Mecatrónica 6º Semestre A
Diseño de Elementos Mecánicos
Unidad 4: Selección de Elementos
lejandro Campos Estrada Bryan Sánchez Andrade José Manuel Zamora Zamora Martínez Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Uruapan 31/05/2013
Contenido 4.1 Poleas y bandas .......... 2 Poleas .......................... ............................ 2 Poleas simples .............. 2 Transmisión por bandas 4 Bandas: ......................... ......................... 6 Materiales de elaboración
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Montaje ........................ ........................ 6 Bandas Planas ............... ............... 7 Bandas en v................... v................... 8 Bandas redondas .......... 9 Banda dentada dual...... 9 Bandas eslabonadas ... 10 Bandas dentadas ........ 10 Bandas nervadas o poli v10 4.2 Selección de Catarinas y cadenas.
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4.3 Selección de cojinetes y rodamientos. 18 I.- Según la dirección de la carga que mejor soportan. II.- Según la rigidez del rodamiento.
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III.- Según el elemento elemento rodante. 21 4.4 Aplicación de Software en la selección de elementos
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Contenido 4.1 Poleas y bandas .......... 2 Poleas .......................... ............................ 2 Poleas simples .............. 2 Transmisión por bandas 4 Bandas: ......................... ......................... 6 Materiales de elaboración
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Montaje ........................ ........................ 6 Bandas Planas ............... ............... 7 Bandas en v................... v................... 8 Bandas redondas .......... 9 Banda dentada dual...... 9 Bandas eslabonadas ... 10 Bandas dentadas ........ 10 Bandas nervadas o poli v10 4.2 Selección de Catarinas y cadenas.
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4.3 Selección de cojinetes y rodamientos. 18 I.- Según la dirección de la carga que mejor soportan. II.- Según la rigidez del rodamiento.
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III.- Según el elemento elemento rodante. 21 4.4 Aplicación de Software en la selección de elementos
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4.1 Poleas y bandas
Poleas
Una polea, también llamada garrucha, carrucha, trocla, trócola o carrillo, es una máquina simple que sirve para transmitir una fuerza. Se trata de una rueda, generalmente maciza y acanalada en su borde, que, con el curso de una cuerda o cable que se hace pasar por el canal ("garganta"), se usa como elemento de transmisión para cambiar la dirección del movimiento en máquinas y mecanismos. Además, formando conjuntos —aparejos o polipastos— sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso. Dispositivo mecánico de tracción o elevación, formado por una rueda (también denominada roldana) montada en un eje, con una cuerda que rodea la circunferencia de la rueda. Tanto la polea como la rueda y el eje pueden considerarse máquinas simples que constituyen casos especiales de la palanca. Una polea fija no proporciona ninguna ventaja mecánica, es decir, ninguna ganancia en la transmisión de la fuerza: sólo cambia la dirección o el sentido de la fuerza aplicada a través de la cuerda. Sin embargo, con un sistema de poleas móviles (también llamado polipasto) sí es posible obtener una ventaja o ganancia mecánica, que matemáticamente se define como el cociente entre la fuerza de salida (carga) y la fuerza de entrada (esfuerzo). En el caso ideal la ganancia mecánica es igual al número de segmentos de cuerda que sostienen la carga que se quiere mover, excluido el segmento sobre el que se aplica la fuerza de entrada (véase la animación adjunta). El rozamiento reduce la ganancia mecánica real, y suele limitar a cuatro el número total de poleas. Según definición de Hatón de la Goupillière, «la polea es el punto de apoyo de una cuerda que moviéndose se arrolla sobre ella sin dar una v uelta completa» actuando en uno de sus extremos la resistencia y en otro la potencia. Poleas simples
La polea simple se emplea para elevar pesos, consta de una sola rueda con la que hacemos pasar una puerta. Se emplea para medir el sentido de la fuerza haciendo más cómodo el levantamiento de la carga entre otros motivos, porque nos ayudamos del peso del cuerpo para efectuar el esfuerzo, la fuerza que tenemos que hacer es la misma al peso a la que tenemos que levantar.
Hay dos clases de polea simple las cuales son:
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Polea simple fija: La manera más sencilla de utilizar una polea es colgar un peso en un extremo de la cuerda, y tirar del otro extremo para levantar el peso. Una polea simple fija no produce una ventaja mecánica: la fuerza que debe aplicarse es la misma que se habría requerido para levantar el objeto sin la polea. La polea, sin embargo, permite aplicar la fuerza en una dirección más conveniente.
Imagen 4.1.1: esquema de una polea simple fija.
Polea simple móvil: Una forma alternativa de utilizar la polea es fijarla a la carga, fijar un extremo de la cuerda al soporte, y tirar del otro extremo para levantar a la polea y la carga. La polea simple móvil produce una ventaja mecánica: la fuerza necesaria para levantar la carga es justamente la mitad de la fuerza que habría sido requerida para levantar la carga sin la polea. Por el contrario, la longitud de la cuerda de la que debe tirarse es el doble de la distancia que se desea hacer subir a la carga.
Imagen 4.1.2: esquema de una polea simple móvil.
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Los elementos de máquinas flexibles, como bandas, cables o cadenas, se utilizan para la transmisión de potencia a distancias comparativamente grandes. Cuando se emplean estos elementos, por lo general, sustituyen a grupos de engranajes, ejes y sus cojinetes o a dispositivos de transmisión similares. Por lo tanto, simplifican mucho una máquina o instalación mecánica, y son así, un elemento importante para reducir costos. Además son elásticos y generalmente de gran longitud, de modo que tienen una función importante en la absorción de cargas de choque y en el amortiguamiento de los efectos de fuerzas vibrantes. Aunque esta ventaja es importante en lo que concierne a la vida de una máquina motriz, el elemento de reducción de costos suele ser el factor principal para seleccionar estos medios de transmisión de potencia. Transmisión por bandas
Las transmisiones por banda, en su forma más sencilla, consta de una cinta colocada con tensión en dos poleas: una motriz y otra movida. Al moverse la cinta (banda) trasmite energía desde la polea motriz a la polea movida por medio del rozamiento que surge entre la correa y las poleas.
Imagen 4.1.3: esquema de una transmisión por correa.
En la figura 4.1.3 son identificados los parámetros geométricos básicos de una transmisión por bandas, siendo: 1 - Polea menor. 2 - Polea mayor. α1 - Ángulo de contacto en la polea menor. α2 - Ángulo de contacto en la polea mayor. α - Distancia entre centros de poleas. d1 - Diámetro primitivo de la polea menor. d2 - Diámetro primitivo de la polea mayor.
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Dentro de la transmisión por bandas, existen diferentes métodos de transmisión, los cuales se describen a continuación. Transmisión por banda abierta Se emplea en arboles paralelos si el giro de estos es en un mismo sentido. Es el tipo de transmisión más difundida.
Imagen 4.14: esquema de transmisión por banda abierta.
Transmisión por banda cruzada Se emplea en arboles paralelos si el giro de estos es en sentido opuesto.
Imagen 4.1.5: esquema de t ransmisión por banda cruzada.
Transmisión por banda semicruzada Se emplea si los árboles se cruzan generalmente a 90°.
Imagen 4.1.6: esquema de t ransmisión por banda semicruzada.
Transmisión por banda con polea tensor exterior Se emplea cuando es imposible desplazar las poleas para el tensado de las bandas y se deseas aumentar el ángulo de contacto en la polea menor.
Imagen 4.1.7: esquema de transmisión por banda con polea tensor exterior.
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Transmisión por banda con polea tensor interior Se emplea cuando es imposible desplazar las poleas para el tensado de las bandas. En casos en los que se pueda disminuir el ángulo de contacto en la polea menor, produce una mejora en la vida útil de la banda.
Imagen 4.1.8: esquema de transmisión por banda con polea tensor interior.
Transmisión por banda con múltiples poleas Se emplea para transmitir el movimiento desde un árbol a varios árboles que están dispuestos paralelamente.
Imagen 4.1.9: esquema de t ransmisión por banda con múltiples poleas.
Bandas:
Es un elemento mecánico muy flexible utilizado para transmitir potencia cuando existen poleas unidas a flechas o ejes. Su apariencia es la de una línea unida extremo con extremo, con una sección trasversal que varía según sea su tipo. Materiales de elaboración
Al principio eran elaboradas con fibras naturales o con cuero de animales y se utilizaban en máquinas en donde la exactitud de la transmisión no fuera determinante. La duración depende de su uso, mantenimiento y trato, pero las de cuero o las de fibras naturales se fueron haciendo obsoletas por desgastarse rápidamente. Las que actualmente se utilizan están elaboradas de alambres con caucho a su alrededor, son más resistentes, durables y permiten tener una trasmisión poco ruidosa y libre de patinajes, a estas se les puede añadir una capa de fibras sintéticas bañadas en caucho para protegerlas. Montaje
A comparación de la transmisión por engranes la transmisión por banda es poco ruidosa, más económica y permite ser utilizada en ejes o flechas que no están paralelas, su desventaja material más importante es su rápido desgaste y su posible ruptura inmediata.
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Las bandas pueden transmitir la potencia entre dos o más poleas siempre que sean del mismo tipo, además pueden doblarse cuando las flechas o ejes no están paralelos, a excepción de las bandas sin deslizamiento. Al instalarse se debe tensar conforme a especificaciones por correr el riesgo de salirse de la polea. Cuando se deslizan rechinan, estos rechinidos se evitan con agentes anti patinajes. Las bandas se distinguen por la forma de la sección transversal, por la construcción, material y tecnología de fabricación, pero el rasgo más importante que determina la construcción de las poleas y de toda la transmisión, es la forma de la sección transversal de la correa. En función de la forma de la sección transversal, las correas de transmisión son clasificadas como: •
Bandas Planas.
•
Bandas Especiales o en V.
•
Bandas Redondas.
•
Bandas Eslabonadas.
•
Bandas Dentadas.
•
Bandas Nervadas o poli V.
Bandas Planas
Las transmisiones de banda plana ofrecen flexibilidad, absorción de vibraciones, transmisión eficiente de potencia a altas velocidades, resistencia a atmosferas abrasivas y costo comparativamente bajo. Estas pueden ser operadas en poleas relativamente pequeñas y pueden ser empalmados o conectados para funcionamiento sinfín. Las bandas planas de transmisión de potencia se dividen en tres clases: Convencionales: bandas planas ordinarias sin dientes, ranura o entalladura. Ranuradas o Entalladuras: bandas planas básicamente modificadas que proporcionan las ventajas de otro tipo de producto de transmisión, por ejemplo, bandas en V. De mando positivo: bandas planas básicas modificadas para eliminar la necesidad de fuerza de fricción en la transmisión de potencia. Las bandas en general se hacen de dos tipos: bandas reforzadas, las cuales utilizan un miembro de tensión para obtener resistencia, y las bandas no reforzadas, las cuales dependen de la resistencia a la tensión de su material básico. Estas bandas planas regularmente se pueden encontrar en los si guientes materiales: •
Cuero.
•
Tela o cuerda ahulada. 7
•
Hule o plástico no reforzado.
•
Cuero reforzado.
•
Tela.
•
Cuero: las bandas de cuero en su gran mayoría están hechas de capas de material unidas entre sí. Proporcionan una buena fricción, flexibilidad, larga duración y son muy fáciles de reparar. La desventaja es que es algo costoso. Tela o cuerda plastificada: actualmente hay disponibles muchos tipos y granos de material ahulado para bandas. Casi todos resisten a la humedad, ácidos y alcalinos. Tela plastificada: es el tipo menos caro de material para bandas. Esta hecho de capas de algodón o lona sintética, impregnadas de hule. Cuerda plastificada: estas bandas consisten en una serie de capas de cuerdas impregnadas de hule. Ofrecen alta resistencia a la tensión con tamaño y masa pequeños. Hule o plástico no reforzado: se encuentran disponibles bandas planas en varios materiales no reforzados para trabajo liviano. Hule: es básicamente una tira de hule, estas bandas están disponibles en varios compuestos. Están diseñadas específicamente para una baja potencia, transmisiones de baja velocidad. Plástico: las bandas de plástico no reforzadas transmiten carga de potencia más pesada que las de hule. Cuero reforzado: estas bandas están formadas por un miembro de plástico resistente a la tensión, en general nylon reorientado y cubiertas de cuero arriba y abajo. Tela: consisten en una sola pieza de algodón o lona plegada y cosida con hileras de puntadas longitudinales, otras están tejidas en forma sinfín. La ventaja principal es la capacidad de remolcar uniformemente y de funcionar a altas velocidades. Bandas en v
Las bandas en V son las más utilizadas en la industria; adaptables a cualquier tipo de transmisión. Se dispone de gran variedad las cuales brindas diferente tipo de peso de carga. Normalmente las tensiones de bandas en V funcionan mejor a velocidades de 8 a 30 m/s. para bandas estándar la velocidad ideal es de aproximadamente 23 m/s. 8
Sin embargo hay algunas como las bandas en V angostas que funcionan hasta a 50 m/s. Ventajas: las transmisiones de bandas en V permiten altas relaciones de v elocidad y son de larga duración. Fáciles de instalar y remover, silenciosas y de bajo mantenimiento. Las bandas en V también permiten la absorción de vibración entre los ejes. Desventajas: por el hecho de estar sometidas al cierto grado de resbalamiento, las banas en V no deben ser utilizadas en casos que se necesiten velocidades sincrónicas. Estas bandas en V siempre se fabrican en secciones transversales estándar Industriales: se fabrican en dos tipos: para trabajo pesado, y para trabajo liviano. Las bandas convencionales están disponibles en secciones A, B, C, D y E. Las bandas angostas se fabrican en secciones 3V, 5V, 8V, y las bandas para trabajo liviano vienen en secciones 2L, 3L, 4L, 5L. El material para bandas de extremo abierto está disponible en secciones A, B, C, y D. El material para bandas en V, el cual no está estandarizado. Se fabrica en secciones A, B, C, D, y E. Agrícolas: estas bandas se fabrican en las mismas secciones que las convencionales. Se designa HA, HB, HC, HD, y HE; en secciones de doble V, están disponibles con las designaciones HAA, HBB, HCC y HDD. Las bandas agrícolas se diferencian de las industriales en la construcción. Automotrices: las bandas para usos automotrices se fabrican en seis secciones transversales de designación SAE, e identificadas por los anchos superiores: 0.38, 0.50, 0.69, 0.75, 0.88, y 1.00 in (10, 12, 17, 19, 22 y 25 mm). Bandas redondas
Las bandas redondas se utilizan en transmisiones de poca potencia, como máquinas de oficina y enseres domésticos. Debido a la simetría de una sección redonda, es muy sencillo trabajar con ejes múltiples u oblicuos, por lo que pueden ser útiles en aparatos con transmisiones complicadas. Banda dentada dual
La mayoría de los fabricantes ofrecen también bandas con dientes en la superficie interior y en la exterior, que permiten transmitir movimientos por ambos lados de la banda, tal y como se muestra en la figura No. 5
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Bandas eslabonadas
La banda eslabonada puede cubrir ampliamente y en forma satisfactoria la mayoría de los requerimientos industriales de bandas en "V". Absorben hasta el 90% de la vibración, alargando así la vida útil de los demás componentes de la transmisión, mejorando también la calidad del trabajo. Las bandas eslabonadas pueden ajustarse a cualquier longitud y adaptarse en cualquier transmisión con poleas en "V". También pueden hacerse juegos de bandas perfectamente hermanadas con solo contar exactamente el número de eslabones de cada banda, esto entre otras cosas ayuda a reducir considerablemente el espacio y costo de inventarios. Bandas dentadas
Las bandas dentadas moldeadas son la mejor y más rentable alternativa para la transmisión de potencia con banda en V. El diseño de las ranuras moldeadas ofrece una disipación inmediata del calor generado durante la operación de las transmisiones, pueden circular con facilidad sobre poleas de diámetros pequeños, y ofrecen mayor vida útil que las bandas tradicionales de la competencia. Bandas nervadas o poli v
Estas bandas se utilizan para el transporte inclinado de material a granel de tamaño medio y grande, permitiendo la evacuación de agua gracias a que los nervios no se cierran. Los recubrimientos estándar son anti abrasivos, resistentes a los agentes atmosféricos y con un rango de temperatura de trabajo desde -20º a +70ºC, aunque este recubrimiento podría ser particularizado según necesidades. El perfil del nervio permite un transporte con inclinación de hasta 30º, además el paso de dicho nervio ha sido estudiado para que no dañe los tambores de retorno.
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4.2 Selección de Catarinas y cadenas.
Este tipo de transmisión de potencia consta básicamente de una rueda dentada (Catarina: este es un tipo de engrane de dientes en “V” utilizado para transmitir potencia en bicicletas, troqueladoras, cortadoras, etc.) y una cadena hecha de rodillos, en la siguiente figura pueden apreciarse algunos de los componentes básicos de una cadena de rodillos:
4.2.2.- Partes de una cadena de rodillos.
Además en la figura 4.2.2 pueden apreciarse algunos valores estandarizados (ANSI) de cadenas según sus dimensiones. Las cadenas están compuestas de: Eslabones planos o chapetas (en amarillo): Son piezas planas que tienen dos orificios con longitud constante y la distancia entre los orificios es llamada paso ( p), estos eslabones están sometidos a esfuerzos normales y de fatiga. Pines o pasadores (en verde): Transmiten la tensión de la cadena entre eslabones, por lo tanto están sometidos a esfuerzos cortantes. Fig. 4.2.1.- Partes de una cadena de rodillos.
Rodillos (azul): Estos entran en contacto directo con los dientes de la catarina, por lo tanto presentan esfuerzos de falla por contacto y desgaste. Espigas, pin candados o clips: empatan los extremos de la cadena.
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Fig., 4.2.3.- Dimensiones de cadenas estandarizadas según ANSI.
En la figura 4.2.3 puede apreciarse un sistema de cadena-catarina, este gira en sentido antihorario, la ecuación que describe este sistema es la siguiente:
2 2 2 2 1 360/ 180 2 "/2" O también:
, “N” es el número de dientes de la catarina, entonces la ecuación [1] puede escribirse como:
Es llamado ángulo de articulación” y este depende del número de dientes, la rotación entre los elementos con este ángulo provoca un impacto entre los rodillos de la cadena y los dientes de la catarina; el ángulo de articulación debe procurarse ser lo más pequeño posible ya que la fatiga y el desgaste son mayores junto con este ángulo.
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Fig., 4.2.4.- Acoplamiento de cadena y catarina.
El número de dientes además es un factor determinante en la relación de velocidad, en la figura 4.2.3 puede observarse que la cadena AB es tangente al círculo de paso de la catarina, pero cuando esta ha girado un ángulo el tramo AB de la cadena está más cerca del centro de rotación de la catarina, esto a grandes rasgos significa que la línea AB de la cadena se posiciones continua y constantemente arriba y abajo.
/2
La velocidad “V” de la cadena en pies por minuto está definida por:
Dónde:
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N: Número de dientes de la catarina. p: Paso de la cadena (pulgadas). n: Velocidad de la catarina (rpm). La velocidad de salida máxima de la catarina se determina con la siguiente relación:
Además:
4 á 12 12 2 !2 5
La velocidad mínima viene dada además por la siguiente relación:
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cos í 12 1222 6
La razón de cambio de la velocidad es:
∆ á ) í * 1180 ) 1180 . 7 tan
En la figura 4.2.4 se puede apreciar la gráfica de este parámetro, la cual es llamada variación cordal de la velocidad , esta variación es de vital importancia en el análisis y diseño de este tipo de transmisiones, ya que estas variaciones provocan vibraciones en el sistema y además afectan a un proceso que se desee que sea muy exacto y preciso. Las cadenas de rodillos habitualmente presentan falla por fatiga, algunos fabricantes han elaborado y proporcionado tablas donde se involucran datos como la duración, velocidades y número de dientes.
Fig. 4.2.5.- Capacidad nominal de potencia de cadenas de paso único en torón sencillo de una catarina de 17 dientes.
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Fig. 4.2.6.- Capacidad nominal de potencia de cadenas de paso único en torón sencillo de una catarina de 17 dientes (continuación).
Fig. 4.2.7.- Números de dientes estandarizados de catarinas.
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Fig. 4.2.8.- Factores de corrección de dientes, K1.
Fig. 4.2.9.- Factores de torones múltiples, K2.
Además las potencias nominales H1 y H2 están determinadas por las siguientes fórmulas:
Dónde:
00049:; <; 8 = 1,000?@AA
Número de dientes en la catarina menor. Velocidad de la catarina (rpm).
Paso de la cadena (in). 16
?@
29 para números de cadena 25, 35; 3.4 para cadena 41; y 17 para cadenas 40240. Además otro factor a tomar en cuenta en el diseño y selección de catarinas y cadenas es una preferencia por números de dientes impares (17, 19…) y números pares de pasos en la cadena para evitar un eslabón especial, la longitud de la cadena viene dada por la siguiente relación:
DE 2F G G2 = G = )2 ;= 10 = ) = = I F 4 *)H G H )8J 2 K . 11
La distancia entre centros está dada por:
Donde “A” se define como:
H G2 = ) D 12 L ??=M 13
Además la potencia permisible viene dada por la siguiente relación:
Dónde:
? ?=
Factor de corrección para un número de dientes distinto de 17 (ver figuras anteriores). Corrección por número de torones (ver figuras anteriores).
Además de todos los parámetros mencionados para la selección de catarinas y cadenas de rodillos deben de tenerse en cuenta los catálogos de los fabricantes de este tipo de elementos (algunos anexos a este trabajo), ya que algunos factores como dimensiones resistencia a la fatiga, etc. pueden presentar variaciones mínimas de fabricante a fabricante a pesar de estar normalizados.
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4.3 Selección de cojinetes y rodamientos.
Los rodamientos son piezas hechas generalmente de aleaciones de acero y otro elemento ya sea cromo, molibdeno, manganeso. Este tipo de elementos mecánicos cumplen la función de apoyos de un eje además de reducir la fricción entre un eje y las piezas que estén conectadas a este. Existen varios factores a tomar en cuenta a la hora de seleccionar rodamientos o cojinetes, algunos de estos son: -Espacio del empotrado del cojinete. -Valores y sentidos de cargas. -Velocidades de revolución y cambio de sentido de revoluciones. -Rigidez del cojinete. -Vida útil. -Funcionalidad y construcción del soporte de cojinete -Localización de cojinete - Capacidad de carga de cojinete y el valor de las fuerzas - Velocidad de revoluciones - Vibraciones y carga de golpes - Temperatura de trabajo del cojinete - Condiciones de trabajo: influencia de corrosión, nivel de contaminación del cojinete, método de engrase, etc. Como se puede ver estos son algunos de los aspectos a tomar en cuenta al momento de seleccionar los cojinetes, tal como se ve la vida útil por ejemplo es de vital importancia ya que estos (cojinetes) o cualquier otro elemento en el diseño de máquinas no tienen una duración infinita, por lo tanto se desgastan y pueden llegar a fallar; claro antes de que pase eso se deben de reemplazar periódicamente para evitar ineficiencias en el mecanismo o máquina. Algunos factores que afectan directamente a la vida útil pueden ser la magnitud de las cargas, la dirección de estas, velocidad de giro, deformaciones en el eje, desalineación, lubricación, limpieza o temperatura en los alrededores. Existen diversos tipos de rodamientos pero se pueden clasificar en tres grandes categorías: 18
I.- Según la dirección de la carga q ue mejor soportan.
1.- Rodamientos radiales. Éstos se utilizan básicamente para soportar cargas que son perpendiculares al eje, constan de tres partes: un anillo exterior, uno interior y elementos rodantes.
Fig. 4.3.1.- Rodamientos radiales.
2.- Rodamientos axiales. Soportan cargas en la misma dirección del eje; al igual que los anteriores constan de tres piezas: un aro superior, un aro inf erior y un elemento rodante también.
Fig.4.3.2.- Rodamiento axial.
3.- Rodamientos de contacto angular. Son la combinación de los dos anteriores. Constan de un rodamiento similar al radial con un diseño especial para soportar cargas axiales más de lo que haría un rodamiento radial.
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Fig. 4.3.3.- Rodamiento de contacto angular.
II.- Según la rigidez del rodamiento.
1.- Rodamientos rígidos. No soportan desalineamientos del eje, con estos desalineamientos se generan cargas que pueden llegar a dañar el rodamiento.
Fig. 4.3.4.- Rodamientos rígidos.
2.- Rodamientos rotulados. En estos los aros permiten de cierta manera que el eje gire en un plano paralelo al de trabajo normal.
Fig. 4.3.5.- Rodamientos rotulados.
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III.- Según el elemento rodante.
Los elementos rodantes pueden cambiar dependiendo del tipo de aplicación, el elemento rodante más conocido es el de forma esférica, usado en aplicaciones donde intervienen cargas ligeras y medianas. Los rodillos y barriletes se utilizan en cargas más grandes y en cargas axiales se utilizan conos, y también en algunos casos se utilizan agujas (cilindros con diámetros pequeños) donde el espacio es bastante pequeño, estas agujas están unidas por un canastillo o jaula y el aro exterior, como este carece de un aro interior y las agujas son demasiado delgadas tiene apariencia de un anillo. Además cuando el espacio es aún más pequeño, existen rodamientos sin aro exterior que se denominan “corona de agujas” Al catalogar los rodamientos se deben de tener en cuenta las características antes mencionadas, por ejemplo indicando el tipo de elementos rodantes, esto se puede ver en los catálogos anexos. La falla principal de los rodamientos es por fatiga en los elementos rodantes, en la figura 4.3.6 puede verse este tipo de falla.
Fig., 4.3.6.- Falla de rodamientos.
Además en los catálogos que son de vital importancia vienen datos relacionados con la resistencia del material, en la siguiente figura puede verse un ejemplo de un catálogo de SKF donde se muestran datos como: Capacidad de carga estática: Capacidad de carga dinámica Velocidad nominal V (rpm). Carga límite de fatiga
EN
F F
(fuerza). (fuerza).
(fuerza).
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Cabe destacar que los datos obtenidos en estos catálogos son resultado de constante experimentación.
Fig. 4.3.7.- Algunos parámetros de rodamientos en el catálogo general de SKF.
Estos parámetros sirven de base para calcular otros como la vida útil, la vida nominal vida nominal ajustada, etc.
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4.4 Aplicación de Software en la selección de elementos
La utilización de los ordenadores como instrumentos de ayuda a las diferentes actividades humanas ha cobrado tal importancia que hoy resulta casi inconcebible subsistir en un mundo tan competitivo sin su uso. Se puede decir que su aplicación ha cubierto todas las esferas de la actividad humana, si bien es cierto, algunas veces se perciben aplicaciones informáticas un tanto banales o innecesarias. Es previsible que el uso de ordenadores vaya en aumento cada vez más. De hecho las estadísticas (Comunidad de Madrid, 2001) muestran que en la Unión Europea ya en el año 2000 el 25% de su población utilizaba ordenadores en forma habitual (siendo los países nórdicos los que llevan la iniciativa con cerca del 45%). Esas cifras son suficiente argumento para sostener la importancia que tiene la investigación sobre el mejor uso de tales instrumentos. Por ello, en este capítulo se aborda el tema del software como herramienta de asistencia al ingeniero o al diseñador en el desarrollo de productos, con el propósito de mostrar el estado del arte actual. Con ello se pretende aclarar el punto de partida hacia nuevas propuestas que logren dar un paso más hacia delante en la evolución de esta clase de herramientas. Para lograrlo, se hace una revisión de la historia evolutiva del software utilizado en diseño, seguramente con cierto sesgo hacia el diseño mecánico, inevitable por la formación y experiencia profesional propia del que realizó este estudio. La presentación del capítulo se ha dividido en tres grandes apartados. El primero muestra específicamente el tema del software tipo “CAX”, término que aquí se utiliza para hacer referencia a la denominación que ha recibido comercialmente este tipo de programas y que comprende básicamente tres grandes grupos: CAD, CAE y CAM. Es necesario mencionar que dada la tendencia que muestra este tipo de software hacia el desarrollo de la ingeniería colaborativa, resulta imposible catalogarlo como exclusivamente software tipo CAD, así que en la presentación de este primer apartado se incluirá el portafolio de productos de las principales empresas que se han identificado con software CAD pero que en este momento ofrece herramientas de tipo integral de manejo del ciclo de producto. El segundo bloque de programas que se presentan está asociado con la implementación de herramientas de gestión modernas de la ingeniería tal como QFD, ingeniería concurrente, análisis de valor, etc., es decir, aquellos programas que no son CAD pero que pueden asistir al ingeniero de diseño en el desarrollo de productos. En el tercer apartado se aborda el tema del software de creatividad, presentando aquí una revisión de las características de los principales programas comerciales encontrados, e identificando sus atributos que puedan darle una potencial aplicación como instrumentos que complementen el sof tware de diseño.
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La presentación de estos programas se hace en un principio sustentada sobre la información suministrada por las propias empresas desarrolladoras y, cuando existe la información, sobre evaluaciones y críticas encontradas en diferentes fuentes. Con ello se espera cubrir el abanico amplio de oferta actual, mostrando sus potencialidades y también sus debilidades, buscando descubrir la forma en que la creatividad y el desarrollo conceptual de productos son abordados por cada uno de ellos. Software de Diseño (CAD/CAM/CAE) Para apoyar la gran mayoría de actividades de diseño se cuenta con una oferta comercial de software, ampliamente reconocido y aceptado por su aporte y beneficios demostrados en la práctica. Por ejemplo se encuentran muchas opciones de paquetes tipo CAD, algunos de los cuales ofrecen versiones especializadas para los diferentes tipos de aplicaciones en ingeniería, que dan un soporte muy importante en el área de diseño de detalle, particularmente en lo relacionado con el dibujo de piezas, ensamble de conjuntos, verificación dimensional, cálculo del volumen de materiales, etc. También se pueden mencionar los programas de análisis de elementos finitos (FEA) que han dado agilidad al proceso de cálculo de los elementos mecánicos, por ejemplo, permitiendo incorporar en forma efectiva procesos de optimización. Este tipo de software se complementa con el concepto denominado genéricamente como “manufactura asistida por ordenador” (CAM), de manera que se ha logrado integrar una cadena dentro del proceso de diseño y producción de elementos. A esto se puede sumar las investigaciones más recientes que han llevado a nuevas propuestas como la evaluación de diseños mediante técnicas de realidad virtual y de realidad ampliada. El estudio de la evolución de la tecnología informática revela el protagonismo que ha tenido el desarrollo de sistemas CAD. Técnicas tales como el diseño vectorial, la organización por capas, la automatización de tareas, el manejo de diseño en 3D, etc., tienen su origen en el desarrollo de programas CAD. Aunque en un principio este tipo de programas estuvo limitado por las capacidades inherentes al hardware, cuando aparecen los circuitos electrónicos que permite la integración de funciones a gran escala y los lenguajes de alto nivel, el CAD adquiere su verdadera dimensión, convirtiéndose en instrumente estratégico a nivel productivo industrial con altos índices de utilización. Actualmente se puede encontrar en el mercado una gran variedad de sistemas CAD, desde muy sencillos y de tipo «freeware» (gratuitos) hasta aquellos desarrollados para sectores industriales específicos, con altísima sofisticación. Características de algunos de los programas más importantes comercialmente se describen a continuación, agrupados por las cuatro primeras empresas de desarrollo mencionadas anteriormente, ya que la quinta EDS/intergraph desarrolla software específicamente para cartografía, no siendo éste campo de interés para la presente investigación. 24
Esta empresa sigue siendo la más conocida a nivel mundial en software CAD para PC’s. Actualmente ofrece un abanico de productos bastante amplio que va desde el programa de referencia AutoCAD hasta programas especializados en diferentes ramas de la técnica. La Tabla 4.4.1 muestra los productos por esta empresa (Autodesk, 2004). Como se puede apreciar, la diversificación de la oferta comercial de Autodesk, Inc., muy intensa y orientada a satisfacer requerimientos especializados para diferentes disciplinas de la técnica. Sin embargo, siguen existiendo productos que son íconos del CAD y que a continuación se describen en forma más detallada.
Tabla 4.4.1: Familia de p roductos Autodesk
a. AutoCAD® La última versión de este producto reúne características avanzadas alrededor del concepto de proyecto, es decir, el conjunto de dibujos y planos que hace referencia al mismo trabajo, de manera que resulta sencilla su gestión en forma integrada. Ello minimiza la posibilidad de errores y permite el trabajo en equipo, que es una de las características más deseables en la actualidad. Todo ello además de las características más conocidas de este programa, que sigue siendo el referente en el mundo del diseño, características que en cada nueva versión son mejoradas siempre con el objetivo de facilitar la personalización y aumentar la productividad en el desarrollo del trabajo.
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En general, la última edición del AutoCAD® se desarrolla bajo tres premisas centrales: Creación, Administración y Compartición. Las mejoras en la primera de ellas giran en torno a la posibilidad de personalizar los menús y en el manejo de tablas, por medio de las cuales es posible documentar con mucha flexibilidad todo el trabajo realizado. También destaca la incorporación de muchas opciones para la edición de dibujos en 3D, tales como sombreados, creación de ambientes, imágenes de fondo, etc. Es importante también señalar la posibilidad que se presenta de arrastrar objetos de dibujo a las barras de herramientas con el propósito de reutilizarlos cuando sea necesario, con lo cual se flexibiliza y agiliza el trabajo. En cuanto a la tarea de Administración el software ha evolucionado hacia el concepto de manejo integrado de proyectos, de manera que a nivel empresarial permite gestionar grandes conjuntos de planos e incluso vistas y modelos. La vinculación entre las unidades que conforman un conjunto de planos integrados permite la actualización automática y la verificación de modificaciones sencilla. A todo esto se suma la posibilidad de almacenar versiones, con lo cual se minimiza el riesgo de pérdida de información. La labor de «compartición» se refiere a la impresión de planos y conjuntos de planos, ya sea en formato en papel o en formato digital. Estas acciones se pueden realizar en segundo plano, es decir, da la posibilidad de seguir trabajando mientras se desarrolla la actividad de impresión. El compartir digitalmente un conjunto de planos en forma rápida, facilita el intercambio de información a través de la red. Se puede ver por esta breve descripción, que la evolución del AutoCAD® posibilita muchas acciones, pero también se puede intuir que mantiene una de los inconvenientes más criticables a este software, cual es el de requerir con cada versión nueva una gran cantidad de tiempo y esfuerzo para incorporar las mejoras al acervo del conocimiento de los delineantes. La gran variedad de opciones que se añaden si bien es cierto tecnológicamente significan un paso hacia delante, también es cierto que causan cierto grado de frustración en los usuarios que jamás se pueden ver absolutamente competentes en su manejo. Cabe destacar, además, que los esfuerzos realizados para la actualización permanente de este software no tienen en cuenta las fases iniciales del diseño, para facilitarlas o potenciarlas. Están concebidos para aumentar la productividad sobre la base de rapidez y de incorporación de funcionalidades especiales pero a costa de cierto grado de libertad que necesita el diseñador durante sus actividades primarias de conceptualización del diseño.
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b. Autodesk inventor® series Se trata de un software tipo suite que integra tres programas: 3D Autodesk Inventor®, AutoCAD® Mechanical y Autodesk® Vault. El primero de ellos permite evolucionar diseños 2D a un ambiente 3D y facilita la conexión de equipos de diseño con equipos de fabricación, sumando las funcionalidades de análisis por elementos finitos (FEA) de ANSYS® que permite la optimización dimensional de piezas. También este programa posibilita la integración de normas de diseño y fabricación de manera que los ensambles se realicen correctamente. El segundo programa mencionado, está concebido para apoyar el diseño mecánico en 2D, incluye muchas facilidades para generar elementos convencionales mecánicos, tales como levas, engranajes, muelles, etc., y permite la realización de análisis de elementos finitos en 2D. El último módulo de esta suite, Autodesk® Vault, permite la administración de los datos generados en el diseño. Una característica importante del Autodesk Inventor® es la de iniciar el diseño bajo el entorno denominado «bocetos» que en realidad poco tiene que ver con la fase de conceptualización de una solución, ya que hace ref erencia es al perfil o contorno que sirve de base para la construcción de los modelos 3D, por lo cual cuando se utiliza esta herramienta ya se tiene definida conceptualmente la pieza a realizar. c. Autodesk® Buzzsaw® Esta herramienta está pensada para apoyar el diseño colaborativo. Con ella es posible crear un sitio Web para toda la empresa y sobre el desarrollar múltiples proyectos. Se logra definir una forma estandarizada para gestionar proyectos, asegurando el desarrollo consistente de la información, de los procesos comunes a todos los proyectos y la rápida comunicación entre integrantes. Los diferentes usuarios de la red pueden abrir los archivos de planos de un proyecto y manejarlos como si fuesen copias en papel y si se autoriza, puede realizar modificaciones en los planos originales. Una utilidad importante que se logra con esta herramienta es la de «clonar» proyectos, es decir, reutilizar información generada en la realización de anteriores proyectos, tales como archivos, usuarios, permisos de acceso, logotipos y formas, permitiendo de esta manera ir construyendo lo que se podría denominar la memoria empresarial, una de las herramientas más importantes para la gestión del conocimiento. Programas de Product Development Technology, PTC. Inc. Esta compañía fue creada en 1985 en Massachussets, y actualmente cuenta con más de 150 oficinas en todo el mundo y emplea más de cuatro mil trabajadores. La familia de productos de PTC (Product Development Company, 2004) se muestra en la Tabla 4.4.2
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Tabla 4.4.2: Soluciones ofrecidas por Product Development Technology, PTC Inc.
Su filosofía se ha centrado en los últimos años en soluciones para el desarrollo colaborativo de productos, basadas en la red y destinadas a compartir y aprovechar los activos en toda la cadena de valor. Pro/ENGINEER Es el principal programa de esta compañía, constituido por varios módulos integrados, que «…cubren la totalidad del proceso de desarrollo del producto, desde la concepción inicial hasta la reparación y mantenimiento, pasando por la definición detallada del producto». Para ello dispone de módulos de diseño, de producción y fabricación, de cableado y de diseño de barcos. La interface de usuario que utiliza (Intuitive Direct Modeling™) está certificada por Microsoft como una que facilita el aprendizaje rápido y la implementación. Las principales herramientas asociadas al Pro/ENGINEER Design que es software de interés particular para esta investigación son: • Foundation: para diseño de sólidos y chapa, construcción de conjuntos, diseño de estructuras soldadas y generación de planos. • Behavioral Modeling: Permite el manejo de requisitos técnicos y la automatización de alternativas de diseño. • Advanced Assembly: Diseño de conjuntos de elementos asociados. • Advanced Surface: Diseño de superficies, mediante modelado parámetrico. Útil también para hacer ingeniería inversa (trabaja con modelos digitalizados para extraer información). • ISDX: Para diseño de superficies flexibles, complejas y de formas no regulares. • ModelCHECK: Para aplicar a los diseños las normas de producción de la empresa, optimizando el posterior proceso de producción. • Plastic Advisor: Simula el proceso de inyección de plástico. • Mechanism Design: Para simulación cinemática.
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• Mechanism Dinamic: Adicional al anterior módulo, permite la creación de prototipos virtuales para simulación. • Design Animation: para hacer presentaciones animadas de los diseños y mejorar su evaluación y comprensión. • Intralink: Herramienta para la gestión del proyecto, que permite modificar, controlar versiones y reutilizar el historial de diseños anteriores. • API Toolkit: para desarrollo de aplicaciones que permite personalizar y automatizar tareas. ProMechanical Está diseñado para verificación y optimización de elementos y estructuras, aprovechando la flexibilidad que el dibujo paramétrico tiene, simula con rapidez el rendimiento mecánico de los componentes diseñados, de manera que se reduce la necesidad de fabricación de prototipos reales. Usa el método FEA para análisis mecánico y para ello se divide en varias herramientas, como son: • Motion: Calcula y optimiza las fuerzas operativas durante el movimiento dinámico de los mecanismos. • Structure: Calcula esfuerzos, deformaciones y vibraciones operativas de piezas y conjuntos. • Thermal: Para determinar y optimizar temperaturas operativas y flujos térmicos de piezas y conjuntos. Pro/DESKTOP Herramienta desarrollada con el propósito de facilitar el modelado de piezas con un enfoque en el método de arrastrar y soltar. La compañía sostiene como característica especial el esbozo rápido en 2D, para captura de ideas, así como el diseño basado en funciones. Realmente se trata de una interfase simple que permite la construcción rápida de esbozos 2D utilizando pocas entidades de dibujo (línea, círculo, arco, rectángulo y otras), pero manteniendo la potencia del software para manipulaciones complejas, tales como simulaciones, animaciones, ensambles, etc., siempre bajo la tecnología del dibujo parametrizado. DIVISION Software para administración y procesamiento del diseño colaborativo, de tipo visual tanto en 2 como en 3D, que permite creación de simulaciones y prototipos para evaluación, permitiendo la participación de más personas en el proceso. Se puede concluir que esta empresa evidencia la tendencia de integrar en formato tipo «suite» toda su oferta, enmarcada bajo la filosofía de la gestión de ciclo de vida del producto, PLM.
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Productos de Dassault Systèmes La filosofía marcada por esta compañía también gira en torno al ciclo de vida del producto, de tal manera que ha pasado a convertirse más que en el productor de un software de diseño, en un conjunto articulado de herramientas que busca asistir a las empresas en todos los aspectos relacionados con el producto, desde se concepción hasta su mantenimiento. Las soluciones que cumplen la filosofía de esta empresa del manejo de ciclo de vida del producto (Dassault Systmes, 2002) se presentan en la Tabla 4.4.3.
Tabla 4.4.3 Productos ofrecidos por Dassault Systèmes
CATIA Se trata del producto bandera de la compañía para el desarrollo de productos sobre el que gira todo el concepto de ciclo de producto. Incorpora herramientas para integrar todas las actividades de desarrollo de producto incluyendo el diseño de estilo y forma, el análisis de ingeniería, la maquetación digital, simulación de funcionamiento, etc. Su valor añadido en las últimas versiones se centra en el desarrollo colaborativo, posibilitando el intercambio de datos, archivos y gestión integrada del proyecto de diseño. SolidWorks Es el producto de dibujo y diseño en 2D y 3D. Ha mostrado desde su lanzamiento una concepción de utilización simple y rápida de aprender y por ello ha captado un segmento importante del mercado. Incorpora en sus últimas versiones la herramienta de análisis por elemento finito COSMOS. Además, por estar integrado en la filosofía de la compañía, facilita el desarrollo colaborativo de diseños y la interconexión con los otros programas de la plataforma base. Integra dentro de su ambiente una buena flexibilidad de trabajo y la posibilidad de generar modelos 3D a partir de bosquejos realizados rápidamente en 2D. Además contiene una herramienta de comunicación vía e-mail que facilita el compartir diseños con colaboradores. Por la red también tiene acceso una gran librería de elementos que se arrastran y pegan con facilidad en el dibujo
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