctamente cuando esté

realizando el trabajo para en cual fue construida.

- Se recomienda un estudio más profundo acerca de este diseño por las causas

que se explicaron anteriormente, además existen varios centros comerciales y

educativos que podrían optar por la adquisición de un carrusel infantil.

- Siempre los elementos (rodamientos, engranajes) que trabajan a fricción

deben ser correctamente lubricados para disminuir el desgaste y deterioro de

debido al rozamiento que se produce en las superficies de dichos elementos.

- En los costos existen varios elementos de elevado costo y que son numerosos

los cuales podrían cambiarse para reducir los costos, como son las

chumaceras, las cuales se podría cambiar por bocines.

- Es importante tener en cuenta los materiales y elementos que se usaran para

la fabricación de cualquier maquina, ya que en ciertos casos es mejor (tiempo y

dinero) adquirir el o los elementos, que diseñarlos y fabricarlos.

98

CAPÍTULO 7.

BIBLIOGRAFÍA

1. Conservancy, G. (27 de Octubre de 2010). Carousel Feasibility Study.

Recuperado el 17 de Marzo de 2011, de

http://rosekennedygreenway.files.wordpress.com/2010/10/10-27-10-

community-meeting_final.pdf

Diseno de Un Carrusel Infantil

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