Prof. Roger Medina

DISEÑO DE UNA CAJA DE VELOCIDADES MEDIANTE EL USO DISEÑO DE UNA CAJA DE VELOCIDADES MEDIANTE EL USO DE POLEAS Y CORREAS ACCIONADA POR UN MOTORDE POLEAS Y CORREAS ACCIONADA POR UN MOTOR

DE CORRIENTE ALTERNADE CORRIENTE ALTERNA

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CONTENIDOCONTENIDO

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAPLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

OBJETIVOSOBJETIVOS

MARCO METODOLÓGICOMARCO METODOLÓGICO

JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIAJUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

CONCLUSIONES CONCLUSIONES

RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES

PLANOSPLANOS

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PATIO CENTRAL

DPTO. ACADÉMICO

LABORATORIOS (*)

FACHADA

ESPECIALIDADES

ELECTRICIDAD (*)

GEOLOGÍA Y MINAS (*)

MECÁNICA (*)

SISTEMAS INDUSTRIALES

INTRODUCCIONINTRODUCCION

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DECRETO 1.186

26-01-01

SELECCIÓNINTERNA

T.S.UMECÁNICA

RESPUESTAPROBLEMÁTICA

IUTEBNOV. 2001

SUB. ADMINISTRATIVA SUB. ACADÉMICA

ESPECIALIDAD DE MECÁNICA

FORMACIÓN ACADÉMICATALLERESLABORATORIOS

APOYO OTRAS UNIV.SOFTWARECONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPOS MECÁNICOS

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAPLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

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DISEÑAR UNA CAJA DE VELOCIDADES MEDIANTE EL USO DE POLEAS Y CORREAS ACCIONADA POR UN MOTOR

ELÉCTRICO DE CORRIENTE ALTERNA

OBJETIVO GENERALOBJETIVO GENERAL

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Determinar las dimensiones generales de la estructura de la caja de velocidades para alojar los diferentes elementos mecánicos.Calcular el diámetro mínimo de los ejes requeridos en la caja de velocidades.Calcular y seleccionar los rodamientos de chumaceras que servirán de apoyo a los ejes de la caja de velocidades.Seleccionar poleas y correas de diferentes dimensiones para acoplarlas a los ejes de la caja de velocidades.Seleccionar correas de diferentes dimensiones para instalarlas en las poleas de la caja de velocidades.Establecer catetos mínimos de soldadura y tipo de electrodo a utilizar para unir los diferentes perfiles de la estructura de la caja de velocidades.Seleccionar tornillería para la sujeción de los elementos mecánicos con la estructura de la caja de velocidades.Seleccionar un motor comercial de corriente alterna que se adapte a la caja de velocidades.Realizar planos de conjunto y de detalles de la caja de velocidades.

OBJETIVOS ESPECÍFICOSOBJETIVOS ESPECÍFICOS

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Este proyecto surge por la necesidad de contar con un equipo (prototipo) que le permita al Docente que imparte las cátedras de Resistencia de los Materiales y Elementos de Maquinas, aplicar una mejor didáctica.

Complementar los conocimientos impartidos en dichas cátedras, ofreciendo mejores condiciones para lograr óptimos resultados en el proceso de enseñanza y aprendizaje.

Llevar a cabo proyectos que permitan al Departamento de Mecánica poner en práctica políticas que coadyuven con la formación integral de los futuros profesionales del área de la mecánica industrial.

JUSTIFICACIÓNJUSTIFICACIÓN

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Permitió determinar todas las variables de entrada (potencia del motor, velocidad de

rotación del eje, diámetro inicial del eje, diámetro inicial de poleas, longitud inicial de

las correas, dimensiones preliminares de los rodamientos, tipo de perfiles para la

estructura).

Se obtuvo información de las variables de salida (potencia entregada, material y

diámetro definitivo del eje, material de ejes, poleas y sus dimensiones finales,

designación de los rodamientos de chumaceras, tipo de electrodos, tornillería y peso del

conjunto), así como también los respectivos planos, lo que permitirá concretar el

proyecto de construcción.

Esta investigación constituye una referencia bibliográfica para los Estudiantes del

Instituto Universitario de Tecnología del Estado Bolívar.

IMPORTANCIAIMPORTANCIA

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Investigación Documental

Investigación Descriptiva

Investigación de campo

Básica, Activa y Aplicada

Funcionamiento y descripción

Tipos de Investigación

Observaciones Directas

Entrevistas Informales a los

vendedores

Libros

Archivos, revistas, catálogos y manuales

MARCO METODOLÓGICOMARCO METODOLÓGICO

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Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos

Revisión Bibliográfica y Documental

Entrevistas Informales

Observación Directa

Instrumentos: Metro, Vernier, Papel y Lápiz, Computadora.

MARCO METODOLÓGICOMARCO METODOLÓGICO

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Determinación de las dimensiones generales de la estructura de la caja de velocidades

para alojar los diferentes elementos mecánicos. Se utilizo como referencia el tamaño del

eje.

Se proponen las siguientes dimensiones: 80 cm en forma longitudinal, 31 cm de alto y 45

cm de profundidad.

Determinación de las dimensiones generales de la estructura de la caja de velocidades

para alojar los diferentes elementos mecánicos. Se utilizo como referencia el tamaño del

eje.

Se proponen las siguientes dimensiones: 80 cm en forma longitudinal, 31 cm de alto y 45

cm de profundidad.

Selección del motor comercial de corriente alterna que se adapte a la caja de

velocidades.

Se optó por seleccionar un motor con las siguientes características: Potencia: ¼ HP, n:

1.725 rpm y voltaje: 110

Selección del motor comercial de corriente alterna que se adapte a la caja de

velocidades.

Se optó por seleccionar un motor con las siguientes características: Potencia: ¼ HP, n:

1.725 rpm y voltaje: 110

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

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Calculo de los diámetros mínimos de los ejes requeridos en la caja de velocidades.

Para llevar a cabo este procedimiento, se elije un eje que utilizan los motores de las

unidades acondicionadoras de aire (ventana o Split), cuyo diámetro

es de media pulgada (1/2 pulg).

Calculo de los diámetros mínimos de los ejes requeridos en la caja de velocidades.

Para llevar a cabo este procedimiento, se elije un eje que utilizan los motores de las

unidades acondicionadoras de aire (ventana o Split), cuyo diámetro

es de media pulgada (1/2 pulg).

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Cálculo del torque que se transmite del eje principal (1) al eje (2) y eje (3) mediante

la combinación de poleas y correa.

Se emplearon valores estandarizados de poleas acanaladas de aluminio de dos pulgadas

(2″), tres pulgadas (3″) y cuatro pulgadas (4), y que se pueden adquirir

en establecimientos comerciales.

Cálculo del torque que se transmite del eje principal (1) al eje (2) y eje (3) mediante

la combinación de poleas y correa.

Se emplearon valores estandarizados de poleas acanaladas de aluminio de dos pulgadas

(2″), tres pulgadas (3″) y cuatro pulgadas (4), y que se pueden adquirir

en establecimientos comerciales.

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ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Cálculo y selección de rodamientos de chumaceras que servirán de apoyo a los ejes

de la caja de velocidades.

Tomando en consideración las fuerzas de flexión que actúan sobre el eje, así como también

el diámetro especificado y la velocidad de giro, de los tres (3) ejes en estudio, se eligió el

eje dos (2) para efectuar todas las operaciones de selección del rodamiento de chumacera;

debido a que está sometido a las condiciones mas desfavorables.

Cálculo y selección de rodamientos de chumaceras que servirán de apoyo a los ejes

de la caja de velocidades.

Tomando en consideración las fuerzas de flexión que actúan sobre el eje, así como también

el diámetro especificado y la velocidad de giro, de los tres (3) ejes en estudio, se eligió el

eje dos (2) para efectuar todas las operaciones de selección del rodamiento de chumacera;

debido a que está sometido a las condiciones mas desfavorables.

Establecer catetos mínimos de soldadura y tipo de electro a utilizar para unir los

diferentes perfiles de la estructura de la caja de velocidades.

La estructura está conformada por ángulos de 3 cm x 3 cm x 3/16 pulgadas que se unen

mediante soldadura de arco.

Establecer catetos mínimos de soldadura y tipo de electro a utilizar para unir los

diferentes perfiles de la estructura de la caja de velocidades.

La estructura está conformada por ángulos de 3 cm x 3 cm x 3/16 pulgadas que se unen

mediante soldadura de arco.

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Selección de la tornillería para la sujeción de los elementos mecánicos con la

estructura de la caja de velocidades.

Al seleccionar el soporte de pie para rodamientos Y, serie TF, este posee orificios que

permiten trabajar con una dimensiones iníciales, de allí que se aprovechó para iniciar la

comprobación de resistencia al corte.

Selección de la tornillería para la sujeción de los elementos mecánicos con la

estructura de la caja de velocidades.

Al seleccionar el soporte de pie para rodamientos Y, serie TF, este posee orificios que

permiten trabajar con una dimensiones iníciales, de allí que se aprovechó para iniciar la

comprobación de resistencia al corte.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Selección correas de diferentes dimensiones para instalarlas en las poleas de la caja

de velocidades.

Se eligieron correas trapezoidales debido al tipo de polea seleccionada, ya que entre la

polea y correa debe haber un buen agarre para transmitir mejor la potencia y evitar

deslizamiento.

Selección correas de diferentes dimensiones para instalarlas en las poleas de la caja

de velocidades.

Se eligieron correas trapezoidales debido al tipo de polea seleccionada, ya que entre la

polea y correa debe haber un buen agarre para transmitir mejor la potencia y evitar

deslizamiento.

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ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Presentación de planos de conjunto y de detalles de la caja de velocidades.

Estos se realizaron una vez obtenidas las diferentes medidas de los distintos elementos mecánicos calculados, seleccionados y estandarizados.

El programa Autocad fue de mucha utilidad para lograr ensamblar y ultimar detalles de los diferentes elementos mecánicos, esto también permitió resolver inconvenientes de algunas medidas que no son posibles obtener mediante cálculo y/o estimación.

Presentación de planos de conjunto y de detalles de la caja de velocidades.

Estos se realizaron una vez obtenidas las diferentes medidas de los distintos elementos mecánicos calculados, seleccionados y estandarizados.

El programa Autocad fue de mucha utilidad para lograr ensamblar y ultimar detalles de los diferentes elementos mecánicos, esto también permitió resolver inconvenientes de algunas medidas que no son posibles obtener mediante cálculo y/o estimación.

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CONCLUSIONESCONCLUSIONES

El dimensionamiento de la estructura de la caja de velocidades fue posible, una vez definidos los elementos mecánicos constitutivos, en particular ejes y poleas, resultando las dimensiones finales de ochenta centímetros (80) de largo, cuarenta y cinco centímetros (45) de profundidad y treinta y un centímetros de alto.

El motor que se propone, es el que generalmente suelen utilizar las lavadoras “chacachaca”, el cual pose una potencia de ½ Hp, gira al 1.725 rpm y trabaja con 110 voltios, proporcionando un torque de 18,26 lb*pulgadas.

Se decidió utilizar un eje que usan los motores de las unidades acondicionadoras de aire (ventana o Split), cuyo diámetro es de media pulgada (1/2 pulg), los cálculos permitieron demostrar que el esfuerzo cortante en dicho eje, es menor al esfuerzo cortante de diseño, al seleccionar un material AISI 1020.

El dimensionamiento de la estructura de la caja de velocidades fue posible, una vez definidos los elementos mecánicos constitutivos, en particular ejes y poleas, resultando las dimensiones finales de ochenta centímetros (80) de largo, cuarenta y cinco centímetros (45) de profundidad y treinta y un centímetros de alto.

El motor que se propone, es el que generalmente suelen utilizar las lavadoras “chacachaca”, el cual pose una potencia de ½ Hp, gira al 1.725 rpm y trabaja con 110 voltios, proporcionando un torque de 18,26 lb*pulgadas.

Se decidió utilizar un eje que usan los motores de las unidades acondicionadoras de aire (ventana o Split), cuyo diámetro es de media pulgada (1/2 pulg), los cálculos permitieron demostrar que el esfuerzo cortante en dicho eje, es menor al esfuerzo cortante de diseño, al seleccionar un material AISI 1020.

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CONCLUSIONESCONCLUSIONES

Al realizar las diferentes combinaciones del eje principal con los ejes secundario y terciario, se obtienen valores de torques que varían desde 18,26 lb*pulg a 36,52 lb*pulg y 7,3 a 18,26 lb*pulg respectivamente. Igualmente se logran variar las rpm, entre el eje 1 y 2 va desde 862,5 a 1725 rpm, así como también entre el eje 1 y 3 se tiene que varía desde 1725 a 3450 rpm. 

En base a la carga aplicada 14 lb (62,3 N), velocidad de giro del eje 1.725 rpm duración de diseño 20.000 h, se procedió a determinar la capacidad de carga, la cual resultó 178,42 lb (793,63 N), lo que permitió elegir el rodamiento 6201, según el catálogo de la SKF; ya que este cumple con las condiciones mínimas de diseño, su capacidad de carga es superior a la determinada. Se utilizará el soporte de pie para rodamientos Y, serie TF.

El valor del esfuerzo determinado, permitió compararlo con los tabulados, siendo este menor al valor admisible (9600 lb/pulg o 18 ksi), para utilizar un electrodo E60, en el proceso de unión de todos los ángulos que conforman la caja de velocidades.

Al realizar las diferentes combinaciones del eje principal con los ejes secundario y terciario, se obtienen valores de torques que varían desde 18,26 lb*pulg a 36,52 lb*pulg y 7,3 a 18,26 lb*pulg respectivamente. Igualmente se logran variar las rpm, entre el eje 1 y 2 va desde 862,5 a 1725 rpm, así como también entre el eje 1 y 3 se tiene que varía desde 1725 a 3450 rpm. 

En base a la carga aplicada 14 lb (62,3 N), velocidad de giro del eje 1.725 rpm duración de diseño 20.000 h, se procedió a determinar la capacidad de carga, la cual resultó 178,42 lb (793,63 N), lo que permitió elegir el rodamiento 6201, según el catálogo de la SKF; ya que este cumple con las condiciones mínimas de diseño, su capacidad de carga es superior a la determinada. Se utilizará el soporte de pie para rodamientos Y, serie TF.

El valor del esfuerzo determinado, permitió compararlo con los tabulados, siendo este menor al valor admisible (9600 lb/pulg o 18 ksi), para utilizar un electrodo E60, en el proceso de unión de todos los ángulos que conforman la caja de velocidades.

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CONCLUSIONESCONCLUSIONES

El diámetro mínimo calculado para los tornillos, fue de 0,032 pulgadas, se decide utilizar tornillos de ½ pulgada de diámetro y 2 pulgada de largo, ya que este resistirá cualquier esfuerzo cortante que se produzca, además que permite un buen ajuste con los orificios del soporte de pie para rodamientos propuesto anteriormente.

El tipo de correa o banda a utilizar, será en forma V, la longitud determinada resultó 104,09 cm o 41 pulgadas, se pueden elegir tamaños estandarizados, según los fabricantes serian 37,5, 40 y 42,5 pulgadas respectivamente.

Determinadas todas las variables antes especificadas, y obtenidas las dimensiones y características de los diferentes elementos mecánicos, se procedió a ultimar detalles de los planos, los cuales comprenden un dibujo de conjunto y otro de despiece para dejar sentadas las bases de la etapa de construcción.

El diámetro mínimo calculado para los tornillos, fue de 0,032 pulgadas, se decide utilizar tornillos de ½ pulgada de diámetro y 2 pulgada de largo, ya que este resistirá cualquier esfuerzo cortante que se produzca, además que permite un buen ajuste con los orificios del soporte de pie para rodamientos propuesto anteriormente.

El tipo de correa o banda a utilizar, será en forma V, la longitud determinada resultó 104,09 cm o 41 pulgadas, se pueden elegir tamaños estandarizados, según los fabricantes serian 37,5, 40 y 42,5 pulgadas respectivamente.

Determinadas todas las variables antes especificadas, y obtenidas las dimensiones y características de los diferentes elementos mecánicos, se procedió a ultimar detalles de los planos, los cuales comprenden un dibujo de conjunto y otro de despiece para dejar sentadas las bases de la etapa de construcción.

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RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES

Informar a las diferentes instancias de la institución sobre el estudio que se llevó a cabo, ya que este persigue complementar las actividades de enseñanza y aprendizaje en el área de diseño de la especialidad de mecánica.

Una vez creadas las condiciones necesarias al instalar los laboratorios de la especialidad de mecánica, el diseño puede ejecutarse para consolidar el procedimiento de ensamblaje y lograr adquirir la técnica en la construcción de prototipos de diferentes cajas de velocidades.

A raíz del presente proyecto, es necesario adquirir instrumentos de medición de velocidad, instrumento de medición de esfuerzo torsional, materiales de construcción (perfiles), y elementos mecánicos (poleas, correas, acoples, rodamientos, entre otros), ya que son esenciales para materializar el mismo.

En aras de aprovechar el talento de muchos alumnos que poseen conocimientos previos en algunos oficios, se hace necesario incorporarlos a partir del tercer semestre a un proyecto, a fin de formarlos como futuros investigadores, y así propiciar comités de saberes estudiantiles.

Informar a las diferentes instancias de la institución sobre el estudio que se llevó a cabo, ya que este persigue complementar las actividades de enseñanza y aprendizaje en el área de diseño de la especialidad de mecánica.

Una vez creadas las condiciones necesarias al instalar los laboratorios de la especialidad de mecánica, el diseño puede ejecutarse para consolidar el procedimiento de ensamblaje y lograr adquirir la técnica en la construcción de prototipos de diferentes cajas de velocidades.

A raíz del presente proyecto, es necesario adquirir instrumentos de medición de velocidad, instrumento de medición de esfuerzo torsional, materiales de construcción (perfiles), y elementos mecánicos (poleas, correas, acoples, rodamientos, entre otros), ya que son esenciales para materializar el mismo.

En aras de aprovechar el talento de muchos alumnos que poseen conocimientos previos en algunos oficios, se hace necesario incorporarlos a partir del tercer semestre a un proyecto, a fin de formarlos como futuros investigadores, y así propiciar comités de saberes estudiantiles.

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TORQUE DEL MOTOR 

DondeP :1/2 HPn :1.725 rpm

lg.26,18 pulbT motoreje

n

PT 000.63

DIMENSIONES GENERALES

MEMORIA DE CÁLCULOSMEMORIA DE CÁLCULOS

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ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

ESPECIFICACIÓN DEL MATERIAL

Teoría de Coulomb

Donde

Se verifica que se cumpla que

JTc /max

32/4DJ

NS yd /5.0

d max

Ksi74,0max

k

dd LPC/1610/

SELECCIÓN DE RODAMIENTOS

Donde •Carga radial aplicada = 14 lb (62,3 N).•Velocidad de giro del eje = 1.725 rpm.•Duración de diseño = 20.000 h.

C = 793,63 N

CALCULO DE SOLDADURA

Dondeesfuerzo cortante= זF = fuerza capaz de producir corteL = longitud del cateto de soldadurat= tamaño de la garganta

tLF */

lg16/3*707,0lg*36,2

14

*707,0* pupu

lb

wL

F

2lg75,44

pu

lb

Electrodo E60

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ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

as

RA

1

CALCULO DE TORNILLERÍA

Donde

AS= área sometida a corteR1 = fuerza que produce corte a= esfuerzo cortanteז admisible

2423

lg10*8lg/10*5.17

14pu

pulb

lbAs

1416,3

lg10*8*44 24 puAD s

D = 0,032 pulg

Estandarizado Ø ½” x 2”

D = 0,032 pulg

Estandarizado Ø ½” x 2”

ASTM A325

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ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

SELECCIÓN DE CORREA

DondeL = longitud de pasoC = distancia entre centrosD1 y D2 = diámetros de

las poleas

C

DDDDCL

4)(57,12

212

12

cm

cmL40*4

08,516,10)08,516,10(57,140*2

2

cmL 09,104adaspuL lg41

o bien o bien

ESPECIFICACIÓN DE POLEAS