DISEO DE UN GATO MECANICO

INTRODUCCIN

El diseo ms bsico de un gato mecnico es verdaderamente la aplicacin de ingeniera en su mxima expresin. Con el poder de magnificar las fuerzas de entrada, con un mecanismo que permite levantar enormes cargas utilizando slo una fraccin de la fuerza normalmente necesaria. Nuestro objetivo en este proyecto es el diseo de un gato mecnico eficiente capaz de elevar una carga de 10 toneladas. Con un sistema mecnico de tornillo impulsado por la manivela ser operado manualmente. El diseo ser transportable y almacenable, tendr una manivela extrable, y operara con un factor de seguridad de N = 2 usando los mtodos de diseo mecnicos estndar para todos los componentes. El diseo en s ha pasado por varias etapas de desarrollo. Hemos tomado varios modos de fallo posibles en cuenta y confiamos en que nuestro diseo sea eficiente y seguro.

DISEO DE UN GATO MECANICO

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disear de un gato mecnico eficiente capaz de elevar una carga de 10 toneladas.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Disear un gato mecnico transportable y almacenable. Comprobar en nuestro diseo los posibles modos de fallos. Elegir el tipo de material con el que se disearn los elementos del gato mecnico.

MARCO TERICO

CONCEPTO

La gata mecnica es una herramienta mecnica. Se encuentra frecuentemente en los diferentes vehculos para lo cual es utilizado para el levantamiento de un cuerpo de capacidad variable y esta herramienta ya viene incluido en el vehculo.

GATA MECNICA (RESUMEN)

La gata mecnica est diseando para soportar la carga de un cuerpo de 10 000 Kg en la parte superior. La gata mecnica, se divide en varias partes. Los materiales utilizados para la gata mecnica son: acero SAE 1010, pernos y remaches, pasadores y planchas. Para el dibujo y ensamble de la gata mecnica se utiliz Solid Works 2012. Para el dimensionamiento de las piezas se emple conocimientos llevados antes en cursos inferiores como ser: Clculo, Resistencia de Materiales, Ciencia de los materiales, etc.

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALESLas propiedades mecnicas de los materiales son las caractersticas inherentes que permiten diferenciar un material de otros. Estos materiales estn expuestos a diferentes esfuerzos. Para ver las fuerzas que actan sobre ellos se debe realizar un diagrama de cuerpo libre.Traccin:En el clculo de estructuras e ingeniera se denomina traccin al esfuerzo a que est sometido un cuerpo por la aplicacin de dos fuerzas que actan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.Lgicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier seccin perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa seccin, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.Compresin:El esfuerzo de compresin es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un slido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reduccin de volumen o un acortamiento en determinada direccin.Flexin:En ingeniera se denomina flexin al tipo de deformacin que presenta un elemento estructural alargado en una direccin perpendicular a su eje longitudinal. Un caso tpico son las vigas, las que estn diseadas para trabajar, principalmente, por flexin. Igualmente, el concepto de flexin se extiende a elementos estructurales superficiales como placas o lminas. El esfuerzo que provoca la flexin se denomina momento flector.Fatiga:La fatiga puede definirse como una fractura progresiva. Se produce cuando una pieza mecnica est sometida a un esfuerzo repetido o cclico, por ejemplo una vibracin.Aunque el esfuerzo mximo nunca supere el lmite elstico, el material incluso puede romperse despus de poco tiempo- En la fatiga no se observa ninguna deformacin aparente, pero se desarrollan pequeas grietas localizadas que se propagan por el material hasta que la superficie eficaz que queda, no puede aguantar el esfuerzo mximo de la fuerza cclica. El conocimiento del esfuerzo de tensin, los lmites elsticos y la resistencia de los materiales a la plasto deformacin y la fatiga son extremadamente importantes en ingeniera.Estructura Del AceroEl acero es una aleacin de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composicin de la aleacin, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar se diferencian de los aceros y se moldean.Las propiedades fsicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribucin en el hierro. Antesdel tratamiento trmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dctil, es hierro con pequeas cantidades de carbono y otros elementos en disolucin, la cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composicin especfica y una estructura caracterstica, y sus propiedades fsicas son intermedias entre las de sus dos componentes.La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado trmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita; cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, est por completo compuesto de perlita. Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrpica de aleacin de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfra despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una modificacin alotrpica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solucin slida.Figura 1: Diagrama de fases del acero

Caractersticas de esfuerzo deformacin del acero:La mayora de las propiedades de los aceros que son de inters para los ingenieros se pueden obtener directamente de sus curvas de esfuerzo deformacin. Tales caractersticas importantes como el lmite elstico proporcional, el punto de fluencia, la resistencia, la ductilidad y las propiedades de endurecimiento por deformacin son evidentes de inmediato.

La Figura 1 muestra el grfico obtenido en una mquina de ensayo de traccin para un acero.Figura 2: Curva esfuerzo-deformacin de un acero

Propiedades Fsicas De Los Aceros SAE:

Tabla 1 Propiedades Mecnicas. Barras de acero en caliente.

La Tabla 1 relaciona la nomenclatura AISI-SAE con los valores de resistencia, ductilidad y dureza.

Fuente diseo en ingeniera mecnica shigley

Diseo Propuesto

DISEO PARA DIFERENTES MODOS DE FALLO DE LOS MIEMBROS

TABLA 2

MODO DEFALLOMIEMBROCRITERIOCOMENTARIOS

Torsin9

Pandeo2,3,4,6,7,8Columnas largasC=1

Pandeo2,3,4,6,7,8Columna de longitud intermediaC=1

Rendimiento En C Y En T2,3,4,6,7,8Teora dela energa de distorsin

Bloqueo Automtico9

Por aplastamiento

Todos los pinsEsta es el rea proyectada de cada pin

Por cortante

Todos los pinsSe tiene que tomar en cuenta los planos de cortante

CALCULOS DE RESISTENCIA DE LOS ELEMENTOS CLCULOS ESTTICOS El anlisis del dimensionamiento se realizara en el momento donde la gata mecnico alcance su altura mxima:

Por razones de diseo convertiremos 10 000 kg a libras fuerza del sistema ingls (lb).10000 kg 22031.28 lb

Mediante las leyes de Newton se tiene: Fy = 0R + 22031.28 + R = 0R = 11015.64 lbLa tensin de la barra 1 y 2 es:T1 = R cos (a)T2 = R cos(a)Como se supone que las 2 tensiones estn con un mismo ngulo de inclinacin , entonces se puede concluir que:T1 = T2

Si el valor del Angulo a oscila entre 5 y 75

Si a = 5 T1 = R cos 5 = R (0.996) R (1)Si a= 75 T1 = R cos 75 = R (0.26)

Como se podr ver el punto ms crtico es cuando T1 = R cos 5 R, porque la tensin no disminuye. Pero si el ngulo aumenta la tensin disminuye.

Entonces consideramos: T1 = T2 = R = 11015.64 lb

DETERMINACIN DEL TIPO DE MATERIAL

Para determinar el tipo de material encontramos Sy:

Donde n : factor de seguridad Sy : lmite de fluenciaCon F = R = 11015.64 lb A =1.005 pulg 2 1 pulg 2 n = 2Entonces Sy = = 22.03 ksiSy (calculado) = 22.03 ksi El material a usar ser:Tabla 1: Aceros A-36 SAE 1035 CD con Sy = 67 ksi

Sy (tabla) >Sy (calculado)

CLCULOS EN CADA UNO DE LOS MIENBROS

1. MIEMBROS 2, 4, 6 Y 8

Considerando estos miembros como columnas largas articuladas tenemos:

Material SAE 1035 CDSy = 67 ksi E = 29 000 ksi = 290000 000 Psi

Segn la tabla 2 el modo de fallo para columnas largas es:

Remplazando:

Pcr = nR = 2x (11015.64 lb) = 22031.28 lbA = 1 pulg 2C = 1L = 6.32K = = 0.3767 pulgEsfuerzo calculado:

Esfuerzo critico:

Por lo tanto: si cumple con la condicin de columna larga.

Esfuerzo calculado < Esfuerzo critico 22 031.28 Psi < 508 422.58 Psi

Considerando estos miembros como columnas cortas tenemos: Segn la tabla 2 el modo de fallo para columnas cortas es:

El esfuerzo calculado:

Esfuerzo critico:

= 65 896.34 Psi

Por lo tanto: si cumple con la condicin de columna corta.

Esfuerzo calculado < Esfuerzo critico 22 031.28 Psi < 65 986.34 Psi

Considerando la teora de la energa de distorsin Segn la tabla 2 el modo de fallo por esta teora es: El esfuerzo :

Esfuerzo de von mises calculado

Esfuerzo Critico De Von Mises

Por lo tanto: si cumple con la condicin de que el esfuerzo de Von Mises calculado sea menor que este cuando es crtico.

Esfuerzo de Von Mises calculado < Esfuerzo de Von Mises critico 22 031.28 Psi < 33 500 Psi

2. MIEMBROS 3 y 7

Las componentes horizontales de las fuerzas originadas por el peso junto con la fuerza producida por el tornillo sinfn originan un momento flexionante sobre la pieza.

La fuerza mxima horizontal se producir cuando la gata mecnica trabaje en un Angulo de 75 con la vertical.De esta manera podemos despreciar el efecto de la compresin originada por los componentes verticales de la fuerza T ya que son minsculas, y por lo tanto no producirn que la pieza se doble en esa direccin.

Material SAE 1035 CD Sy = 67 ksi E = 29 000 ksi = 290000 000 Psi

Componente horizontal de fuerza T; De los primeros clculos

T = R*cos (75) = 11015.64*(0.26) = 2864.06 lbFh =T * cos (15) = 2864.06 * 0.97 = 2766.48 lb

La condicin de fallo para esta pieza es:

Que representa al esfuerzo flexionante.M = Fh*(2.38/2) = 2766.48*(2.38/2) = 3292.112 lb-inEsfuerzo calculado:

Esfuerzo critico.

Por lo tanto: Esfuerzo calculado < Esfuerzo critico22.9 ksi < 33.5 ksi3. MIEMBROS 1 Y 5En estos miembros la falla que se puede dar ocurre cuando la gata est a su mxima altura es decir ocurre una falla por desgarro del material o deformacin de este.Material SAE 1035 CD Sy = 67 ksi E = 29 000 ksi = 290000 000 Psi

Por consiguiente el tipo de fallo que podemos atribuirle este tipo de pieza ser una falla por tensin

Esfuerzo por compresin calculadoF = 22 031.28 / 2 = 11015.64 lbLos dimetros de los agujeros son de 0.38 in y el espesor de las alas es 0.25 in y longitud de 2.38 inAneta = 0.25*2.38 - 2*( 0.38*0.25) = 0.405 in^2

Esfuerzo critico

Por lo tanto el material no se deforma ya que:

Esfuerzo calculado < esfuerzo critico27.19 ksi < 33.5 ksi4. MIEMBRO 9

5. TODOS LOS PINS Los posibles fallos que pueden ocurrir a estas piezas son falla por cortante y falla por aplastamiento de manera que analizaremos los dos casos.Material SAE 1035 CD Sy = 67 ksi E = 29 000 ksi = 290000 000 PsiCASO I FALLA POR APLASTAMIENTO

Dnde:

Los pin tienenD pin = D agujero 1 / 16 = 0.38 1/16 = 0.3175 int = 0.25 inLa fuerza F se obtiene cuando la gata alcanza su mxima altura, es decir cuando el Angulo formado con la vertical es 5. Entonces la fuerza del peso se debe dividir por el nmero de pins que es 8 ya que cuando la gata esta de manera vertical la fuerza se distribuye por todos los pins.F = 22 031.28 / = 2753.91 lbEsfuerzo de aplastamiento calculado

Esfuerzo aplastamiento crtico

Por lo tanto los pins resisten tal carga ya que:

Esfuerzo calculado < esfuerzo critico17.347 ksi < 33.5 ksi

CASO IIFALLA POR CORTANTE

Donde

Los pin tienenF= 2753.91 lb (del caso anterior)D pin = D agujero 1 / 16 = 0.38 1/16 = 0.3175 inA = (*D^2) / 4 = ( * (0.3175)^2) / 4 = 0.0792 in^2Esfuerzo cortante calculado

Esfuerzo cortante critico

Por lo tanto los pins tambin soportan fallas por cortantes y aplastamiento, ya que:

Esfuerzo calculado < esfuerzo critico17.39 ksi < 19.33 ksi

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Nuestro diseo propuesto es similar a los diseos de gato mecnico comunes en algunos aspectos, pero tambin ventajosa en otros. Similar a otros, nuestro diseo propuesto puede elevar de manera segura una carga de 10 toneladas a las alturas requeridas con relativa facilidad sobre el usuario. Similar a nuestro diseo, sin embargo, es la fabricacin de nuestro diseo, que es mucho ms simple. Dado que se utilizan slo formas C material a granel se puede comprar y utilizar de manera ms eficiente. Adems, se requiere menos de mecanizado ya que no hay mangas complejos para el tornillo de potencia. Se proponen adjuntos Slo simples que se pueden soldar. Por lo tanto, si se compara con diseos similares que realizan igual de bien un trabajo, nuestra propuesta de diseo se recomienda por su facilidad de fabricacin y menor costo.

Es obligacin de todo ingeniero conocer toda laReglamentacin vigente, relativa al proyecto del que seaResponsable.