UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS

ESPE-L

DEPARTAMENTO DE ENERGA Y MECNICA

INGENIERA AUTOMOTRIZ

PROYECTO FINAL

DISEO DE ELEMENTOS DE MAQUINAS

TEMA: DISEO DEL EJE DE RUEDA O EJE PRINCIPAL

CON PERFIL CUADRADO, DE UNA BOMBA PARA

FUMIGAR ACCIONADA POR TRACCIN ANIMAL

ALUMNO:

LOZADA PILCO JONATHAN SAMUEL

PROFESOR:

ING. FLIX JAVIER MANJARRS A.

FECHA:

MIRCOLES 04 DE MARZO DE 2015

2

1. SITUACIN INICIAL

Eje de rueda o eje principal redondo.

2. SITUACIN FINAL

Eje de rueda o eje principal cuadrado.

3. SOLUCIN

La solucin para llegar desde la situacin inicial a la final

sera un rediseo del eje de rueda o eje principal de la

carreta.

4. Ttulo del proyecto

Diseo del eje de rueda o eje principal con perfil cuadrado,

de una bomba para fumigar accionada por traccin animal.

5. OBJETIVOS

GENERAL:

Disear un eje de rueda con perfil cuadrado para dar

movimiento a una mquina de fumigar, accionada por traccin

animal.

ESPECFICOS:

Cambiar de seccin al eje rueda o principal de la bomba de

fumigar de traccin animal.

Comparar el diseo tanto del perfil cuadrado como del perfil

redondo, del eje rueda o peje principal.

Determinar cul es la mejor seccin para soportar la bomba

de fumigar, por medio de simulaciones en software.

6. DEFINICIN DEL PROBLEMA

En el mercado automotriz, existen dos tipos de ejes rueda o

ejes de plataforma; redondos y cuadrados, los cuales se pelean

por quienes son los mejores, y quienes prestan mejor desempeo

al momento de trabajar en el tracto camin.

3

Por lo cual se toma como referencia este pequeo eje rueda de

una carreta de una bomba de fumigar para determinar, cul es

el mejor perfil al momento de transportar cargas de un lugar

a otro. El ingeniero automotriz debe estar presto para resolver

estas inquietudes as como; saber cul es el perfil correcto

al momento de disear un eje rueda o eje de plataforma.

7. ESTADO DE LA CIENCIA

EJE DE TRASMISIN

Casi toda la maquinaria rotatoria est dotada de flechas de

transmisin o simplemente flechas, con el fin de transferir

movimiento y par de torsin rotatorios de un sitio a otro. Por

lo tanto, el diseador de mquinas tiene la tarea de disear

flechas. Este captulo explorara algunos de los problemas

comunes que se presentan en esta tarea.

Por lo general, una flecha transmite a la maquina por lo menos

un par de torsin proveniente de un dispositivo impulsor.

Algunas veces, las flechas servirn de soporte para engranes,

poleas o ruedas dentadas, mismas que transmiten un movimiento

rotatorio de una a otra flecha, va engranes, bandas o cadenas.

La flecha podra ser parte integral del impulsor, como la

flecha de un motor elctrico o el cigeal de un motor de

combustin internan

Definicin: elemento cilndrico de seccin circular que

trasmite un momento de giro y que puede llevar montados

distintos elementos mecnicos de trasmisin de potencia

(engranajes, poleas, volantes. Etc.)

rbol: Sometido a torsin trasmisin de potencia.

Eje: No est sometido a torsin, sin transmisin de potencia

Tipos de carga

Flexin Traccin /comprensin Torsin

4

Diseo de eje

Teoras de diseo

Pre dimensionamiento mediante estudio esttico Optimizacin mediante estudio dinmico

Calculo de un eje para resistencia a cargas estticas

Ejemplo: eje que trasmite potencia (TORSIN) sobre el que est

montada una rueda de dentado recto (FLEXIN)

Figura 1 Eje que transmite torsin y flexin

3

3

162

322

d

T

J

dT

d

M

I

dM

xy

X

X Tensin de flexin (esfuerzo normal segn la direccin x)

xyr = tensin de torsin (esfuerzo tangencial en el plano xy)

M = momento flector en la seccin critica

I = momento de inercia transversal del eje =64

4d

T = momento torsor en la seccin

J = momento de inercia polar del eje =32

4d

d = dimetro del eje

5

EJE RUEDA CUADRADO

Figura 2 Eje plataforma cuadrado

EJE RUEDA REDONDEO

Figura 3 Eje plataforma redondo

8. CASA DE LA CALIDAD

a. CONSIDERACIONES PARA LA DETERMINACIN DE LAS

ESPECIFICACIONES DEL EJE PRINCIPAL DE LA BOMBA DE FUMIGAR

IMPULSADO POR TRACCIN ANIMAL.

El diseo de un sistema de transmisin por engranaje recto

para reductor de velocidad a desarrollarse en el siguiente

proyecto, presentado como examen de unidad, tiene como

propsito satisfacer el requerimiento y la necesidad de

reducir la velocidad de un determinado motor.

b. CASA DE LA CALIDAD

Las especificaciones tcnicas del eje principal son

determinadas por medio de la casa de la calidad, que es

una herramienta del QFD (Quality Function Deployment)

cuyo fin principal luego de un anlisis por medio de una

serie de preguntas realizadas, es cubrir los deseos y

requerimientos del cliente o usuario en el producto; luego

de consolidar las ideas y criterios son traducidos por el

6

diseador o ingeniero, con requerimientos tcnicos, los

mismos que son tabulados y evaluados para determinar

aquellos de mayor importancia, con un sustento vlido,

que deje conforme al usuario pero con los factores de

diseo y seguridad adecuados.

I. VOZ DEL USUARIO

De acuerdo al criterio de los palmicultores encargados

de la fumigacin de la palma africana, el eje principal

debe contar con las siguientes caractersticas:

Capacidad de carga.

Mayor nmero de ciclos de operacin.

Tipo de materiales.

Nmero de puntos de apoyo.

Geometra del material.

II. VOZ DEL INGENIERO

Luego de conocer los requerimientos, todas las

caractersticas que desean el usuario y entender la

necesidad, se procede a traducirlos en especificaciones

o caractersticas tcnicas:

Resistente

Duradero

Bajo costo

Fcil operacin

III. RESULTADOS

La casa de la calidad Propuesta, fue elaborada segn

las necesidades del diseo que se elaboran de acuerdo

a los requerimientos y necesidades que pide el usuario.

7

Figura 4 Casa de la calidad

8

9. ESPECIFICACIONES TCNICAS

A partir de la informacin obtenida en la casa de la calidad

se procede a determinar las especificaciones tcnicas, las

mismas que se muestran a continuacin:

ESPECIFICACIONES

DEL PRODUCTO

PRODUCTO:

EJE PRINCIPAL ENTRE NIVELES

Concepto Propone R/D Descripcin

Funcin

I R

El eje principal podr ser

utilizado en cualquier tipo

superficie.

C+I R

El diseo contara con

simulaciones en software

para cada perfil.

I R Dispondr de un control

amigable para el usuario.

I R

El dispositivo poseer una

mxima capacidad en funcin

del peso del tanque para la

bomba de fumigar.

Dimensiones I R

El eje principal poseera

dimensiones de acuerdo al

tamao que posee la

estructura de la bomba de

fumigar.

Movimientos C+I R

La velocidad de transporte

debe ser baja (0,15m/s),

arrancar y parar suavemente.

Materiales I R

Para la construccin de este

eje principal se utilizara

materiales estructurales

como el acero A-36

Control I+C R El control del eje viene

dado por la traccin animal

10. ANLISIS FUNCIONAL

El propsito del anlisis funcional es separar la accin que

se efecta del componente o mecanismo, para de este modo buscar

nuevas soluciones, para ello es necesario establecer

claramente las funciones primarias y secundarias.

9

Las funciones primarias son aquellas por los que el usuario o

los usuarios compran el producto mientras que las funciones

secundarias son las que permiten que las funciones primarias

se ejecuten satisfactoriamente.

Establecidas las funciones secundarias se procede a plantear

soluciones idneas para desempear estas funciones, para luego

seleccionar aquellas ms convenientes. Estas funciones se

pueden agrupar para formar mdulos que sean capaces de cumplir

un conjunto de funciones.

La descomposicin funcional del producto se lleva a cabo

mediante diagramas de flujo en el que cada bloque aparece una

funcin que pueden tener tres tipos de entrada y salida:

control o seal, material, y energa.

10.1. Desarrollo de los diagramas funcionales

A continuacin se presentan los diagramas

funcionales:

EJE DE RUEDA O EJE PRINCIPAL CON PERFIL CUADRADO, DE UNA

BOMBA PARA FUMIGAR ACCIONADA POR TRACCIN ANIMAL

NIVEL 0

NIVEL 1

EJE PRINCIPAL

MOVER LA BOMBA

DE FUMIGAR

Acero

Traccin animal

Bomba de fumigar

en otro lugar

10

10.2. Anlisis de los Diagramas Funcionales

Para el presente proyecto se ha estimado desarrollar

el diagrama funcional hasta el nivel 1.

En el Nivel 0, es donde se presenta la funcin

global, que consiste en representar la tarea global

que debe realizar el producto que se va a disear y

se establece como una caja negra que relaciona los

flujos de entrada y de salida.

En el Nivel 1, se hace una presentacin ms precisa

por lo que hay que dividir la funcin global en

subfunciones o subtareas y a la vez, establecer las

relaciones de flujo entre estas subfunciones.

11. PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES A LOS MDULOS

Modulo Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3

Soportar

cargas

Asegurar

partes de

la

estructur

a

Traccin

animal

11

12. SELECCIN DE ALTERNATIVA

FACTOR DE PONDERACIN 0 1

CALIFICACIN 1(min) 10(Max)

12.1. Funcin de distraccin fsica

Bajo costo

Mayor nmero de ciclos de operacin.

Tipo de materiales.

Nmero de puntos de apoyo.

Geometra del material.

Capacidad de carga.

Fcil operacin.

Alternativas

Parmetros Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3

Bajo costo 0,2

7

0,2

8

0,2

6

Mayor nmero de

ciclos de

operacin.

0,1

7

0,1

7

0,1

7

Tipo de materiales. 0,2

5

0,2

6

0,2

5

Nmero de puntos de

apoyo.

0,1

9

0,1

8

0,1

7

Geometra del

material.

0,2

5

0,2

8

0,2

7

Capacidad de carga. 0,1

9

0,1

8

0,1

6

Fcil operacin 0,1

6

0,1

6

0,1

6

6,5 7,3 6,2

A partir de las caractersticas que se desea obtener del

diseo la alternativa 2 es la ms viable en condiciones de

seguridad para el usuario, fcil ensamblaje y confort.

12

13. MODELO CAD 3D y ANSYS

Figura 5 Modelo CAD 3d

Figura 6 Ansys eje cuadrado

Figura 7 Ansys eje redondo

13

14. ANLISIS DE RESULTADOS

14.1. STATIC STRUCTURAL

DEFORMACIN TOTAL

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

DEFORMACIN DIRECCIONAL (EJE X)

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

DEFORMACIN ELSTICA

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

14

TENSIN EQUIVALENTE DE VON-MISES

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

FACTOR DE SEGURIDAD

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

15

14.2. TRANSIENT

TOTAL DEFORMATION

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]

1,e-005

0,

5,8364e-007

2,e-005 2,7057e-006

3,e-005 6,6087e-006

4,e-005 1,1558e-005

5,e-005 1,6893e-005

6,e-005 2,285e-005

7,e-005 2,8254e-005

8,e-005 3,2854e-005

9,e-005 3,7566e-005

1,e-004 4,1983e-005

Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]

1,e-005

0,

1,1697e-006

2,e-005 5,7579e-006

3,e-005 1,4808e-005

4,e-005 2,7561e-005

5,e-005 4,4549e-005

6,e-005 6,5162e-005

7,e-005 9,0739e-005

8,e-005 1,2343e-004

9,e-005 1,5933e-004

1,e-004 1,9741e-004

16

DEFORMACIN DIRECCIONAL

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]

1,e-005 -2,679e-007 5,8265e-007

2,e-005 -1,1911e-006 2,6913e-006

3,e-005 -2,6085e-006 6,5675e-006

4,e-005 -3,825e-006 1,1495e-005

5,e-005 -5,0501e-006 1,6521e-005

6,e-005 -6,5377e-006 2,2e-005

7,e-005 -7,1177e-006 2,7193e-005

8,e-005 -6,5791e-006 3,215e-005

9,e-005 -4,864e-006 3,6434e-005

1,e-004 -2,0715e-006 3,9987e-005

Time [s] Minimum [ft] Maximum [ft]

1,e-005 -1,1697e-006 9,8471e-008

2,e-005 -5,7574e-006 4,9169e-007

3,e-005 -1,4808e-005 1,2289e-006

4,e-005 -2,7559e-005 2,3093e-006

5,e-005 -4,4548e-005 3,9359e-006

6,e-005 -6,5156e-005 6,3083e-006

7,e-005 -9,0733e-005 8,7632e-006

8,e-005 -1,2342e-004 1,0759e-005

9,e-005 -1,5932e-004 1,3305e-005

1,e-004 -1,9739e-004 1,6313e-005

17

DEFORMACIN ELSTICA

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

Time [s] Minimum [ft/ft] Maximum [ft/ft]

1,e-005 1,3943e-009 2,9341e-006

2,e-005 2,2739e-009 8,2322e-006

3,e-005 2,5599e-009 1,2146e-005

4,e-005 4,9842e-009 1,6994e-005

5,e-005 3,6158e-009 2,1095e-005

6,e-005 1,436e-008 2,143e-005

7,e-005 2,7397e-008 2,094e-005

8,e-005 2,4869e-008 2,1046e-005

9,e-005 2,8377e-008 2,149e-005

1,e-004 4,1853e-008 2,2088e-005

Time [s] Minimum [ft/ft] Maximum [ft/ft]

1,e-005 1,8016e-009 4,6351e-006

2,e-005 6,0666e-009 1,6376e-005

3,e-005 2,6273e-008 3,2179e-005

4,e-005 7,6625e-008 4,8659e-005

5,e-005 1,7471e-007 6,3745e-005

6,e-005 3,5062e-007 7,7297e-005

7,e-005 5,056e-007 8,6211e-005

8,e-005 5,6226e-007 9,2198e-005

9,e-005 5,8293e-007 1,2729e-004

1,e-004 6,2305e-007 1,6184e-004

18

TENSIN EQUIVALENTE DE VON-MISES

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

Time [s] Minimum [psf] Maximum [psf]

1,e-005 0,86909 12059

2,e-005 3,7317 34331

3,e-005 5,2197 50268

4,e-005 11,252 69345

5,e-005 11,606 87098

6,e-005 57,13 88057

7,e-005 113,15 81126

8,e-005 83,272 78697

9,e-005 62,822 76244

1,e-004 91,637 75419

Time [s] Minimum [psf] Maximum [psf]

1,e-005 2,3642 18796

2,e-005 14,438 66172

3,e-005 39,123 1,2885e+005

4,e-005 76,093 1,927e+005

5,e-005 152,86 2,5147e+005

6,e-005 288,6 3,0525e+005

7,e-005 457,21 3,4166e+005

8,e-005 481,32 3,641e+005

9,e-005 515,19 4,6448e+005

1,e-004 450,74 6,0829e+005

19

14.3. MODAL

TOTAL DEFORMATION

EJE PRINCIPAL REDONDO EJE PRINCIPAL CUADRADO

Mode Frequency [Hz]

1, 234,5

2, 234,51

3, 548,61

4, 549,75

5, 577,89

6, 579,99

Mode Frequency [Hz]

1, 260,02

2,

3, 396,08

4, 507,45

5, 514,26

6, 524,83

15. CONCLUSIONES

Para este ensayo se ha escogido un eje de transmisin de

una bomba de fumigar de la tesis adquirida, tomando las

mismas condiciones de longitud, y cambiando la seccin

del perfil, obteniendo resultados favorables para la

investigacin.

20

El tubo cuadrado tiene mayor deformacin total esttica

por lo que podra ser un peligro adicional al momento de

ser instalado en un sistema mecnico especfico.

El tubo redondo en las mismas condiciones que el tubo

cuadrado tiene un factor de seguridad de n=5,832, es mayor

que el factor de seguridad tubo cuadrado n=2,4031, por lo

tanto se recomienda para el diseo de ejes de rueda

utilizar tubo redondos, ya que tienen un factor de

seguridad mayor en cargas estticas.

Los ejes de rueda o plataforma, al estar su mayor con

carga muerta se hace esta consideracin esttica.

Cuando el eje de rueda redondo se encuentra a fatiga tiene

una mayor deformacin que el eje rueda cuadrado, debido

a su seccin y geometra.