Diseno de Un Carrusel Infantil

DISEÑO DE UN CARRUSEL PARA ENTRETENIMIENTO INFANTIL

i

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 ii

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

iii

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. 1

El diseño será realizado para un carrusel fijo ya que éste no se movilizará hacia otros lugares dentro de la institución.

1.4. 1.4.1.

BASE TEÓRICA 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 Figura 1-1: Un tiovivo en un festival veraniego en Londres, con sus animales tradicionales, luces y decoración.

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

2

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 entretenimiento 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/2010/10/10-27-10community-meeting_final.pdf

3

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

1.4.3. 1.4.3.1.

MÁQUINAS SIMILARES Y PROVEEDORES 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. Figura 1-4: • Incluye 12 figuras 8 con movimiento y 4 fijas, comercializado con cinturones de seguridad en cada figura. en México. • Control para operar.

3

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

4

Carrusel

de

lujo,

por el El Carruselito,

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.

4

Figura

1-5:

Carrusel

tipo

italiano,

comercializado por El Carruselito, en México.

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

5

1.4.3.2.

Proveedor en Argentina. “Supernovafun”5

Figura 1-6: Productos comercializados por Supernovafun, en Argentina. Ofrecen una variedad de productos para personalizar un carrusel.

5

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

6

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.

7

8

muy positiva

COMPROMISOS

positiva negativa muy negativa

1

2

3

4

VOZ DEL USUARIO

Tipo de demanda

Necesidades y Deseos del Cliente

Movimiento rotatorio estable

9

9

3

1

9

9

9

1

3

9

9

9

3

Desplazamiento vertical de la butaca

Mantenimiento

3

3

9

9

3

3

1

1

Nivel de ruido

Seguridad

3 3

9

Ergonomía

Estética

9

3

1

9

3

3 9

E

F

G

Objetivos

Indice de Mejora

Factor de Venta

Importancia

H

I

Competencia 1 Competencia 2

Ponderació Ponderació n n en %

1

5

4

5

5.0

1.00

5

25.00

9.70

1

5

5

5

5.0

1.50

5

37.50

14.56

1

4

4

5

5.0

1.20

4

24.00

9.32

4

4

4

4.0

1.00

3

12.00

4.66

3

4

3

3.0

1.50

5

22.50

8.73

1

1

5

5

4

4.0

1.00

4

16.00

6.21

1

4

5

3

3.0

1.20

4

14.40

5.59

3

3

3

3

1

9

1

3

1

5

4

4

4.0

1.50

5

30.00

11.65

1

1

9

1

5

5

3

3.0

1.50

5

22.50

8.73

1

1

9

3

1

4

5

4

4.0

1.20

4

19.20

7.45

3

9

3

3

1

3

3

3

3.0

1.50

5

22.50

8.73

3

1

1

1

3

3

3

3.0

1.00

4

Mantenimiento

Nivel de ruido

Seguridad

Ergonomía

Estética

9

9

3

3

1

9

1

Propia Empresa

1

3

9

9

Dimensiones

Peso

PROPIA EMPRESA

1

1

1

1

1

1

1

1

COMPETENCIA 1 COMPETENCIA 2 INCIDENCIA INCIDENCIA EN %

5 5 1085 14.3

4 4 1057 13.9

4 4 1025 13.5

4 4 799 10.5

3 3 874 11.5

4 5 476 6.3

5 4 1270 16.7

4 3 529 7.0

5 5 493 6.5

EVALUACIÓN TÉCNICA

D

1

adornos con diseños infantiles

9

C

9

3 9

B

1

9 3

Butacas con monturas cómodas

E O E B O O O B E E O O

Peso

Pista de material antideslizante y freno de emergencia

11 12

12 butacas Movimientos giratorio de plataforma y de vaivén de las butacas Dimensión de plataforma base máximo ф4m Estable Facilidad de mantenimiento Fácil operación Funcionamiento silencioso Brinde seguridad para usuarios Atractivo a la vista del usuario Butacas cómodas Bajo costo Fácil instalación

Dimensiones

70 dB

9 10

A

EVALUACIÓN DEL USUARIO

Diseño sencillo elementos estandarizados disponibles en el mercado

7 8

9

Amplitud de oscilación de butaca: 40 cm

6

8

Apoyos distribuidos en la base de la plataforma

5

7

800 kg

4

6

máximo ф 4 m x 4 m

2 3

VALORES DE REFERENCIA

1

5

VOZ DEL INGENIERO

Movimiento Desplazamiento rotatorio estable vertical de la butaca

3

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA 7608 100

Figura 2-1: Casa de la calidad aplicada a la definición de las características del carrusel para entretenimiento infantil.

9

12.00

4.66

257.60

100.00

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 para entretenimiento infantil.

Empresa de ingeniería: FIM-EPN Integrantes: Fabián Iza, Daniel Terán Concepto

Propone

R/D

Descripción

18/03/11

C

R

18/03/11

C

R

Proporcionar un medio de diversión consistente en una plataforma rotatoria con butacas para los pasajeros Generar un movimiento rotatorio de velocidad constante y vertical oscilatorio

Dimensiones

21/03/11 21/03/11 21/03/11 21/03/11

C C C C

R R R R

Área disponible: 25 m Dimensiones máximas: Ø4 m x 4 m de altura Capacidad: 12 butacas Peso de pasajeros: entre 20 y 35 kg

Movimientos

22/03/11 22/03/11

C+I C+I I

R R R

Movimiento rotatorio Movimiento vertical oscilatorio de las butacas Velocidad de rotación de la plataforma: 6 rpm

22/03/11 22/03/11

I I

R R

Amplitud de oscilación de butaca: 200 mm 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 22/03/11

I I

R R

Seguridad y ergonomía

22/03/11 22/03/11 22/03/11

C+I C+I C+I

R R R

Función

Fecha

Producto: Fecha inicial: 23/03/11 Última Revisión: 24/03/11 Carrusel para entretenimiento infantil

Propone: C=Cliente, I= Ingeniería

2

En operación: 10 años; fiabilidad: 95% Mantenimiento preventivo: cada 4 meses Piso con material antideslizante Sistema de freno de emergencia Butacas con montura ergonómica

R/D: R=Requerimientos, D= Deseo.

10

2.3.

ANÁLISIS FUNCIONAL Y ESTRUCTURA MODULAR

11

2.4.

MÓDULOS Y ALTERNATIVAS

2.4.1.

MÓDULO 1. INGRESO POSICIONAMIENTO Y SALIDA DE USUARIO

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.

12

2.4.2. 2.4.2.1.

MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL 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: 13

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:

14

MÓDULO 1. ENTRADA, POSICIONAMIENTO Y SALIDA DE USUARIO Solución 2

Ingresar y retirar usuario

Solución 1

Plataforma baja

Posicionar y bajar usuario de butaca

Colocar escalones

Persona encargada de posicionar y bajar usuario

Asegurar usuario en butaca

Apoyo fijado a la base de la butaca

Cinturón de seguridad

Alternativa A.

Alternativa B. 15

Alternativa C

MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL Solución 2

Solución 3

Reductor por cadena-catalina

Reductor por poleas y bandas

Accionar mecanismo y producir movimiento

Solución 1

Producir velocidad requerida

Motor eléctrico

Generar movimiento oscilatorio vertical de butacas

Generar movimiento rotatorio de la plataforma

Reductor por tornillo sin fin corona

Transmisión por engranajes cónicos

Transmisión por llanta

Geometría ondulatoria Engranajes cónico-corona 16 Levas y seguidores en y cigüeñal en la parte de la plataforma la parte inferior superior

Alternativa A.

Alternativa B.

Alternativa C.

MÓDULO 3. ESTRUCTURA Solución 2

Soportar eje principal y plataforma

Solución 1

Soporte circular inferior

Sostener plataforma

Soporte inferior

Base de plataforma

17

Estructura superior

Columna

Carpa

Adorno superior.

Alternativa A. Alternativa B. 18

2.5.1.

MÓDULO 1. ENTRADA, POSICIONAMIENTO Y SALIDA DEL USUARIO

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:

19

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.

20

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.

21

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

seguridad 0 0

ergonomía 1

precio 1 0,5

Σ+1 Ponderación 3 0,500 1,5 0,250 1,5 0,250 6 1,000

0,5 suma

Evaluación del peso específico del criterio de seguridad

Criterio Solución A Solución B Solución C 0,5 0,5 Solución A 0,5 0 Solución B 0,5 1 Solución C suma

Σ+1 2 1,5 2,5 6

Ponderación 0,333 0,250 0,417 1,000

Σ+1 3 1 2 6

Ponderación 0,500 0,167 0,333 1,000

Evaluación del peso específico del criterio de ergonomía. Criterio Solución A Solución B Solución C 1 1 Solución A 0 0 Solución B 0 1 Solución C suma

22

Evaluación del peso específico del criterio de precio. Criterio Solución A Solución B Solución C 0 0,5 Solución A 1 1 Solución B 0,5 0 Solución C suma

Σ+1 1,5 3 1,5 6

Ponderación 0,250 0,500 0,250 1,000

Tabla de conclusiones: Conclusión Solución A Solución B Solución C

seguridad 0,1667 0,1250 0,2083

ergonomía 0,1250 0,0417 0,0833

precio 0,0625 0,1250 0,0625

Σ 0,3542 0,2917 0,3542

prioridad 1 2 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. 2.5.2.1.

MÓDULO 2. MOVIMIENTOS DEL CARRUSEL 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.

23

Figura 2.5.4. Alternativa A. (Módulo 2) 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.

24

- 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.

25


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 26

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 cadenacatalina. - 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. Selección de la alternativa. De igual forma se utilizará el criterio de los residuos ponderados. 27

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

28

29

30

31

2.5.3.

MÓDULO 3. ESTRUCTURA.

2.5.3.1.

Alternativa A. Estructura 1.

Figura 2.5.6. Alternativa A. (Módulo 3)

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.

32

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. Selección de la alternativa. Solución A

Estructura 1

Solución B

Estructura 2

Criterios: Precio.- Que brinde un punto óptimo en la relación costo beneficio. 33

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 mantenimiento 1 Estabilidad 1 precio 0 0,5

Σ+1 3 2,5 1,5 7

precio 1 0,5 suma

Ponderación 0,429 0,357 0,214 1,000

Evaluación del peso específico del criterio de mantenimiento: Criterio Solución A Solución B

Solución A

Σ+1 1,5 1 2,5

Solución B 0,5

0 suma

Ponderación 0,600 0,400 1,000

Evaluación del peso específico del criterio de estabilidad: Criterio Solución A Solución B

Solución A

Solución B 0

1 suma

Σ+1 1 2 3

Ponderación 0,400 0,800 1,200

Σ+1 2 1 3

Ponderación 0,800 0,400 1,200

Evaluación del peso específico del criterio de precio: Criterio Solución A Solución B

Solución A

Solución B 1

0 suma

Tabla de resultados. Conclusión Solución A Solución B

Mantenimiento 0,2571 0,1714

Estabilidad 0,1429 0,2857

34

Precio 0,1714 0,0857

Σ 0,5714 0,5429

Prioridad 1 2

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. 2.5.4.1.

MODULO 4. FRENO 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.

35



36

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) 37

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 crítica. 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.

38

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

39

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 40

Cálculo del momento máximo

Figura 6. Cálculo del momento máximo mediante AUTOCAD MECHANICAL

41

3.1.1.2.

Sección 2.

Diagrama de cuerpo libre.

Figura 7. Diagrama de cuerpo libre de la sección 2

Diagrama de fuerzas

Figura 8. Diagrama de fuerzas de la sección 2

Diagrama de momentos

Figura 9. Diagrama de momentos de la sección 2

42

Cálculo del momento máximo.


3.1.1.3.

Sección 3.

Diagrama de cuerpo libre. 43

Figura 11. Diagrama de cuerpo libre de la sección 3

Diagrama de fuerzas

Figura 12. Diagrama de fuerzas de la sección 3 Diagrama de momentos



44


3.1.1.4.

Sección 4.

Diagrama de cuerpo libre. 45

Figura 15. Diagrama de cuerpo libre de la sección 4 Diagrama de fuerzas

Figura 16. Diagrama de fuerzas de la sección 4




46


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

47

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.

Figura 19. Diagrama de cuerpo libre Diagrama de fuerzas

Figura 20. Diagrama de fuerzas del eje principal


48

Figura 21. Diagrama de momentos del eje principal Cálculo del momento máximo

Figura 22. Cálculo del momento máximo mediante AUTOCAD MECHANICAL Condiciones de funcionamiento: 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.


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.

49

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. Diagrama de cuerpo libre.

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

Diagrama de fuerzas

50

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


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

51

3.2.1.2.

Sección B-C


Figura 26. Diagrama de cuerpo libre

Diagrama de fuerzas

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

Diagrama de momentos 52

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

3.2.1.3.

Sección C-D


53


Diagrama de fuerzas

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


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

54

3.2.1.4.

Sección D-E

Diagrama de cuerpo libre.

Figura 32. Diagrama de cuerpo libre Diagrama de fuerzas

55

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


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

56

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

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: 57

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) 58

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 59

Número de dientes = 30 Acero carburizado y endurecido SAC =1720N/mm2; ST = 275 N/mm2 Diagrama de cuerpo libre y fuerzas en engranajes cónicos


Donde: d1 = diámetro primitivo (mm) de = diámetro exterior (mm) di = diámetro interior (mm) a = addendum (mm) 60

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.

61

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) d1 = diámetro primitivo (mm) n1 = número de revoluciones (rpm/min) Cálculo de la carga tangencial a transmitir.

Donde: W T = carga tangencial (KN) P = potencia (HP) d1 = diámetro primitivo (mm) n = número de revoluciones (rpm/min) Fuerza radial.

Donde: W r = carga transmitida radialmente (N) W a = carga transmitida axialmente (N) Cálculo de esfuerzo de flexión. 62

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

63

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:

De la figura 15.7 del manual de diseño de Shigley (octava edición) se obtuvo:

64

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.

65

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. 66

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.

67

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 Número de dientes = 45 68

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 Número de dientes = 15 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 cónicos

69

Figura 36. Diagrama de cuerpo libre 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: 70

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

71

Cálculo de la carga tangencial a transmitir.

Fuerza radial.

Cálculo de esfuerzos.

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

72






73


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


74

Cálculo de la resistencia a la flexión permisible.



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 75

Cálculo de la carga tangencial a transmitir.

Fuerza radial.

Cálculo de esfuerzos.

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

76







77

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


78

Cálculo de la resistencia a la flexión permisible.



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

79

σ de contacto permisible(N/mm2)

2270,4

nw factor de seguridad por desgaste

5

nw factor de seguridad a la flexión

1,25

,14

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

Condiciones de funcionamiento: 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


80

Figura 38. Diagrama de fuerzas 3.5.1.1.


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

Po = 0.5Fr + Yo Fa (Kgf)

Para

Po = Fr (Kgf)

Para

Donde: Po = Carga estática equivalente Fr = Carga radial Fa = Carga axial Yo = Factor axial

Co = Fs.Po (Kgf) Coseguro=η.Co (Kgf) Donde: Fs = Factor de esfuerzos estáticos

η = Factor de seguridad 81

Fa 1 > Fr 2Yo Fa 1 ≤ Fr 2Yo

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

Condiciones de funcionamiento: 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

Rodamiento

Figura 39. Diagrama de cuerpo libre Rodamiento 1. Diagrama de cuerpo libre

82


Figura 41. Diagrama de fuerzas del rodamiento 1 Rodamiento 2. Diagrama de cuerpo libre

F Figura 42. Diagrama de cuerpo libre

Figura 43. Diagrama de fuerzas rodamiento 2

83

3.5.2.1.


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 para carga estática equivalente.

Po = 0.6Fr + 0.5Fa (Kgf)

Para

Po = Fr (Kgf)

Para

Fa > 0.8 Fr Fa ≤ 0.8 Fr

Donde: Po = Carga estática equivalente Fr = Carga radial Fa = Carga axial


η = Factor de seguridad 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

84

η

Co (Kgf)

Co*(Kgf) Denominación

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

Condiciones de funcionamiento: 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 Figura 44. Diagrama de cuerpo libre Rodamiento 1. Diagrama de cuerpo libre

85


Figura 46. Diagrama de fuerzas

Rodamiento 2. Diagrama de cuerpo libre


Figura 48. Diagrama de fuerzas 86

3.5.3.1.


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 para carga estática equivalente.

Po = 0.6Fr + 0.5Fa (Kgf)

Para

Po = Fr (Kgf)

Para

Fa > 0.8 Fr Fa ≤ 0.8 Fr

Donde: Po = Carga estática equivalente Fr = Carga radial Fa = Carga axial


η = Factor de seguridad 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

87

η

Co (Kgf) Co*(Kgf) Denominación

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

88

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

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90

91

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 Tiempo total herramienta Costo herram./h 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

Costo de

Otros

material

producción

rubros

11348,25

403,2

4889,3 16640,7

Tabla 4.6 Costo total del carrusel

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Total

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. 93

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. 94

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.

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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.

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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.

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CAPÍTULO 7.

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

el

17

de

Marzo

de

2011,

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

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de

Diseno de Un Carrusel Infantil

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