DISEÑO DE UN ASISTENTE DE MANIPULACIÓN PARA EL MONTAJE DE ... · 5.1 Diagnóstico de la situación actual en la estación de montaje de estribos de ... Figura 20. Simbología de

Autor: Gonzalez Leonardo C.I. 22.509.393

Urb. Yuma II, Calle Nº 3, Municipio San Diego

Teléfono: (0241) 8714240 (Master) - Fax: (0241) 871239

DISEÑO DE UN ASISTENTE

DE MANIPULACIÓN PARA EL

MONTAJE DE ESTRIBOS DE

CAMIONES CARGO 816 EN LA

ENSAMBLADORA DE VEHICULOS

FORD MOTOR DE VENEZUELA S.A.

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD JOSÉ ANTONIO PÁEZ

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE MECÁNICA

DISEÑO DE UN ASISTENTE DE MANIPULACIÓN PARA EL MONT AJE

DE ESTRIBOS DE CAMIONES CARGO 816 EN LA ENSAMBLADOR A DE

VEHICULOS FORD MOTOR DE VENEZUELA S.A.

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de

INGENIERO MECÁNICO

EMPRESA: Ford Motor de Venezuela S.A,

Autor : Gonzalez D. Leonardo J. C.I. 22.509.393

Tutor : Ing. Pizzella P. Giovanni San Diego, Junio del 2015.





VEHICULOS FORD MOTOR DE VENEZUELA S.A.

CONSTANCIA DE ACEPTACIÓN

Ing. Pizzella P. Giovanni C.I.: V- 4.455.859 Tutor Académico

Ing. León H. José C.I.: V- 16.786.404 Tutor Empresarial

Autor : González D. Leonardo J.

C.I. 22.509.393 San Diego, Junio del 2015.



ACEPTACIÓN DEL TUTOR

Quien suscribe, Ingeniero Giovanni Pizzella portador de la cédula de identidad N°

4.455.859, en mi carácter de tutor del trabajo de grado presentado por el ciudadano,

Leonardo Gonzalez portador de la cédula de identidad N° V-22.509.393, titulado



VEHICULOS FORD MOTOR DE VENEZUELA S.A. Presentado como requisito

parcial para optar al título de Ingeniero, considero que dicho trabajo reúne los

requisitos y méritos suficientes para ser sometido a la presentación pública y

evaluación por parte del jurado examinador que se designe.

En San Diego, mes de Junio del año dos mil quince. .

___________________________

Ing. Giovanni Pizzella C.I.: 4.455.859

AGRADECIMIENTOS

Primeramente a Dios, por darme la oportunidad de seguir superándome

integralmente como persona.

A mis padres José Gonzalez y Zuleima Damas, por apoyarme en todo momento.

A mi hermana Zuleidy Gonzalez, por toda su ayuda y apoyo.

A mi tutor académico Giovanni Pizzella, por ser un excelente profesor, por su

ayuda y por guiarme en la realización de este proyecto.

A mi tutor empresarial José León, por darme la oportunidad de realizar mis

pasantías en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A.

A mis compañeros de labores en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A.;

Argenis Ceballos, José León, Walner Fuenmayor, Gabriel Kanahan, Néstor

Polo, Emeterio Morle, Joel Torres, Octavio Figueredo, Carlos Peña, Elsy

Contreras y Nelcis Arrieche, por ayudarme, aconsejarme y apoyarme a lo largo de

mis pasantías en la empresa.

A todos mis compañeros de la Universidad José Antonio Páez.

Y a todas aquellas personas que de una u otra forma sirvieron de apoyo y ayuda

en mi carrera como estudiante.

DEDICATORIA

A Nuestro Padre Dios Todopoderoso.

A mi Madre Zuleima, fuente inagotable de amor, cariño y sabiduría.

A mi Padre José, con tu fuerza inquebrantable y voluntad de acero me enseñas el

camino correcto. Pilar fundamental y modelo excepcional te dedico este logro; que es

incluso más tuyo que mío

A mis hermana Zuleidy, por apoyarme en todo momento.

vii

ÍNDICE GENERAL.

CONTENIDO pp.

LISTA DE FIGURAS……………..………………………...…………………….. xi

LISTA DE TABLAS……………..………………….………….………………….xi

RESUMEN……………………………………………………………………...….xiv

INTRODUCCION………………………………………………...……..…………..1

CAPÍTULO I ............................................................................................................... 4

LA EMPRESA ............................................................................................................. 4

1.1 Descripción de la empresa ...................................................................................... 4

1.2 Reseña Histórica...................................................................................................... 4

1.3 Mercado................................................................................................................... 7

1.4 Misión ..................................................................................................................... 8

1.5 Visión ...................................................................................................................... 8

1.6 Objetivos ................................................................................................................. 8

1.7 Valores .................................................................................................................... 9

1.8 Políticas ................................................................................................................... 9

1.9 Estructura organizacional de la empresa ............................................................... 12

1.10 Descripción del departamento ............................................................................. 12

1.11 Misión del Departamento Vehicule Operation Manufacturing Engineer (VOME)

..................................................................................................................................... 13

1.12 Estructura organizacional del departamento ....................................................... 13

1.13 Actividades a desarrollar durante el periodo de pasantías .................................. 14

CAPÍTULO II ........................................................................................................... 16

EL PROBLEMA ....................................................................................................... 16

viii

2.1 Planteamiento del Problema .................................................................................. 16

2.2 Formulación del Problema .................................................................................... 19

2.3 Objetivo General ................................................................................................... 19

2.4 Objetivos Específico ............................................................................................. 19

2.5 Justificación de la Investigación ........................................................................... 20

2.6 Alcance .................................................................................................................. 20

2.7 Limitaciones .......................................................................................................... 21

CAPÍTULO III .......................................................................................................... 22

MARCO REFERENCIAL CONCEPTUAL .......................................................... 22

3.1 Antecedentes ......................................................................................................... 22

3.2 Bases Teóricas ....................................................................................................... 26

3.2.1 Camiones ........................................................................................................ 26

3.2.2 Estribos de vehículos ..................................................................................... 28

3.2.3 Manipuladores de carga neumáticos .............................................................. 29

3.3.3 Estructura de los manipuladores .................................................................... 29

3.3.4 Tipos de articulaciones ................................................................................... 30

3.3.5 Coordenadas de los movimientos................................................................... 32

3.3.5.1 Configuración cartesiana ......................................................................... 32

3.3.5.2 Configuración Cilíndrica ......................................................................... 33

3.3.5.3 Configuración polar ................................................................................ 33

3.3.5.4 Configuración angular ............................................................................. 34

3.3.6 Neumática ...................................................................................................... 34

3.3.6.1 Generación de aire comprimido .......................................................... 35

3.3.6.2 Actuadores............................................................................................... 37

3.3.6.3 Accesorios para actuadores neumáticos .................................................. 39

3.3.6.4 Control del aire comprimido ............................................................... 40

3.3.7 Balancín neumático ........................................................................................ 44

ix

3.3.7.1 Principio de funcionamiento ............................................................... 45

3.3.7.2 Equilibrio de carga .............................................................................. 46

3.3.8 Esquemas neumáticos .................................................................................... 47

3.3.9 Consideraciones de diseño ............................................................................. 48

3.3.9.1 Factores de diseño. .................................................................................. 48

3.3.9.2 Normas y códigos .................................................................................... 49

3.3.9.3 Factor de Seguridad................................................................................. 51

3.3.9.4 Esfuerzos ................................................................................................. 52

3.3.9.5 Análisis de piezas largas sometidas a compresión. ................................. 63

3.3.10 Soldadura a tope. .......................................................................................... 69

3.3.11 Centro de gravedad y centroide............................................................... 71

CAPÍTULO IV .......................................................................................................... 75

FASES METODOLOGICA ..................................................................................... 75

CAPÍTULO V ............................................................................................................ 78

RESULTADOS .......................................................................................................... 78

5.1 Diagnóstico de la situación actual en la estación de montaje de estribos de

camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A. ........................... 78

5.2 Revisar las posibles variables a modificar en la estación de montaje de estribos de

camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A. ........................... 80

5.2.1 Criterios para el diseño de posibles soluciones .............................................. 81

5.2.1.1 Constantes en el proceso ......................................................................... 81

5.2.1.2 Función principal de la solución ............................................................. 82

5.2.2 Propuestas de soluciones ................................................................................ 82

5.2.2.1 Propuestas de soluciones para el montaje de estribos en los camiones

cargo 816 ............................................................................................................. 82

5.2.3 Criterios de evaluación y escogencia de la propuesta .................................... 88

x

5.2.3.1 Lista de criterios y restricciones para base de sensores. ......................... 88

5.3 Diseño de un asistente de manipulación para el montaje de estribos en los

camiones cargos 816 que cumpla con los estándares de ergonomía y seguridad ....... 93

5.3.1 Selección del actuador neumático .................................................................. 94

5.3.2 Red de control neumático............................................................................. 103

5.3.4 Análisis mecánico de los elementos estructurales del asistente de

manipulación de estribos. ...................................................................................... 107

5.4 Factibilidad técnica y económica del Proyecto Propuesto .................................. 123

5.4.1 Factibilidad técnica ...................................................................................... 123

5.4.2 Factibilidad económica ................................................................................ 124

CONCLUSIONES ................................................................................................... 127

RECOMENDACIONES ......................................................................................... 129

BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 130

APÉNDICE A .......................................................................................................... 134

APÉNDICE B .......................................................................................................... 135

APÉNDICE C .......................................................................................................... 136

APÉNDICE D .......................................................................................................... 137

APÉNDICE E .......................................................................................................... 138

APÉNDICE F .......................................................................................................... 130

APÉNDICE G .......................................................................................................... 131

ANEXO A ................................................................................................................ 143

ANEXO B ................................................................................................................ 134

xi

LISTADO DE FIGURAS

CONTENIDO

FIGURA Pp.

Figura 1. Estructura organizativa de Ford Motor de Venezuela ................................ 12

Figura 2. Estructura organizativa del departamento de manufactura......................... 14

Figura 3. Camión plataforma Cargo 1721 ................................................................. 27

Figura 4. Camión de caja abierta Cargo 816 .............................................................. 27

Figura 5. Camión caja cerrada Midlum 220 .............................................................. 28

Figura 6. Camión isotermo ........................................................................................ 28

Figura 7. Estribo de cargo 816 ................................................................................... 28

Figura 8. Cadena cinemática abierta .......................................................................... 30

Figura 9. Tipos de articulaciones ............................................................................... 31

Figura 10. Configuración Cartesiana ......................................................................... 32

Figura 11. Configuración cilíndrica ........................................................................... 33

Figura 12. Configuración polar .................................................................................. 34

Figura 13. Configuración angular .............................................................................. 34

Figura 14. Ilustración del proceso de compresión en compresor de pistón con

ejecución de válvulas de disco de acero inoxidable .................................................... 36

Figura 15. Esquema de un moderno compresor centrífugo de alta velocidad con

accionamiento directo ................................................................................................. 37

Figura 16. Corte de una válvula 5/2 vías de accionamiento neumático ..................... 41

Figura 17. Simbología de las posiciones de una válvula neumática .......................... 41

Figura 18. Simbología de las vías de una válvula neumática .................................... 41

xii

Figura 19. Simbología de apertura y cierre para una válvula .................................... 42

Figura 20. Simbología de las diferentes válvulas neumáticas ................................... 43

Figura 21. Simbología de los diferentes tipos de accionamientos de una válvula ..... 44

Figura 22. Balancín neumático .................................................................................. 45

Figura 23. Partes de un balancín neumático .............................................................. 46

Figura 24. Equilibrio de carga en un balancín neumático.......................................... 47

Figura 25. Codificación de elementos y equipos en un esquema neumático ............. 48

Figura 26. (a) Paralelepípedo sometido a un momento flector MF puro; (b)

paralelepípedo afectado por el momento flector y (c) ampliación de un corte en el

medio del paralelepípedo ............................................................................................ 54

Figura 27. Eje o árbol sometido a la acción de tensiones de corte, de compresión y de

tracción simultáneamente. ........................................................................................... 56

Figura 28. Volumen Elemental de una pieza cualquiera, sometida a un estado

bidimensional de tensiones, (b) análisis de cuerpo libre del mismo Volumen

Elemental..................................................................................................................... 58

Figura 29. Diagrama del círculo de Mohr .................................................................. 59

Figura 30. Construcción del Círculo de Mohr “resultante”, para un elemento de

máquina sometido a un estado tridimensional de tensiones........................................ 60

Figura 31. Elementos de Máquina de igual sección transversal, e idénticos sistemas

de carga; difieren únicamente en cuanto a las correspondientes longitudes. .............. 64

Figura 32. Representación de un elemento de máquina largo, con un extremo libre de

girar, y el otro guiado, sometido a compresión, o ambos libres de girar sometido a una

carga axial F de compresión (la deformación del elemento ha sido magnificada). .... 65

Figura 33. Elemento de Máquina, con un extremo empotrado y el otro libre,

sometido a una carga axial F de compresión. ............................................................. 66

Figura 34. Representación de elementos de máquina largos, sometidos a la carga

axial de compresión de compresión F; (a) elemento con ambos extremos

empotrados; (b) elemento con un extremo empotrado y el otro guiado. .................... 67

xiii

Figura 35. Representación gráfica de los criterios de Euler y de Johnson ................. 69

Figura 36. Soldaduras a Tope, sometidas a tracción o compresión: (a) tope con

extremos rectos; (b) bisel a 60º; (c) doble bisel a 60º; (d) bisel simple a 45º. ............ 70

Figura 37. Soldadura a tope, de dos láminas de distinto espesor, sometidas a tracción

(ESP. >Esp.) ................................................................................................................ 71

Figura 38. Centro de masa ......................................................................................... 72

Figura 39. Centroide .................................................................................................. 74

Figura 40. (a) Estribos Izquierdo Montado en el rack; (b) Estribos Derecho Montado

en el rack. .................................................................................................................... 79

Figura 41. (a) Momento en que los operarios han recogido el estribo del rack y se

preparan a montarlo; (b) Momento en que los operarios empiezan a cuadrar el estribó

para su posterior ajuste ................................................................................................ 80

Figura 42. (a) Momento en que los operarios se encuentran colocando los pernos

para su posterior ajuste; (b) Momento en que los operarios empiezan a ajustar los

pernos con una pistola neumática ............................................................................... 80

Figura 43. Estribo izquierdo de camión cargo 816. ................................................... 81

Figura 44. Secuencia de la propuesta 1 ...................................................................... 83

Figura 45. Asistente de manipulación de estribo de camiones cargo 816 (PS2) ....... 84

Figura 46. Agarre del estribo por la PS2 .................................................................... 85

Figura 47. Asistente de manipulación de estribo de camiones cargo 816 (PS3) ....... 86

Figura 48. Agarre del estribo por la PS3 .................................................................... 87

Figura 49. Diagrama de cuerpo libre de las pinzas sujetando el peso ....................... 96

Figura 50. Búsqueda de los posibles actuadores neumáticos en la matriz de

inventario de almacén ................................................................................................. 98

Figura 51. Punto de agarre ......................................................................................... 99

Figura 52. Diagrama de flujo para el montaje de estribo en los camiones cargo 816.

................................................................................................................................... 104

xiv

Figura 53. Diagrama de movimiento para la pinza neumático MHL2-40D, balancín

neumático KBC150-070............................................................................................ 105

Figura 54. Control y accionamiento neumático del manipulador de estribos de

camiones cargo 816 ................................................................................................... 106

Figura 55. Diagrama de cuerpo libre de la estructura del manipulador de estribos . 108

Figura 56. Diagrama de cuerpo libre de las ruedas del trolley ................................ 109

Figura 57. Fuerzas aplicada a la estructura del asistente de manipulación de estribos

................................................................................................................................... 112

Figura 58. Interacción de los esfuerzo en la sección transversal de la estructura .... 115

Figura 59. Calculo del esfuerzo de corte resultante ................................................. 116

Figura 60. Simulación de fuerzas aplicada a la estructura principal del manipulador.

................................................................................................................................... 117

Figura 61. Análisis de fuerzas y obtención de factor de seguridad, realizado mediante

el software Autodesk Inventor 2014 ......................................................................... 118

Figura 62. Manubrio del asistente de manipulación de estribo................................ 119

Figura 63. Barra 1 del Manubrio .............................................................................. 119

Figura 64. Barra 2 del manubrio .............................................................................. 121

Figura 65. Soldadura en tubos circulares. ................................................................ 123

xv

LISTADO DE TABLAS

CONTENIDO

TABLA

Pp.

Tabla 1: Factores de Seguridad .................................................................................. 52

Tabla 2: Aplicación de restricciones .......................................................................... 89

Tabla 3: Ponderación de criterios .............................................................................. 89

Tabla 4: Ponderación de soluciones con respecto a criterio C1 ................................. 90






Tabla 10: Ponderación de soluciones con respecto a criterio C7 ............................... 92

Tabla 11: Ponderación de soluciones con respecto a criterio C8 ............................... 92

Tabla 12: Ponderación final de criterios .................................................................... 93

Tabla 13: Información en el almacén del actuador neumático. ................................. 98

xvi


FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA



VEHICULOS FORD MOTOR DE VENEZUELA

Autor : Leonardo González

Tutor : Ing. Giovanni Pizzella

Fecha: Junio, 2015

RESUMEN

El presente informe se enfoca en el diseño de un asistente de manipulación para el montaje de estribos de camiones cargo 816 que se adapte a los estándares de ergonomía y seguridad en la ensambladora de vehículos Ford Motors de Venezuela con la finalidad de reducir el riesgo de lesiones en los trabajadores. Metodológicamente es un tipo de proyecto factible donde se desarrolló una propuesta para solucionar un problema en la empresa. Se diseñan, calculan y seleccionan los diferentes elementos que intervienen en el funcionamiento del manipulador.

Descriptores: Diseño, Investigación, Manipuladores neumáticos, estribos.

INTRODUCCIÓN

Ford Motor Venezuela es una empresa ensambladora de vehículos automotores, en

la cual son ensamblados modelos de Carros, Camionetas, Pick-Ups y Camiones tales

como el Fiestas, Ecosport, Explorer, F-250, F-250; Doble Cabina, F-350, Cargo 815 y

Cargo 1721. Debido a la continua integración de nuevos vehículos al mercado

suscitan contrariedades que afectan la política de seguridad y salud de la

ensambladora de vehículos. Tales efectos, se deben a que cada día existen procesos

de mayor magnitud y exigencia que perturban de manera significativa la planta.

Dentro de la línea final de camiones, se ha presentado una situación en el montaje de

los estribos a los nuevos modelos de los camiones cargo 816 debido al enorme peso y

su gran tamaño, siendo esto el motivo para el desarrollo de este proyecto de

investigación. Para el desarrollo de la investigación se obtendrá la información

directamente de la organización, datos de vital importancia para el éxito en la toma de

decisiones, que permitirá el cumplimento de los objetivos organizacionales de la

empresa, repercutiendo esto en el crecimiento tanto de la misma como del talento

humano que la conforma.

Este trabajo está conformado de la manera siguiente:

Capítulo I: La Empresa. Se describe la empresa indicando su reseña histórica, su

estructura organizacional, las actividades económicas, el mercado, así como también

su misión, visión, objetivos, valores y políticas.

Capítulo II: El Problema. Se expone con claridad la identificación del

planteamiento, formulación, objetivos generales y específicos del problema, así como

su justificación, alcance y limitaciones del estudio.

Capítulo III: Marco Referencial Conceptual. Se expone los antecedentes, bases

teóricas y legales.

2

Capítulo IV: Fases metodológicas. En él se justifica la metodología empleada por la

investigación, también se definen las técnicas básicas de recolección de datos

aplicados para la realización de este informe y se hace un preámbulo de las fases de la

investigación.

Capítulo V: Resultados. Se exponen una serie de soluciones propuestas, se presenta

la metodología realizada para elegir la mejor de ellas y se muestran los resultados que

se obtuvieron a lo largo de la realización de este proyecto.

3

4

CAPÍTULO I

LA EMPRESA

1.1 Descripción de la empresa

Ford Motor Company es una empresa global ensambladora de vehículos

automotores. Cuenta con plantas de fabricación de automóviles en Estados Unidos,

Argentina, Australia, Brasil, Canadá, México, Sudáfrica, Taiwán, Unión Europea y

Venezuela, y está asociada con las siguientes compañías automotrices: Mazda, de

Japón; Kia, de Corea; Aston Martin y Jaguar, ambas de Gran Bretaña.

La Planta Ford Motors de Venezuela S.A., Se encuentra ubicada en la Zona

Industrial Sur de Valencia, Av. Henry Ford del Estado Carabobo, Venezuela. Ocupa

una superficie de 416.234m2 con una capacidad instalada de 300 vehículos por día, en

un solo turno de producción; para ello, la empresa cuenta con más de 2000

trabajadores.

Actualmente son ensamblados en esta planta modelos de Carros, Camionetas,

Pick-Ups y Camiones tales como el Fiestas, Ecosport, Explorer, F-250, F-250, Doble

Cabina; F-350, Cargo 815 y Cargo 1721, utilizando para su elaboración materia

prima de alta calidad y sometidos a constantes y rigurosos procesos de verificación de

calidad; todo esto sumado a un sistema de higiene, ergonomía, ambiente y seguridad,

garantizando así la excelencia de sus productos en el mercado nacional.

1.2 Reseña Histórica

Ford Motor Company nace el 16 de junio de 1903, cuando Henry Ford y once

socios suscribieron la empresa con un capital de apenas 28 mil dólares. Hoy, casi

Centenaria, reporta ventas por el orden de los 128,4 millardos de dólares. Ford es

quizá la empresa Norteamericana cuyo símbolo es el más fácil de reconocer. De

5

hecho, es la segunda corporación industrial del mundo y los autos y camiones con el

óvalo se venden en 200 países y territorios, acumulando el 13% del mercado global.

6

Entre los primeros modelos desarrollados por Ford, uno de los más memorables es

el Modelo T, que nació en 1908 y comenzó a venderse en Venezuela en 1911. Su

evolución de 19 años, durante los cuales se vendieron más de 15 millones de

unidades, simboliza el desarrollo de la joven compañía que había iniciado una

revolución urbana con sus vehículos, así como otra revolución industrial al incorporar

la línea de ensamblaje al proceso de producción.

Entre los años de 1920 y 1930 Ford incrementa la capacidad de producción y lanza

el Modelo A, con variedad de carrocerías y colores; Pero su mayor éxito, en los años

prebélicos (1932), fue el vaciado de un motor V-8 en una sola pieza. Lo que los

expertos consideraban en imposible y que a la competencia tomó años en igualar, se

convirtió en una confiable realidad para quienes se deleitaban con la performance de

un vehículo.

En la Segunda Guerra Mundial también demostró los recursos industriales de

Ford. En menos de tres años, su contribución al esfuerzo bélico Norteamericano se

materializó en 8.600 bombarderos B-24, 57.000 motores para aviones, más de

250.000 jeeps, tanques, destructores de tanques y otras piezas de máquinas de guerra.

Finalizada la contienda, la empresa se embarcó en un proceso de reestructuración y

expansión, cuyos frutos más notables fueron el lanzamiento del Thunderbird en 1954

y del Mustang en 1964, así como el establecimiento de nuevas plantas de fabricación

de piezas y de ensamblaje fuera de los Estados Unidos. Es así como el 27 de octubre

de 1962 se inauguró la Planta de Ensamblaje de Ford Motor de Venezuela, en la Zona

Industrial de Valencia. Fue la culminación de una relación que llevaba más de medio

siglo, a través de una red de distribuidores que importaba autos y camiones desde los

Estados Unidos y los vendía en todo el territorio nacional. El primer carro que salió

de la línea de montaje fue un Ford Falcón.

7

En 1995, la planta de Valencia conquistó la distinción Q-1, con la que Ford

certifica que sus operaciones cumplen con los mismos requisitos de seguridad,

calidad, prontitud y respeto al ambiente exigidos en las mejores plantas del mundo.

Otra validación, de acuerdo con normativas independientes de aceptación universal,

ocurrió en 1996 con el otorgamiento de la Certificación Covenin-ISO 9002 y ha sido

re-certificada por ISO14000 por la protección al medio ambiente.

El reconocimiento de esa calidad por parte del consumidor le ha concedido a Ford

el segundo lugar en ventas en Venezuela. Sus autos y camiones llegan al consumidor

a través de su red de 63 concesionarios, con total respaldo de servicio y repuestos.

1.3 Mercado

Como fue indicado anteriormente la planta actualmente se divide en cuatro

grandes ramos de producción que son: Carros, Camionetas, Pick-Ups y Camiones; de

los cuales se deriva los siguientes portafolios de productos para el mercado de

consumidores:

Carros

- Fiesta: SE, Titanium.

- Ecosport: Titanium M/T, Titanium A/T y Freestyle 4WD.

Camionetas

- Explorer: XLT 4X2, XLT 4X4 y Limited 4X4.

Pick-Ups

- F-250: XL 4X2 y XLT 4X4.

- F-250 Doble Cabina: F-250 DC Lariat 4X4.

- F-350: 4X2 MT y 4X4 MT.

Camiones

- Cargo 815 y 816: Chasis corto y Chasis largo.

- Cargo 1721: Chasis corto y Chasis largo.

8

1.4 Misión

Ser la compañía líder mundial en producción y servicios automotores, orientada

hacia el consumidor, mediante un sistema común de producción simplificado, flexible

y disciplinado, definido por un conjunto de principios y procesos, que emplee grupos

de personas capaces y facultados que aprenda y trabaje en conjunto de manera segura,

en la producción y entrega de productos que consistentemente excedan las

expectativas de los clientes en calidad, costo y tiempo, donde la calidad es lo primero;

los clientes son la razón de hacer de todos los actos y el mejoramiento continuo

esencial para el éxito.

1.5 Visión

La organización Ford Motor Company es una familia global diversa, con una

tradición de la cual están orgullosos, comprometidos con pasión a ofrecer productos y

servicios excepcionales que mejoren la calidad de vida de las personas.

1.6 Objetivos

- Ensamblar autos de excelente calidad, tomando en cuenta la productividad,

competitividad y rentabilidad; además de establecer y aplicar políticas y

normas de calidad que permitan brindar a sus clientes tanto internos como

externos un óptimo servicio, asegurándose que el mismo satisfaga totalmente

sus necesidades y requerimientos en un mínimo de tiempo y con calidad.

- Ofrecer a los empleados un crecimiento personal, logros de adiestramiento y

participación en el proceso de toma de decisiones, capacitando y motivando

al personal a trabajar en equipo y permitiéndole oportunidades de desarrollo

basándose en los valores más altos de conducta y ética profesional.

- Satisfacer con éxito las necesidades de su cliente ensamblando a una óptima

calidad bajo un control que se rige por las exigencias competitivas del

mercado, asegurando el crecimiento y viabilidad de nuestra empresa.

9

1.7 Valores

- El cliente es la máxima prioridad. Se hace lo que sea correcto para los

clientes, la gente, el ambiente y la sociedad. Mejorando todo lo que se hace,

proporciona retornos superiores a los accionistas.

- El negocio está impulsado por el enfoque hacia el consumidor, la creatividad,

la efectividad y un espíritu emprendedor.

- Ford Motor Company conforma un gran equipo. Se respeta y valora la

contribución de cada uno de los trabajadores.

- La integridad de la empresa nunca se compromete y realiza una contribución

positiva a la sociedad.

- Constantemente se esfuerza para mejorar todo lo que hace.

- Guiados por estos valores, proporciona retornos superiores a nuestros

accionistas.

1.8 Políticas

Política ambiental

Ford Motor de Venezuela, S.A., empresa dedicada al ensamblaje de Vehículos y

distribución de partes y accesorios, está comprometida a:

- Cumplir y superar los requerimientos legales ambientales del país y otros

requisitos corporativos.

- Minimizar la contaminación.

- Reducir los impactos adversos al ambiente.

- Mejorar continuamente en el desempeño ambiental mediante el

establecimiento y revisión de objetivos y metas ambientales.

La política ambiental de Ford Motor de Venezuela S.A., empresa dedicada al

ensamblaje de vehículos, es ser una organización con un alto sentido de

responsabilidad en la protección del medio ambiente. Ford Motor de Venezuela S.A.

está comprometida a cumplir con la política corporativa No. 17 de Ford Motor

Company, incluyendo el compromiso a cumplir, y cuando sea posible, superar los

10

requerimientos legales ambientales del país al igual que otros requisitos corporativos,

a la reducción y seguimiento en la generación de desechos, minimización de la

contaminación y a la reducción de impactos adversos al ambiente.

Ford Motor de Venezuela S.A. está comprometida a la mejora continua de su

desempeño ambiental mediante el establecimiento de objetivos ambientales que serán

periódicamente revisados con el fin de alcanzar la visión y los lineamientos

ambientales de nuestra planta, tomando en cuenta los objetivos del negocio, los

puntos de vista de los empleados y de la comunidad en general.

Esta política ambiental cubre todas las actividades de Ford Motor de Venezuela

S.A. directa o indirectamente relacionadas con el ensamblaje de vehículos y

distribución de partes y accesorios. Estamos comprometidos a gerenciar nuestras

operaciones, procesos, materiales, y personal para reducir el impacto al ambiente de

nuestras actividades. Nuestro Sistema de Gestión Ambiental identificará y manejará

aspectos ambientales significativos, con especial énfasis en:

- Tratamiento y control de descarga de aguas industriales de desecho para

ayudar en el saneamiento del Lago de Valencia.

- Control de efluentes sanitarios.

- Reducción, reúso, y reciclaje de desechos y material de empaque, como

también su seguimiento hasta la disposición final.

- Uso eficiente de la energía.

- Control de las emisiones atmosféricas.

- Conservación de recursos naturales.

Política de Calidad

En Ford Motor de Venezuela, empresa dedicada al ensamblaje de vehículos y

distribución de partes y accesorios; estamos comprometidos en lograr la satisfacción

total de nuestros clientes superando sus expectativas al menor costo, a través del

mejoramiento continuo de nuestros procesos, productos, servicios y sistema de

gestión de calidad

11

Política de Salud y Seguridad

Ford Andina mantiene como política de Salud y Seguridad su firme compromiso

en establecer y mantener un ambiente de trabajo seguro y saludable para todos sus

trabajadores. La protección de la salud y seguridad de nuestros trabajadores, es el

elemento fundamental de las decisiones de la empresa. Por lo tanto, su política en

materia de Salud, Seguridad y Ambiente es:

- Promover la mejora continua de los indicadores de Salud, Seguridad y

Ambiente de todos los trabajadores, mediante la continua aplicación de

programas efectivos de prevención y comunicación.

- Alcanzar la meta de cero lesiones a personas y cero daños al ambiente,

equipos, material y/o propiedades de la compañía, a través del fomento de

prácticas y/o condiciones seguras de manera continua.

- Asegurar el orden, la limpieza, el mantenimiento y la organización en todos

los lugares de la planta de ensamblaje y de la empresa en general.

- Cumplir con todas las regulaciones gubernamentales y corporativas en materia

de Salud, Seguridad y Ambiente.

- Desarrollar e implementar programas de entrenamiento a todo el personal para

reforzar sus conocimientos y competencias en materia de Salud, Seguridad y

Ambiente.

- Desarrollar programas de promoción de la seguridad y salud en el trabajo, de

prevención de accidentes y enfermedades ocupacionales, de recreación,

utilización del tiempo libre, descanso y turismo social.

Todos los trabajadores tienen que ser responsables de implementar efectivamente

esta política y requiere que la conducta de cada trabajador fomente las acciones y

condiciones seguras. También tienen la responsabilidad de alertar al supervisor

inmediato, representante sindical o delegado de prevención apropiado, sobre

cualquier práctica o condición que no esté alineada con esta política.

12

Los miembros de la gerencia, con su total compromiso en materia de salud y

seguridad, tienen un rol de liderazgo activo para asegurar que esta política se

convierta en una parte integral del trabajo diario, en cada tarea ejecutada y en la

mejora continua de la protección de nuestros trabajadores.

1.9 Estructura organizacional de la empresa

La estructura organizativa, orientada al compromiso de suministrar en forma

permanente, productos que satisfagan las necesidades de los consumidores, mediante

el mejoramiento continuo de la calidad en todos los aspectos asegurando la

permanencia de la empresa y contribuyendo al mejoramiento de la calidad de vida.

Figura 1. Estructura organizativa de Ford Motor de Venezuela

Fuente: Dirección de operaciones de planta, (2013).

1.10 Descripción del departamento

El Departamento de Vehicule Operation Manufacturing Engineer (VOME), es el

área encargada de planificar y ejecutar la incorporación de nuevos equipos,

herramientas y facilidades, adaptación de procesos requeridos en planta, para

ensamblar nuevos modelos de vehículo bajo los estándares de calidad y aceptación de

13

acuerdo al Vehicle Operations Structures Standards (VOSS), así como mejorar la

infraestructura de la organización.

En VOME, se realizan constantes estudios del proceso en general, para la

elaboración de proyectos de mejora de cada uno de los procesos, haciéndolos más

eficientes y siempre buscando mejorar las condiciones de trabajo para los operarios a

través de estudios ergonómicos continuos de los puestos de trabajo.

1.11 Misión del Departamento Vehicule Operation Manufacturing Engineer

(VOME)

Proporcionar un excelente servicio que satisfaga las necesidades de clientes

mediante un equipo de personas proactivas que mejoren constantemente los

procedimientos y controles a fin de adaptarlos a los nuevos requerimiento.

1.12 Estructura organizacional del departamento

El departamento de Vehicule Operation Manufacturing Engineer está conformado

por un Director de Operaciones de Planta, el Superintendente de VOME, Los

Coordinadores de Manufactura de las distintas áreas de planta, Los Ingenieros de

Manufactura, el Ingeniero dimensional, el Ingeniero de Procesos, los Ingenieros de

FordLand, los Auditores, el Especialista, el Líder de Manufactura, los Mecánicos, los

Soldadores y los pasantes. Su finalidad es la de planear y ejecutar la incorporación de

nuevos equipos, herramientas y facilidades, aparte de evaluar, analizar, cuantificar y

medir el impacto de los cambios generados por la implementación de los nuevos

modelos, con el propósito de garantizar la eficiencia de los recursos y en paralelo

implementar procesos seguros, confiables, mantenibles que a su vez garanticen la

calidad del producto final.

14

Figura 2. Estructura organizativa del departamento de manufactura

Fuente: Dirección de operaciones de planta, (2013).

1.13 Actividades a desarrollar durante el periodo de pasantías

Dentro del departamento de Vehicule Operation Manufacturing Engineer, VOME;

se desarrolló una serie de actividades realizadas por el pasante tales como:

- Registro en el inventario de almacén de las piezas críticas de los equipos

instalados en planta.

- Check List de mantenimiento de los equipos instalados en planta.

- Certificado de ingreso de los equipos instalados en planta.

- Levantamiento en Autodesk Autocad de Layout de ciertas áreas de la planta.

- Levantamiento de la información del proceso de montaje de estribos en los

camiones Cargo 816.

15

- Realización de Croquis de la estación de montaje de estribos del Cargo 816.

- Estudio de los estándares de ergonomía y seguridad VOSS.

- Generación y análisis de soluciones al problema estación de montaje de estribos

del Cargo 816

- Estudio económico del diseño y verificación de la factibilidad.

- Presentación de la propuesta de modificaciones en la estación y del

manipulador de estribos de cargo 816.

- Asistencia a las caminatas Ambientales y de Seguridad.

- Participación en el Voluntariado de Ford Motors de Venezuela S.A.

- Apoyo en todas las tareas que se pudieran presentar en el departamento.

- Cumplimiento del calendario.

16

CAPÍTULO II

EL PROBLEMA

En este capítulo, el objetivo está centrado en explicar detalladamente la situación

actual del proceso de colocación de estribos en los camiones Cargo 816 en la

ensambladora de Vehículos Ford Motors de Venezuela. Según Arias (1999) “consiste

en describir de manera amplia la situación objeto de estudio, ubicándola en un

contexto que permita comprender su origen y relaciones” (p 09).

2.1 Planteamiento del Problema

Dentro de las diferentes formas de transporte que existen, el vehículo es uno de los

más utilizados ya que permite realizar traslados de un lugar a otro, tanto de personas

como otros tipos de carga. Por ello, las ensambladoras de vehículos, las cuales

tienden a competir por ser líderes en el mercado; día a día se preocupa por aplicar

principios de calidad, mejoramiento continuo, eficiencia y eficacia en cada uno de los

procesos y productos.

Para atender esta realidad, En todas las Ensambladoras de Vehículos, se debe tener

presente que cualquier área, proceso o actividad, por excelentes que sean pueden ser

mejoradas. Ante estos escenarios, cabe considerar que, es necesario mantener como

filosofía el mejoramiento continuo apoyado en los estándares requeridos por las casas

matrices.

Por su parte, Venezuela cuenta con muchas empresas ensambladoras de vehículos

que Manejan grandes cantidades de inventarios y contribuyen al desarrollo

económico del país. Entre estas empresas se encuentra la Ford Motors de Venezuela

S.A. que a través de los años se ha visto en la necesidad de aumentar progresivamente

su producción para de este modo poder cumplir con la demanda del mercado

Venezolano.

17

Hoy en día, esta empresa se ha consolidado como una de las principales planta

ensambladora del país, generando más de 2000 empleos; tanto directos como

indirectos. Para ello, dispone de una estructura organizativa, donde cada

departamento y cada persona cumplen funciones específicas con las cuales se logran

los objetivos planteado anualmente.

Asimismo, con la continua integración de nuevos vehículos al mercado

Venezolano suscitan contrariedades que afectan la política de seguridad y salud de la

ensambladora de vehículos. Tales efectos, se deben a que cada día existen procesos

de mayor magnitud y exigencia que perturban de manera significativa la planta.

En torno a lo expuesto, para mucho de los trabajadores, las molestias a causas

disergonómicas tales como dolores, inflamación, rigidez, hormigueo,

entumecimiento, y enrojecimiento en los lugares de lesión figuran entre los

problemas prioritarios en materia de seguridad y salud que deben resolverse. De

alguna manera u otra, existe una cantidad importante de trabajadores a los que afecta

un proceso o diseño mal concebido, esto hace que los aspectos ergonómicos tengan

importancia. A causa de la prevalecía de los problemas de salud relacionados con la

inaplicación de las normas de ergonomía ISO 9241, ISO 6385, ISO 10075, Ley

Orgánica de Prevención, Condiciones y Medio Ambiente de Trabajo (LOPCYMAT)

y la sección uno del manual vehicle operations-structures standards (VOSS) en el

lugar de trabajo, esta cuestiones se han convertido en aspectos relevantes que han

dado origen a conflictos a nivel laboral.

La ergonomía, se presenta como la ciencia multidisciplinaria que cambia el modo

y la manera de los procesos de desempeño del ser humano y el ambiente en que se

desenvuelve, es un aspecto que a través del tiempo ha adquirido mucha importancia

entre las organizaciones, debido a la cultura de prevención de riesgos que se ha

venido implantando en la conciencia de quienes tratan de asegurarse de la Salud y

Seguridad de los trabajadores. Considerando el concepto de ergonomía que habla de

la “adaptación del trabajo al hombre” se puede ubicar a la misma desde dos

18

perspectivas, la primera basada en la producción de bienes y servicios considerando

el bienestar del usuario, y la segunda enfocada en el medio ambiente donde se

desenvuelve el trabajador, analizando la interacción entre las personas y los equipos

que éstas emplean para buscar el mayor confort posible en los usuarios y

minimizando la aparición de diversas enfermedades ocupacionales como la bursitis,

celulitis, cuello u hombros tensos, dedos engatillados, epicondilitis, ganglios,

osteoartritis, síndrome del túnel del carpo bilateral, tendinitis, teno sinovitis, entre

otras; relacionadas con riesgos disergonómicos.

Éste último aspecto es tratado en los artículos 59 y 60 de la Ley Orgánica de

Prevención, Condiciones y Medioambiente de Trabajo (LOPCYMAT); donde se

plasma que los métodos de trabajo así como las máquinas y herramientas utilizados

en el proceso de trabajo deben ser adaptados a las características psicológicas,

cognitivas, culturales y antropométricas de los trabajadores y trabajadoras, para lo

cual el empleador deberá realizar los estudios pertinentes e implantar los cambios que

sean necesarios para alcanzar las condiciones de confort de los trabajadores.

Con la inclusión del nuevo modelo de camiones cargo al mercado, la planta

ensambladora de vehículos Ford Motor de Venezuela S.A., no escapa de esta

realidad. Formando parte de una empresa transnacional de origen norteamericano sus

instalaciones en Venezuela están estructuradas mediante áreas de Producción.

De acuerdo con, auditorías realizadas por el departamento de seguridad y salud

laboral, durante los pilotos de prueba de los camiones cargo 816, se registraron en la

línea final de camiones; específicamente en la estación de montaje de estribos la

cantidad de tres factores disergonómicos de gran impacto, ya que en este momento 4

operarios; dos de cada lado del camión toman conjuntamente el estribos previamente

ensamblado mediante otro proceso y dejados en la estación de montaje de estribos por

el equipo de logística de la ensambladora de vehículo, estos operarios trasladan unos

tres metros el estribo de 10 kg hasta llegar a la cabina del camión, a su vez, está se

encuentra montada sobre la línea la cual tiene un movimiento continuo debido a la

19

producción en masa del mismo, los operarios posicionan el estribo en la parte baja de

la puerta del camión e insertan los pernos; por último, con las pistolas de ajuste

neumáticas se ajustan cada uno de los pernos, aparte las maquinarias y equipos

empleados en dicha estación no se adaptan al proceso del nuevo modelo, ya que son

de larga data y en su diseño original, no se contemplaban los cambios que presenta el

nuevo cargo 816 .Adicionalmente, existe la posibilidad de caída del estribo por el mal

agarre de los operarios causándoles heridas, contusiones u otros tipos riesgos que

afecten la seguridad del personal involucrado.

En consideración a lo anterior, Es imprescindible acotar que se desea mejorar las

condiciones de trabajo, para mejorar la calidad y efectividad del proceso, por

consiguiente se desea implementar un sistema que facilite al trabajador el montaje del

estribo del cargo 816 a fin de disminuir el riesgo de lesiones y accidentes laborares.

2.2 Formulación del Problema

Rotación del personal de la estación de “montaje de estribos” en la línea final de

camiones de la ensambladora de vehículos Ford Motors de Venezuela S.A. y aumento

del costo de producción del camión cargo 816 debido a lesiones musculares

producidas por condiciones sub-estándar de ergonomía y seguridad al realizar la

instalación de los estribos al mismo a razón de su peso y gran tamaño.

2.3 Objetivo General

Diseñar un asistente de manipulación para el montaje de estribos de camiones

cargo 816 que se adapte a los estándares de ergonomía y seguridad para reducir el

riesgo de lesiones en los trabajadores de la ensambladora de vehículos Ford Motor de

Venezuela.

2.4 Objetivos Específico

- Identificar la situación actual en la estación de montaje de estribos de

camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A.

- Revisar las posibles variables a modificar en la estación de montaje de

estribos de camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A.

20

- Proponer el diseño de un asistente de manipulación para el montaje de estribos

en los camiones cargos 816 que cumpla con los estándares de ergonomía y

seguridad.

- Evaluar la factibilidad técnica y económica de la propuesta.

2.5 Justificación de la Investigación

Actualmente, las organizaciones a nivel mundial deben estar comprometidas a

buscar la necesidad de mejorar en forma continua, con el fin de incrementar la

productividad de sus procesos, lo cual les permitirá brindar productos de excelente

calidad para satisfacer y cumplir con las expectativas de los clientes.

Ford Motor de Venezuela S.A., siempre ha enfocado su empeño hacia la conquista

del mercado automotor, a fin de llegar a posicionarse como la primera ensambladora

de vehículos en Venezuela y el mundo. En vista de esto, la empresa requiere que sus

procesos sean cada vez más eficientes, buscando reducir a su mínima expresión los

costos asociados al riesgo de lesiones y accidentes laborares puesto que es una

actividad que no le agrega valor al producto final y que, por el contrario, le incorpora

un costo adicional.

Con la realización del diseño de un asistente de manipulación, basado en

estándares de calidad y aceptación Vehicle Operations Structures Standards (VOSS),

se pretende contribuir a mejorar los problemas disergonómicos e inseguros, además

de cumplir con los reglamentos que designa el estado. Todo lo antes expuesto

justifica este informe de pasantías pues la aplicación del conocimiento teórico

generara mejoras a nivel interno y externo en la empresa.

2.6 Alcance

En lo referente al alcance de esta investigación, consiste en diseñar un asistente de

manipulación para reducir el riesgo de lesiones por condiciones sub-estándar de

ergonomía y seguridad en los trabajadores, referida únicamente a la estación de

montaje de estribo de cargo 816 ubicada en el área de línea final camiones, dentro de

la ensambladora de vehículos Ford Motor de Venezuela.

21

2.7 Limitaciones

- Debido a diferentes factores ajenos a la presente investigación en algunas

oportunidades el proceso productivo del área estudiada se encuentra detenido

por falta de materia prima o programación de otras prioridades, lo que

dificulta el seguimiento.

- La información suministrada en este proyecto está sujeta a las políticas de

confidencialidad y derechos reservados de la empresa.

- El tiempo de desarrollo de la investigación se cuenta con 3 meses de

pasantías, que contemplan normalmente 8 horas laborales en la empresa.

22

CAPÍTULO III

MARCO REFERENCIAL CONCEPTUAL

El marco teórico cumple la finalidad de encaminar la investigación, la cual debe

estar orientada hacia el tema respectivo, Diseñar un asistente de manipulación para el

montaje de estribos de camiones cargo 816 que se adapte a los estándares de

ergonomía y seguridad para reducir el riesgo de lesiones en los trabajadores de la

ensambladora de vehículos Ford Motor de Venezuela.

En pro a obtener la mayor información posible que sustentara la construcción de

este proyecto se describen investigaciones realizadas por algunos autores, quienes se

han interesado en aportar sus conocimientos como precedente o fuente de apoyo para

un acertado enfoque del problema. Constituyendo un valioso aporte para la

realización de esta investigación. Según Arias (1999) infieres que “los antecedentes

de una investigación se refieren a los estudios previos y tesis de grado relacionados

con el problema planteado” (p 13).

3.1 Antecedentes

Para iniciar los antecedentes bibliográfico se encuentra la investigación realizada por

Moreno, A. (2013) egresado de la Universidad José Antonio Páez quien realizo una

investigación titulada “Mejoras ergonómicas para el proceso de cerrado de cables

de acero, en el área de la celda N°1, planta cables, centro de trabajo San

Joaquín, de la empresa Vicson, S.A.” El propósito planteado consistía en analizar

los puestos de trabajo a fin de ofrecer propuestas para disminuir a un nivel aceptable

los riesgos ergonómicos para los trabajadores de la empresa. La investigación se fijó

en la modalidad de proyecto factible basado en un diseño de campo, con un nivel

descriptivo y documental, se concentró en mayor medida en el área de la celda N°1,

planta cables, centro de trabajo San Joaquín, de la empresa en estudio, donde se

23

encontraban presente la mayor cantidad de factores disergonómicos. Para la

obtención de la información se

24

usaron técnicas e instrumentos de recolección de datos como la observación directa,

la entrevista no estructurada y la revisión documental. El análisis del proceso permitió

determinar los aspectos disergonómicos de la operación y a partir de allí, establecer

propuestas de mejoras ergonómicas, lo que le permitía satisfacer la política de

seguridad y salud de la empresa. Este trabajo aporta a la presente investigación una

referencia a la metodología empleada en el desarrollo de la evaluación ergonómica de

un puesto de trabajo.

Seguidamente, la investigación realizada por García M. (2011) egresado de la

Universidad Nacional Experimental de Guayana realizo una investigación titulada

“Relación del puesto de trabajo con afección patológica osteomusculares en una

empresa automotriz” el propósito planteado consistía en analizar la relación entre el

puesto de trabajo de soldador electropunto en su componente biomecánico y la

presencia de patologías osteomusculares, en una ensambladora automotriz. La

investigación se insertó en la modalidad de proyecto factible con diseño de campo y a

un nivel descriptivo; la población fue ochenta (80) trabajadores de la empresa objeto

de estudio y la muestra estuvo conformada por veintes (20) trabajadores que

realizaron consultas por sintomatología osteomusculares durante el año 2010. Para la

técnica de recolección de datos se utilizó la técnica de observación directa y como

instrumento la filmación digital del puesto de trabajo. Se concluyó que los

trabajadores de soldadura de los puestos de trabajo del área de electropunto están

expuesto a riesgos disergonómicos posturales al momento de ejecutar su actividades

laborales, en especial los que realizan las tareas que contemplan los puestos de

trabajo de: repunteo de matriz principal, repunteo de piso frontal y ensamble de

matriz principal. Esta investigación da como aporte una metodología sistemática para

la evaluación ergonómica de los puestos de trabajo.

Por otra parte, Berrios J. (2010) egresado de la Universidad José Antonio Páez

realizo una investigación titulada “Diseño de un dispositivo mecánico para el

desenrollado de láminas en bobina de diferentes materiales en la empresa aire

25

limpio global C.A.” El propósito planteado tuvo como objetivo proponer el diseño

de un dispositivo mecánico para el desenrollado de láminas en bobina de diferentes

materiales de la empresa en estudio. Los inconvenientes presentados en la empresa

por no poseer desarrolladores de láminas de diferentes materiales, originaban que el

proceso no tuviera una secuencia de operaciones de trabajo, generando

contratiempos, disminuyendo la productividad del proceso. Para la obtención de la

información se usaron técnicas e instrumentos de recolección de datos como la

observación directa, la entrevista no estructurada y la revisión documental. Se

concluyó que con la elaboración del diseño de un dispositivo mecanico se consigue

un aumento tanto en la secuencia de operaciones como en la productividad de la

empresa. Esta tesis tiene un gran aporte con la presente investigación ya que se

utilizaron los conocimientos de cálculo de elementos mecánicos para realizar el

diseño.

Por último, se encuentra la investigación realizada por Navarro, V. (2010)

egresado de la Universidad Tecnológica Equinoccial la investigación titulada

“Diseño y construcción de efector final de un brazo robótico neumático para

colocar parabrisas.” El propósito planteado consistía en incorporar a una

determinada empresa un brazo robótico neumático para el montaje de parabrisas. La

investigación se fijó en la modalidad de proyecto factible y diseño de campo ya que la

recolección de datos fue realizada directamente de la realidad donde ocurren los

hechos, la población fue la empresa objeto de estudio AYMESA S.A., y la muestra

estuvo conformada por los trabajadores y tiempos muertos en la línea de producción.

Para la obtención de la información se usaron técnicas e instrumentos de recolección

de datos como la observación directa, la entrevista no estructurada y la revisión

documental. Se concluyó que con la optimización del proceso productivo se reducen

los accidentes de trabajo, con esta herramienta se contribuye a mejorar la ergonomía

de los trabajadores involucrados en dicho proceso, los resultados de esta

investigación obligarán a trabajadores y autoridades a asumir con responsabilidad los

26

retos de la implementación de nuevas herramientas para el beneficio de la empresa

AYMESA S.A., ya que al eliminar o reducir los accidentes sus trabajadores laborarán

con mayor eficiencia. El aporte más significativo de este este estudio, radica en que

permite visualizar la metodología, y proceso del diseño de un manipulador neumático

para una línea de ensamblaje de vehículo.

3.2 Bases Teóricas

Las bases teóricas representan la referencia del problema planteado, es por ello

que toda la investigación deberá estar estructurada por la teoría y el método de trabajo

para complementar los hechos y permitir la relevancia del estudio. Según Arias

(1999) infiere que “las bases teóricas comprenden un conjunto de conceptos y

proporciones que constituyen un punto de vista o enfoque determinado, dirigido a

explicar el fenómeno o problema planteado” (p 39). Por lo tanto se señalaran las

siguientes.

3.2.1 Camiones

Es un vehículo motorizado para trasporte de bienes. A diferencia de los coches,

que suelen tener una construcción monocasco, muchos camiones se construyen sobre

una estructura resistente denominada chasis.

En la mayoría la estructura está integrada por un chasis portante, generalmente un

marco estructural, una cabina, una estructura para trasportar la carga y un eje trasero

que suele poseer doble juegos de ruedas, denominados popularmente como morochas.

Se pueden establecer muchas clasificaciones de camiones pero la más común es

por tipo de carrocería:

Camión plataforma. El que equipa una plataforma lisa

Camión de caja abierta. El que equipa una plataforma con "laterales" (adrales,

conocidos en Venezuela como "estacas").

Camión de caja cerrada. El que equipa una caja cerrada la cual se conoce como

furgón o cava, esta su vez puede ser:

Normal: destinada únicamente a contener y proteger la carga,

27

Acondicionado: con una estructura diseñada y construida para transportar

mercancías a temperaturas controladas con paredes de un espesor mínimo de

45 mm, pueden a su vez ser:

Isotermos: mantienen la temperatura (frío o calor) de la mercancía.

Frigoríficos/congeladores: enfrían y refrigeran o congelan la mercancía.

Camión cisterna: el que equipa una cisterna para el transporte de gases, líquidos o

sustancias pulverulentas.

Figura 3. Camión plataforma Cargo 1721 Fuente: (Ford Motor de Venezuela S.A., 2015)

Figura 4. Camión de caja abierta Cargo 816 Fuente: (Ford Motor de Venezuela S.A., 2015)

28

Figura 5. Camión caja cerrada Midlum 220 Fuente: (Groupe Renault, 2014)

Figura 6. Camión isotermo Fuente: (DAF, 2015)

3.2.2 Estribos de vehículos

Son accesorios para autos que sirven como escalón y que son colocados en la

entrada y salida del vehículo para hacer más fácil el acceso hacia el mismo.

Figura 7. Estribo de cargo 816 Fuente: González, L (2015)

29

3.2.3 Manipuladores de carga neumáticos

Montero Jiménez S.A.S., (2014) señala que la mayor parte de los manipuladores

industriales actuales son esencialmente brazos articulados con un número de grados

de libertad que oscila entre 2 y 5, cuyos movimientos son de tipo secuencial, es decir,

es una máquina de accionamiento manual que permite el movimiento de una carga de

manera rápida y con muy poco esfuerzo, realizando movimientos en cualquier

dirección del espacio dentro de límites definidos en el proyecto, facilitando al

operador trabajar sin condiciones disergonómicas y en condiciones de máxima

seguridad. El equilibrio del peso del implemento, con o sin carga, se obtiene mediante

la acción de un balancín neumático. Estos dispositivos son herramientas útiles para

manipular cargas de formas y dimensiones distintas.

En todos los ambientes de trabajo el uso de manipuladores industriales es la única

solución válida para la manipulación de cargas debido a los siguientes aspectos:

- Mantener constante la producción (un hombre que manipula manualmente

cargas no puede mantener el mismo ritmo de trabajo durante todas las horas y

días laborables).

- Prevenir dolores musculo esqueléticos y/o lesiones osteomusculares en los

operarios.

- Dar previo cumplimiento a la legislación referente a Salud Ocupacional.

3.3.3 Estructura de los manipuladores

Las características básicas de la estructura de los manipuladores están formadas

por los tipos de articulaciones y configuraciones clásicas de brazos mecánicos

industriales, de forma más precisa, un manipulador industrial convencional es una

configuración de cadenas cinemáticas abiertas formadas por un conjunto de eslabones

o elementos de la cadena interrelacionados mediante articulaciones o pares

cinemáticos que permiten el movimiento relativo entre los sucesivos eslabones como

lo esquematiza la figura 6.

30

Se dice que una cadena cinemática es abierta si, numerando secuencialmente los

enlaces desde el primero, cada enlace está conectado mediante articulaciones

exclusivamente al enlace anterior, y al siguiente, excepto el primero, que se suele fijar

al suelo, y el último, uno de cuyos extremos queda libre y equipado con una

herramienta apropiada para manipular objetos. (Baturone, 2001)

Figura 8. Cadena cinemática abierta

Fuente: (Baturone, 2001)

3.3.4 Tipos de articulaciones

Existen diferentes tipos de articulaciones. Las más utilizadas son las que se indican

en la figura N° 9.

Los movimientos cinemáticos de un brazo, pueden clasificarse de acuerdo al tipo

de articulación que usan para determinar su movimiento; y pueden ser:

Articulación de rotación. Suministra un grado de libertad consistente en una rotación

alrededor del eje de la articulación. Está articulación es, la más empleada.

Articulación prismática. El grado de libertad consiste en una traslación a lo largo del

eje de la articulación.

Articulación cilíndrica. Existen dos grados de libertad: una rotación y una traslación.

Articulación planar. Está caracterizada por el movimiento de desplazamiento en un

plano, existiendo por lo tanto, dos grados de libertad.

Articulación esférica. Combina tres giros en tres direcciones perpendiculares en el

espacio.

31

El espacio de trabajo es el conjunto de puntos en los que puede situarse el efector

final del manipulador. Corresponde al volumen encerrado por las superficies que

determinan los puntos a los que accede el manipulador con su estructura totalmente

extendida y totalmente plegada.

Por otra parte, todos los puntos del espacio de trabajo no tienen la misma

accesibilidad. Los puntos de accesibilidad mínima son los que las superficies que

delimitan el espacio de trabajo ya que a ellos solo puede llegarse con una única

orientación. (Baturone, 2001)

Figura 9. Tipos de articulaciones


32

3.3.5 Coordenadas de los movimientos

La estructura del manipulador y la relación entre sus elementos proporcionan una

configuración mecánica, que da origen al establecimiento de los parámetros que hay

que conocer para definir la posición y orientación del elemento terminal.

Fundamentalmente existen 4 estructuras clásicas en los manipuladores, que se

relacionan con los correspondientes modelos de coordenadas en el espacio, y son los

que se detallan a continuación:

3.3.5.1 Configuración cartesiana

Posee tres movimientos lineales, es decir, tiene tres grados de libertad, los cuales

corresponden a los movimientos localizados en los ejes X, Y y Z.

Los movimientos que realiza este robot entre un punto y otro son con base en

interpolaciones lineales. Interpolación, en este caso, significa el tipo de trayectoria

que realiza el manipulador cuando se desplaza entre un punto y otro.

A la trayectoria realizada en línea recta se le conoce como interpolación lineal y a la

trayectoria hecha de acuerdo con el tipo de movimientos que tienen

sus articulaciones se le llama interpolación por articulación. (Baturone, 2001)

Figura 10. Configuración Cartesiana


33

3.3.5.2 Configuración Cilíndrica

Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional, o sea, que presenta tres

grados de libertad. El manipulador de configuración cilíndrica está diseñado para

ejecutar los movimientos conocidos como interpolación lineal e interpolación por

articulación. (Baturone, 2001)

Figura 11. Configuración cilíndrica


3.3.5.3 Configuración polar

Tiene varias articulaciones. Cada una de ellas puede realizar un movimiento

distinto: rotacional, angular y lineal.

Este manipulador utiliza la interpolación por articulación para moverse en sus dos

primeras articulaciones y la interpolación lineal para la extensión y retracción.

(Baturone, 2001)

34

Figura 12. Configuración polar

Fuente: (Baturone, 2001) 3.3.5.4 Configuración angular

Presenta una articulación con movimiento rotacional y dos angulares. Aunque el

brazo articulado puede realizar el movimiento llamado interpolación lineal (para lo

cual requiere mover simultáneamente dos o tres de sus articulaciones), el movimiento

natural es el de interpolación por articulación, tanto rotacional como angular.

(Baturone, 2001)

Figura 13. Configuración angular

Fuente: (Baturone, 2001) 3.3.6 Neumática

La neumática es una de las tecnologías más antiguas de uso industrial, que ha

hecho de las líneas productivas campos de germinación de múltiples aplicaciones,

35

que van desde herramientas manuales, como martillos y destornilladores, hasta

pesadas prensas y extrusores; desde bombas y válvulas para el suministro de aire de

sistemas de movimiento, hasta precisos dosificadores para la industria química y

alimenticia. Las tecnologías se comprimen el uso del aire comprimido se ha

extendido a múltiples campos de la manufactura y ensamble, pero paradójicamente la

tecnología de compresión de aire en sí misma no mostró una evolución sobresaliente

durante sus ya varios siglos de existencia. (Rocatek S.A.S, 2014).

Según Creuss A (2007) la palabra neumática se refiere al estudio del movimiento

del aire. Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado

con el empleo de cilindros y motores neumáticos y se aplican en herramientas,

válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar,

motores neumáticos, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto,

prensas neumáticas, robots industriales, vibradores, frenos neumáticos, etc.

Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo coste de sus

componentes, su facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa

que puede desarrollar a las bajas presiones con que trabaja (típico 6 bar) lo que

constituye un factor de seguridad. Otras características favorables son el riesgo nulo

de explosión, su conversión fácil al movimiento giratorio así como al lineal, la

posibilidad de transmitir energía a grandes distancias, una construcción y

mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones.

Entre las desventajas figura la imposibilidad de obtener velocidades estables

debido a la compresibilidad del aire, los altos costes de la energía neumática y las

posibles fugas que reducen el rendimiento. (Atlas Copco , 2010)

3.3.6.1 Generación de aire comprimido

El aire comprimido como fuente de la potencia en los sistemas neumáticos es

generado por una maquina llamada compresor, existen varios tipos de compresores,

los cuales por lo general se clasifican en dos tipos según su forma de funcionamiento.

36

a) Compresores de desplazamiento Estos tipos de compresores encierran un

volumen de gas para después incrementar su presión al reducir el volumen del

espacio encerrado mediante el movimiento de uno o más miembros móviles,

accionados por una fuente de potencia externa, muy comúnmente motores eléctricos

o de explosión. Como se ilustra en la figura 14, cuando el pistón se desplaza hacia la

derecha una primera válvula cierra la descarga del compresor mientras que una

segunda válvula abre la entrada para admitir aire dentro del cilindro del pistón. En

una segunda etapa el pistón se desplaza hacia la izquierda, lo cual provoca que la

segunda válvula cierre la entrada de aire, mientras que la primera válvula, dotada de

un resorte de compresión, deja salir el aire del cilindro una vez haya alcanzado la

presión de diseño.

Figura 14. Ilustración del proceso de compresión en compresor de pistón con

ejecución de válvulas de disco de acero inoxidable Fuente: (Atlas Copco , 2010)

b) Compresores dinámicos. También denominadas turbomáquinas son equipos

funcionan mediante la aplicación de la potencia de eje en un impulsor que le otorga

energía cinética al gas, el cual es pasado por una serie de difusores para transformar

esa energía cinética en energía elástica, es decir presión. Dependiendo del sentido del

flujo pueden denominarse como axiales, si la dirección de salida del gas es paralela a

la de entrada, radiales (centrífugos), si la dirección de la salida del fluido es

perpendicular a la de entrada del fluido, o mixtas, para fluidos con componentes

axiales y radiales. Estos compresores, a diferencia de los compresores de

37

desplazamiento, trabajan a una presión constante y las condiciones de entrada del

fluido producen un cambio en la capacidad del equipo.

Figura 15. Esquema de un moderno compresor centrífugo de alta velocidad con

accionamiento directo Fuente: (Atlas Copco , 2010)

3.3.6.2 Actuadores

Los actuadores neumáticos son equipos que convierten la energía del aire

comprimido en trabajo mecánico, generando un movimiento lineal mediante

servomotores de diafragma o cilindros; o bien un movimiento giratorio con motores

neumáticos.

Los actuadores neumáticos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en

aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados.

Estos consisten de un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que

transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone de las tapas

trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las

juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de

suciedad.

Los actuadores neumáticos de movimiento giratorio pueden ser: Cilindro giratorio

de pistón-cremallera–piñón y de dos pistones con dos cremalleras en los que el

movimiento lineal del pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante

38

un conjunto de piñón y cremallera y Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para

ángulos entre 0° y 270°.

El motor neumático típico es el de paletas donde un eje excéntrico dotado de

paletas gira a gran velocidad por el aire que llena y vacía las cámaras formadas entre

las paletas y el cuerpo del motor.

Con el fin de seleccionar el actuador más adecuado para la aplicación necesaria se

debe de tomar en cuenta las propiedades que cada actuador es capaz de proveer, a

continuación se describirán las propiedades buscadas en la selección correcta de los

cilindros.

a) Carrera. La carrera de accionamiento del actuador es la distancia

comprendida entre la posición inicial del vástago antes de ser activado y su posición

final después del accionamiento neumático.

Teniendo esto en cuenta la longitud total de un cilindro con vástago será el doble

de la carrera de accionamiento deseada, ya que en su posición inicial tanto el vástago

se encuentra dentro del cuerpo del cilindro ocupando la misma distancia

b) Fuerza del cilindro. es una función del diámetro del cilindro, de la presión del

aire y del roce del embolo, que depende de la velocidad del embolo, que se toma en el

momento de arranque. La fuerza que el aire ejerce sobre el pistón es:

Ec 1

Los cilindros de doble efecto no cuentan con un resorte para volver a su posición

de equilibrio, así su fuerza no disminuye en la carrera de avance, pero si en su carrera

de retroceso, debido a la disminución del área del embolo por la existencia del

vástago. Las expresiones matemáticas correspondientes son:

Ec 2

A esta fuerza es prudente restarle la fuerza generada por el rozamiento entre el

pistón y el cilindro en su movimiento, para presiones que oscilan entre los 4 y 8 bar

39

las fuerzas de rozamientos equivalen a valores comprendido entre el 3% y 10 % de la

fuerza calculada.

c) Consumo de aire. Es una función de la relación de compresión, del área del

pistón y de la carrera, según la fórmula:

Ec 3

Siendo:

- .

- A= área del pistón. (cm2).

- LCarrera= longitud de carrera. (cm)

- n= ciclos por minutos. (rev/min)

d) Velocidad del pistón. La velocidad del pistón se obtiene dividiendo el caudal

por la sección del pistón.

Ec 4

3.3.6.3 Accesorios para actuadores neumáticos

Debido a la gran variedad de condiciones en las cuales es necesaria la utilización

de los actuadores es necesaria la utilización de accesorios para complementar las

funciones de fábrica de los actuadores.

En la mayoría de las aplicaciones se necesita un dispositivo de detección de la

posición del cilindro para asegurar la operación segura de la maquinaria neumática.

En los casos simples basta visualizar la posición del vástago del pistón del cilindro

para comprobar si el pistón está en el principio o el final de su carrera, sin embargo

en operaciones realizadas en máquinas complejas no es practico esperar que los

operarios estén vigilantes y más si es en periodos prolongados de funcionamiento.

Para detectar la posición de un pistón en el cilindro se dispone interruptores de

posición que envían una señal de control de manera mecánica, magnética, neumática

40

o electrónica, accionados a la posición del vástago bien mecánicamente o por medio

de un campo magnético creado por un imán montado en el pistón. Estos accesorios se

montan en los cilindros para determinar la posición del final de carrera del pistón o

bien la posición en un punto intermedio de la carrera del pistón.

Otro accesorio disponible son los sistemas de posicionamiento secuencial los

cuales son usados para la lectura de la carrera cuando es necesario detectar el

movimiento del cilindro, la medida de la distancia o un movimiento secuencial exacto

del cilindro. En particular se utilizan estos sistemas cuando es necesario comprobar la

presencia o la orientación correcta de un componente, la medida de la profundidad de

un orificio o bien medir las dimensiones del componente y comprobar que estas

dimensiones son las correctas.

La unidad de bloqueo del cilindro es un accesorio que inmoviliza el vástago del

cilindro cuando la presión de aire desciende de un valor determinado. Su función es

de seguridad con objeto de impedir el movimiento del cilindro cuando la presión del

aire baja de un determinado límite. Puede actuar en el interior o exterior del cilindro y

sobre el vástago en el sentido de retracción o extensión.

3.3.6.4 Control del aire comprimido

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la

dirección, así como la presión del aire. Según norma DIN 24300, se subdividen en

cinco grupos:

- Válvulas distribuidoras o de vías.

- Válvulas de bloqueo.

- Válvulas de presión.

- Válvulas de caudal.

- Válvulas de cierre.

Se denomina vía a cada uno de los orificios a través de los cuales puede circular el

aire en su proceso de trabajo o evacuación en válvulas dotadas de pilotaje neumático,

41

la conexión que permite la entrada de aire para el control de la válvula no se

considera vía ya que se trata de un sistema de accionamiento.

Figura 16. Corte de una válvula 5/2 vías de accionamiento neumático

Fuente: (SMC Corporation, 2009)

El número de posiciones de maniobra de una válvula está determinado por el

número de posibilidades diferentes de comunicar las vías entre sí. Este parámetro se

representa mediante cuadrados (tantos como posiciones tenga la válvula).

Figura 17. Simbología de las posiciones de una válvula neumática

Fuente: (SMC Corporation, 2009) El número de vías es el número de orificios que la válvula presenta:

Figura 18. Simbología de las vías de una válvula neumática Fuente: (SMC Corporation, 2009)

42

Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de la

circulación. La posición de paso abierto para una válvula se representa por medio de

una flecha de un extremo a otro del cuadrado. Las posiciones de cierre dentro de las

casillas se representan mediante una línea cortada, esto simboliza la interrupción de

flujo.

Figura 19. Simbología de apertura y cierre para una válvula Fuente: (SMC Corporation, 2009)

a) Simbología.

A continuación se muestra la simbología de las principales válvulas neumáticas,

según la norma DIN 24300:

43

Figura 20. Simbología de las diferentes válvulas neumáticas Fuente: (J. Garrigos, 2008)

b) Accionamientos

Una de las características más importantes de una válvula es el modo de llevar a

cabo su cambio de posición; es decir, el sistema de accionamiento o dispositivo de

mando, estas se presentan en la figura 21.

44

Figura 21. Simbología de los diferentes tipos de accionamientos de una válvula

Fuente: (J. Garrigos, 2008)

3.3.7 Balancín neumático

Un balancín neumático o de gravedad cero se asemeja a un actuador neumático de

simple efecto, con la única diferencia de que en lugar de convertir la energía potencial

del aire comprimido en esfuerzos lineales, la aprovecha para generar esfuerzos

rotativos a través de un simple mecanismo retráctil y un cable de acero, los cuales

permiten desplazar cargas mecánicas verticalmente. Además de esto, un balancín

neumático puede equilibrar una carga en cualquier punto vertical de su trayectoria, al

anular el peso de esta con la fuerza producida por cierta presión de aire comprimido

en su pistón, razón por la cual se ha empleado en el manipulador neumático de ruedas

con la finalidad de levantar los pesos considerables de las ruedas de un camión. Un

balancín neumático es el elemento ideal a emplear en situaciones que se requieran de

esfuerzos elevados para desplazar cargas de un punto a otro con la mayor seguridad.

45

Figura 22. Balancín neumático Fuente: (Knight Global, Inc., 2012)

3.3.7.1 Principio de funcionamiento

En la figura 23 se tiene la disposición de todas las partes internas de un balancín

neumático que conforman el mecanismo retráctil de elevación de carga. Su

funcionamiento se basa en que el aire presurizado entra en la cámara del balancín

neumático a través de la toma de aire (el aire comprimido de alimentación está

regulado por un gabinete de control, el cual no se muestra en la figura). La presión

del aire empuja el pistón, y este a su vez al rodamiento de empuje, el mismo que

transfiere la fuerza al carrete que cabalga sobre un tornillo redondo estacionario. El

tornillo redondo hace que el carrete gire, enrollando el cable de acero. Cuando se

descarga el aire desde la cámara del balancín neumático, el peso de la carga hace que

el carrete gire en la dirección opuesta, de manera que facilita que el cable de acero se

desenrolle del carrete.

46

Figura 23. Partes de un balancín neumático

Fuente: (Knight Global, Inc., 2012)

3.3.7.2 Equilibrio de carga

Para conseguir que el peso de una determinada carga sea suspendido, es necesario

inundar la cámara del balancín neumático con una determinada presión de aire, que

compense la carga levantada y permita su estancamiento en cualquier posición. Esto

ocurre cuando la fuerza producida por el peso de la carga anula a la producida en el

pistón por parte de la presión de aire, dando origen a una fuerza resultante igual a

cero, por consiguiente cualquier fuerza mínima alterara el equilibrio y permitirá que

la carga se desplace hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la dirección en la que

se sume la fuerza desequilibrante.

Un balancín neumático está diseñado para suspender cargas, pero puede ser

empleado como un dispositivo de elevación siempre y cuando no sobrepase los

límites de carga máxima previamente establecidos. La carga máxima de trabajo de un

balancín está establecida a 100 psi (6,89 bar), en esta se puede equilibrar una carga,

mas no levantarla, ya que si 100 psi (6.89 bar) de presión del sistema no está

disponible, entonces el esfuerzo de mover la carga aumentará proporcionalmente a la

disminución en la presión del sistema

47

Figura 24. Equilibrio de carga en un balancín neumático Fuente: (Knight Global, Inc., 2012)

3.3.8 Esquemas neumáticos

Un esquema neumático es la representación técnica de un circuito neumático, que

consta de todos los elementos neumáticos detallados en este capítulo, tales como,

actuadores neumáticos, válvulas neumáticas, filtros, reguladores, lubricadores, entre

otros elementos, con la finalidad de que al interrelacionarlos entre sí desempeñen una

función específica, como por ejemplo mecanismos autónomos de producción,

manipuladores neumáticos, sistemas de control, etc. La disposición y ubicación que

estos llevan, depende principalmente de su funcionalidad así como de la participación

en un sistema de control neumático.

En la siguiente figura se muestra la ubicación de cada elemento y equipo en un

esquema neumático, de manera que para el diseño y desarrollo de un sistema de

48

control se debe tener en cuenta el orden planteado, para de esta manera hacer más

fácil su interpretación y ejecución.

Figura 25. Codificación de elementos y equipos en un esquema neumático Fuente: (Depper W. / Stoll K., 1999)

3.3.9 Consideraciones de diseño

3.3.9.1 Factores de diseño.

A veces la resistencia de un elemento en un sistema, es un asunto muy importante

para determinar la configuración geométrica y las dimensiones de dicho elemento. En

tal caso, se dice que la resistencia es un factor importante de diseño. Cuando se utiliza

49

la expresión: consideración de diseño; se está refiriendo a una característica que

influye en el diseño de un elemento, quizá, en todo el sistema.

Generalmente se tienen que tomar en cuenta varias de estos factores en un caso de

diseño determinado. (Budynas R. y Nisbett J. 2.008).

Algunos de los más importantes son los siguientes: Resistencia, confiabilidad,

propiedades térmicas, corrosión, desgaste, fricción (o rozamiento), procesamiento,

utilidad, costo, seguridad, peso, duración, ruido, estilización, forma, tamaño,

flexibilidad, control, rigidez, acabado de superficies, lubricación, mantenimiento,

volumen y responsabilidad legal.

Algunos de estos factores se refieren directamente a las dimensiones, al material,

al procesamiento o proceso de fabricación, o bien a la unión o ensamble de los

elementos del sistema. Otros se relacionan con la configuración total del sistema.

3.3.9.2 Normas y códigos

Una norma o estándar, es un conjunto de especificaciones para piezas, materiales

o procesos establecidos, con el fin de lograr uniformidad, eficiencia y calidad

especificadas. Uno de los objetos importantes de una norma es fijar un límite número

de artículos en las especificaciones, así como permitir que se tenga un inventario

razonable de herramientas, tamaños, formas y variedades.

Un código, es un conjunto de especificaciones para efectuar el análisis, el diseño,

la fabricación y la construcción de un objeto o sistema. El propósito de un código es

alcanzar un grado específico de seguridad, eficiencia y buen funcionamiento o buena

calidad. Es importante observar que, los códigos de seguridad no implican la

seguridad absoluta. De hecho esta cualidad es imposible de obtener. A veces puede

llegar a presentarse realmente el suceso más inesperado. (Budynas R. y Nisbett J.

2.008).

Por otro lado, todas las sociedades y organizaciones que se enumeran a

continuación se han establecido para formular normas y códigos de seguridad o de

diseño. El nombre de cada organismo indica la naturaleza de la norma o código

50

establecido. Algunas normas y códigos, así como las direcciones de las citadas

organizaciones, pueden obtenerse en la mayor parte de los centros de información

técnica. Las organizaciones que interesan principalmente a los ingenieros mecánicos

son:

- Asociación de Aluminio (AluminumAssociation AA).

- Asociación Americana de Fabricantes de Engranaje (American

GearManufacturersAssociation AGMA).

- Instituto Americano de Construcción de Acero (American Institute of Steel

Construction AISC).

- Instituto Americano de Hierro y de Acero (American Iron and Steel Institute

AISI).

- Sociedad Americana para Metales (American Society for Metals ASM).

- Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (American Society of

Mechanical ASME).

- Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (American Society of testing

and Materials ASTM).

- Sociedad Americana de Soldadura (American WeldingSociety AWS).

- Asociación de Fabricación de Cojinetes Antifricción (Anti-FrictionBearing

Manufactures Association AFBMA).

- Instituto Británico de Normas (British StandardsInstitute BSI).

- Instituto de Sujetadores Industriales (Industrial FastenersInstitute IFI).

- Institución de Ingenieros Mecánicos (Institution of MechanicalEngineers I.

Mech. E.).

- Oficina Internacional de Pesos y Medidas (International Bureau of Weights

and Measures BIPM).

- Organización de Normas Internacionales (International StandarsOrganization

ISO).

51

- Sociedad de Ingenieros Automotrices (Society of AutomotiveEngenieers

SAE).

- vehicle operations-structures standards (VOSS)

3.3.9.3 Factor de Seguridad.

El coeficiente de seguridad también conocido como factor de seguridad N, es un

número que se utiliza en ingeniería para los cálculos de diseño de elementos o

componentes de maquinaria, estructuras o dispositivos en general, proporcionando un

margen extra de prestaciones por encima de las mínimas estrictamente necesarias.

(Budynas R. y Nisbett J. 2.008). Así, en los cálculos de resistencia mecánica, el factor

de seguridad se aplica principalmente de dos maneras:

1. Multiplicando la dimensión del elemento resultante de los cálculos teóricos.

2. Dividiendo las propiedades favorables del material que determinan el diseño.

Es por ello que, en ambos casos, resulta en un dimensionamiento adicional del

componente. Este sobredimensionamiento se justifica por variadas causas, como por

ejemplo: previsiones de desgaste o corrosión, posibles errores o desviaciones en las

propiedades previstas de los materiales que se manejan, diferencias entre las

propiedades tabuladas y las obtenibles en la realidad, tolerancias de fabricación o

montaje, tolerancias por incertidumbre en las solicitaciones a que se someterá el

elemento, la propia incertidumbre del método de cálculo, etc. Estos factores de

seguridad por lo general provienen de la experiencia empírica o práctica, por lo cual

están tabulados y contemplados en las normas o la literatura, o bien se aplican según

la experiencia personal del diseñador.

En general para el mismo tipo de elemento dependerá del tipo de uso o servicio

que se le piense dar. Por ejemplo, para una máquina de uso continuo se usará un

factor de seguridad mayor que para una de uso esporádico.

Finalmente se puede decir que en resistencia de materiales se aplica un coeficiente

de seguridad superior o inferior dependiendo del uso del componente. Así, en el

cálculo de dimensionamiento de sección de un cable para tender la ropa se utilizara

52

un coeficiente de seguridad inferior al utilizado para ese mismo cable cuando se

estudia su empleo para sustentar un ascensor. En la tabla 1 se muestran los factores de

seguridad dependiendo del tipo de elemento que se va a diseñar.

Tabla 1. Factores de Seguridad

TIPO DE CARGA

Materiales dúctiles.

Aceros.

Materiales frágiles.

Fundición.

Madera

Nu Ny Nu Nu

Cargas muertas (Constantes) 2,6 - 4,2 1,25 - 2,0 4,5 - 6,5 6 - 8

Cargas repetidas, en una

dirección.

Choque moderado.

5 - 7 2,5 - 3,5 6,5 - 9,0 9 - 11

Cargas repetidas, invertidas.

Choque moderado 7 - 9 3,5 - 5,0 10 – 13

13 – 16

Choques fuertes 10 – 15 5 – 8 15 – 20 15 - 20

Fuente: Molina 1.970

3.3.9.4 Esfuerzos

Uno de los primeros problemas que enfrenta el ingeniero diseñador es tener la

certeza de que la resistencia de la parte que se diseñe siempre sea mayor que el

esfuerzo atribuido a cualquier carga que se le pueda aplicar. Por lo tanto se debe

diseñar tomando en cuenta este elemento para lograr un dispositivo seguro y

confiable.

a) Esfuerzos Uniformemente Distribuidos.

Con frecuencia, en diseño se plantea la hipótesis de que hay una distribución

uniforme de esfuerzo. Según (Budynas R. y Nisbett J. 2.008), el resultado obtenido

con esa suposición se le llama tensión pura, compresión pura o cortante puro,

dependiendo de cómo se aplique la carga externa al cuerpo en estudio. A veces se

emplea el calificativo simple en vez de puro, para expresar que no hay otros efectos

que compliquen la situación. Una barra en tensión es un ejemplo típico.

53

En este caso, una carga de tensión F se aplica mediante los pasadores que

atraviesan los extremos de la barra. La hipnosis de esfuerzo uniforme significa que si

corta la barra en una sección transversal, alejada de ambos extremos, y se separa una

de las mitades, es posible sustituir su efecto aplicando una fuerza uniformemente

distribuida de magnitud en el extremo cortado. Entonces se dice que el esfuerzo σ

esta uniformemente distribuido y se calcula por la siguiente ecuación:

Ec 5

Donde es la fuerza aplicada y es el área de la sección transversal. Para

justificar esta hipótesis de distribución uniforme del esfuerzo se requiere que:

1. La barra sea recta y de material homogéneo.

2. La línea de acción de la fuerza pase por el centroide de la sección.

3. La sección esté suficientemente alejada de los extremos y de cualquier

discontinuidad o cambio en la sección transversal.

b) Esfuerzos Normales por Flexión.

Para deducir las relaciones correspondientes a los esfuerzos normales por flexión

se harán las siguientes idealizaciones:

1. La viga se somete a flexión pura; esto significa que la fuerza cortante es cero y

que no hay cargas axiales ni de torsión.

2. El material es isótropo y homogéneo.

3. La viga es inicialmente recta y su sección transversal es constante en toda su

longitud.

4. La viga tiene un eje de simetría en el plano de la flexión.

5. Las dimensiones de la viga son tales que solo puede fallar por flexión y no por

aplastamiento.

6. Las secciones transversales planas permanecen así durante la flexión.

54

Figura 26. (a) Paralelepípedo sometido a un momento flector MF puro; (b) paralelepípedo afectado por el momento flector y (c) ampliación de un corte en el medio del paralelepípedo

Fuente: Tassoni D. 2.007

En la figura 26 se observa un cuerpo en forma de paralelepípedo, sometido a

flexión, por un momento flector “puro”; la pieza adquiere la forma de la fig. 26 -b,

permitiendo a sus distintas secciones transversales adyacentes, girar las unas respecto

a las otras. La figura 26-c, representa una vista ampliada de un corte en el medio de la

Fig. 26-b (sección A-A); tomamos un diferencial de área para una distancia + x en el

cual las fibras están sometidas a tracción y otro diferencial de área a una distancia – x,

en donde las fibras de la pieza están sometidas a compresión; para cada

Ec 6

Existe un

Ec 7

Para el que contribuyen los más alejados; el esfuerzo de tracción máximo

ocurre en c y el mínimo, de compresión, ocurre en –c y se tiene que:

Ec 8

En cualquier otra posición, se tiene que

Ec 9

(a) (b) (c)

55

Si integramos la ecuación 7, tenemos que la reacción interna iguala al efecto

externo:

maxi i f

A A A A

M dM xdF x dA x dA Mc

= = = = ≡σσ∫ ∫ ∫ ∫2

Ec 10

Así

maxf

A

M x dAc

= σ∫

2 Ec 11

Como A

x dA∫2

=I y es el momento de inercia de la sección transversal de la pieza,

alrededor del eje y, que pasa por su centro de gravedad, la ecuación 7 es igual a

Ec 12

c) Torsión

La torsión es una acción deformadora, producida por un momento torsor puro (par

de fuerzas) que actúa en el plano de la sección resistente del elemento de máquina,

generando en las mismas tensiones de corte (esta tensión es la tercera de los tipos que

pueden presentarse en una pieza)

Ec 12a

d) Esfuerzos Combinados.

Es muy común en piezas de maquinarias, tener combinaciones de carga que creen

esfuerzos normales y cortantes en una misma pieza. Pudiera haber lugares dentro de

la pieza donde estos esfuerzos aplicados han de combinarse para poder determinar

cuáles son los esfuerzos principales y el esfuerzo cortante máximo. ¿Cómo predecir

su condición de falla? ¿En cuál condición se presenta esta falla? Para dar respuesta a

estas preguntas, se introducen las teorías de falla las cuales son explicaciones, o

56

ensayos de explicaciones, que tratan de señalar cuando y como falla un elemento de

máquina.

La primera de estas teorías, es la teoría de la tensión normal máxima. Señala que

se presenta la falla del material y de la pieza, cuando una de las tensiones principales

es igual, o superior, al valor de la resistencia de fluencia del material del cual está

fabricada la pieza. La importancia real de esta teoría, radica en el poder hacer

comparaciones con las verdaderas condiciones de falla.

Si se considera un elemento de máquina sometido a un sistema de carga que

induce en él un estado “complejo” pero, “bidimensional” de tensiones. Por ejemplo,

un eje o árbol como el de la figura 27.

Figura 27. Eje o árbol sometido a la acción de tensiones de corte, de compresión y de tracción simultáneamente.

Fuente: Tassoni D. 2.007.

En él se tienen, tensiones de corteττττ, producto de la acción directa de las cargas P y

W y del momento torsor MT ; tensiones de tracción σσσσtrac por acción de la carga axial

Q; y de tracción σσσσtrac y compresión σσσσcomp por el efecto de las cargas transversales y

de las reacciones en los apoyos. En alguna parte de esta pieza se encuentra el punto

crítico, en ese punto de la pieza, cada elemento infinitesimal experimenta esfuerzos

distintos, al mismo tiempo. Por lo cual se deben considerar los esfuerzos como

actuando sobre elementos infinitesimalmente pequeños dentro de la pieza. Estos

57

elementos suelen modelarse, cada uno, como un cubo. Las componentes de los

esfuerzos actúan en las caras de estos cubos de dos maneras distintas. Los esfuerzos

normales (Fuerza/Área) actúan perpendicularmente a la cara del cubo (Normal) y

tienen tendencia a tirar de él (Esfuerzo de Tracción Normal) o a empujarlo (Esfuerzo

de Compresión Normal) Los esfuerzos cortantes, actúan paralelos a las caras del

cubo, en pares sobre caras opuestas, lo que hace que el cubo distorsione a forma

romboidal. Las componentes normales y cortantes del esfuerzo conforman lo que se

conoce como tensor; y un volumen elemental en ese punto, resultaría como el

indicado en la figura 28-a; en él, siempre se podrá utilizar un análisis de cuerpo libre

en el cual, para un ángulo cualquiera con los ejes indicados, se obtenga la

representación de las tensiones directas máximas (fig. 28-b). Esto significa que se

puede ir variando el ángulo de corteθθθθ, hasta conseguir el valor de las tensiones

principales σσσσ y ττττ máximos. A todas luces un procedimiento como el indicado,

resultaría sumamente engorroso y extremadamente largo. Afortunadamente, el círculo

de MOHR (Otto Mohr, en el año 1.880 en sus clases de la Universidad de Berlín

explicó por primera vez este método gráfico). En efecto, este método gráfico,

denominado círculo de Mohr, se constituye en una herramienta valiosa a la hora de

tener que enfrentar a un análisis como el que aquí se ha planteado.

Si se toma el caso del elemento considerado en la figura 28, y suponiendo que en

el mismo se tiene que σσσσx >σσσσy; se puede construir el diagrama del circulo de Mohr para

este caso; sobre el eje σσσσ se reporta el valor de σσσσx. Sobre el mismo eje se señala la

magnitud de σσσσy correspondiente; sobre el eje ττττ se indican las tensiones de corte, ττττx = -

ττττy (por equilibrio). Se unen los puntos obtenidos en las intersecciones de σσσσx con ττττx, y,

de σσσσy con ττττy, es decir, se unen los puntos (σσσσx,ττττx) y (σσσσy,ττττy) y se obtiene el diámetro del

círculo, el cual corta al eje σσσσen el punto c de la figura 28. Siguiendo la nomenclatura

de la figura 29, se pueden indicar los valores numéricos de las magnitudes utilizadas

en dicha figura:

58

Figura 28.Volumen Elemental de una pieza cualquiera, sometida a un estado bidimensional de

tensiones, (b) análisis de cuerpo libre del mismo Volumen Elemental. Fuente: Tassoni D. 2.007.

2x y σ σ

A−−−−

====

El Radio del círculo es igual a:

2 2xR A τ= += += += +

Pero el radio del círculo, del estado bidimensional de tensiones considerado, no es

más que la máxima tensión de corte producida, por lo tanto

2

2

2x y

max x

σ στ τ

−−−− = ± += ± += ± += ± +

Ec 13

Designando, ahora, al segmento O C de la figura 91 por la letra B se puede

escribir

B=σσσσx–A=2 2

x y x yx

σ σ σ σσ

− +− +− +− +− =− =− =− =

De esta última expresión y considerando la geometría de la figura 21, resulta

σσσσ1 = B + R y σσσσ2 = B – R

59

Figura 29. Diagrama del círculo de Mohr


σσσσ1= 2x yσ σ++++

2

2

2x y

x

σ στ

−−−− + ++ ++ ++ +

Ec 14

σσσσ2= 2x yσ σ++++

2

2

2x y

x

σ στ

−−−− − +− +− +− +

Ec 15

Gracias a las ecuaciones (13), (14), (15) y (15a) se pueden obtener valores de las

tensiones principales ττττmax,σσσσ1 y σσσσ2, en el estado bidimensional de tensiones, a partir de

las tensiones directas ττττx, σσσσx y σσσσy.

Pero atención con ττττmax porque para el estado bidimensional de tensiones (o plano)

analizado anteriormente lo que realmente está ocurriendo es lo siguiente:

El volumen de control es (con σσσσx, σσσσy, σσσσz =0 y τx = τy) tal y como se observa en la

figura 30

ττττMÁX 22131 σσσ

=−

= Ec 16

En un elemento de máquina cualquiera, en el cual se presente un estado genérico

tridimensional de tensiones, con σσσσ1 >σσσσ2>σσσσ3>0. El círculo de Mohr resultante es como

60

el representado en la figura 30, en la cual se indican las tensiones principales que

actúan sobre dicho elemento.

Figura 30. Construcción del Círculo de Mohr “resultante”, para un elemento de

máquina sometido a un estado tridimensional de tensiones. Fuente: Tassoni D. 2.007.

Como puede observarse por los valores particulares asignados a las tensiones

principales indicadas, la máxima tensión de corte se obtiene relacionando σσσσ1 con σσσσ3.

Cada una de las tensiones principales debe obtenerse a partir de un diagrama en el

cual se consideren, dos a dos, las tensiones directas actuantes, de cada uno de ellos, el

valor de las tensiones principales, para luego ser analizadas en conjunto tal y como se

indica en la figura 30.

e) Teorías de falla.

Ahora que se sabe, como poner en evidencia la existencia de las tensiones

máximas, tensiones principales, se deben relacionar con las posibilidades de falla (la

pieza no cumpliría con la finalidad requerida para su funcionamiento) del elemento

de máquina estudiado, con el objetivo de evitar que su falla se presente. Para ello se

han formulado teorías, distintas a la expuesta al principio (conocida como de tensión

normal máxima, la cual se utiliza comparando directamente σσσσ ≤ SY y ττττ ≤ Sycorte,

propuesta por W.J.M. Rankine en 1.845), que se acercan definitivamente más a la

predicción acertada de las condiciones de falla de un elemento de máquina, que esa

primera teoría, quedando está “primera teoría solamente para materiales frágiles”.

Veamos, a continuación, algunas de las más importantes y más utilizadas en el diseño

de piezas.

61

i) Tresca: Teoría de Tensión de Corte Máxima.

Se considera que está es la teoría de falla más antigua. Originalmente fue

propuesta por el francés C. A. Coulomb (1.736-1.806). Tresca, en 1.864 escribió

acerca de la teoría del esfuerzo cortante máximo, y J.J.Guest en Inglaterra realizó

ensayos en el año 1.900, que condujeron a la aceptación de la teoría. Así como se

obtuvo σ1 y σ2 para un estado bidimensional de tensiones, se puede obtener, para un

estado más complejo de tensiones, tal como es el tridimensional, los siguientes

valores:

ττττ1 2,

2,

231

332

221 σσσσσσσσττττ

σσσσσσσσττττσσσσσσσσ −

=−

=−=

Ec 17

La falla iniciará cuando la tensión mayor de corte entre los tres valores de ττττi (sea

ésta ττττi.MAX ) representados en las ecuaciones 17, se iguala a la mitad del valor de la

resistencia a la fluencia del material de fabricación de la pieza, obtenido en un ensayo

de tracción simple. Esto es

Ec 18

La teoría de la tensión de corte máxima, indica igualmente que el límite de

fluencia a corte Sycorte de un material es, a lo sumo, igual a la mitad de su límite de

fluencia a tracción Sy, esto es,

Ec 19

Esta teoría ofrece buenos resultados en el diseño de elementos de máquina, para

cuya fabricación se utilizarán materiales dúctiles (latones, bronces, aluminio y aceros

laminados y recocidos).

ii) Von Mises – Hencky.

También denominada, teoría de la energía de corte o teoría de la energía de

distorsión.

En 1.904, en Polonia, M. T. Hueber escribió por primera vez sobre la energía de la

máxima distorsión; pero, fueron R. von Mises (Alemania y USA) en 1.913 y H.

62

Hencky (Alemania y USA) en 1.925 quienes más contribuyeron a ella.

Recientemente,

S. Timoshenko, en su History of Strength of Materials McGraw-Hill, Nueva York,

1.953, ha atribuido esta teoría a J. C. Maxwell de Inglaterra, que la plantea en 1.856.

Esta teoría sostiene que cualquier pieza esforzada en forma elástica sufre un (ligero)

cambio en forma, volumen o en ambos, pero no en tamaño. La energía necesaria para

producir este cambio se almacena en forma de energía elástica. Por lo tanto, un

determinado material tiene una capacidad limitada y definida de energía de distorsión

o de corte, y por lo tanto cualquier intento por someter al material a cantidades

mayores de energía de distorsión, provocaría la falla del elemento, La forma más

corrientemente utilizada para expresar la teoría de la energía de distorsión, es

2 2 2 21 2 2 3 3 1 2 y(σ σ ) (σ σ ) (σ σ ) S− + − + − =− + − + − =− + − + − =− + − + − = Ec 20

Interpretando lo indicado en la ecuación 20, esta teoría establece que el inicio de la

condición de falla es, únicamente, función de las diferencias de Tensiones

Principales, independientemente de sus valores absolutos particulares.

Para un estado bidimensional de tensiones, condición para la cual σσσσ3 = 0, la

ecuación 20 se convierte en

2S2y = (σσσσ1 - σσσσ2)

2 + σσσσ22 + σσσσ2

1

2S2y = σσσσ2

1 + σσσσ22 - 2σσσσ1σσσσ2 + σσσσ2

1 + σσσσ22 = 2σσσσ2

1 + 2 σσσσ22 - 2σσσσ1σσσσ2

S2y = σσσσ2

1 + σσσσ22 - σσσσ1σσσσ2 Ec 21

O simplemente

Ec 22

La ecuación 22 permite aplicar, en el caso de un estado bidimensional de tensiones

como el indicado, la teoría de la ENERGÍA DE CORTE o teoría de la ENERGÍA DE

DISTORSIÓN o Teoría de von MISES – HENCKY, sin necesidad de recurrir al

63

círculo de Mohr, pues en ella se pueden utilizar las tensiones directas, σσσσx, σσσσy y ττττ

presentes en el estado bidimensional de tensiones aplicado al elemento de máquina.

Según esta teoría, cuando el sistema de carga que actúa sobre el elemento de

máquina produce tensiones de TORSIÓN PURA (tensiones de corte; σσσσx = σσσσy= 0),

de (22) se obtiene que la falla del material y por ende de la pieza, se inicia cuando se

alcanza

Ec 23

3.3.9.5 Análisis de piezas largas sometidas a compresión.

Existen elementos de máquina, que no fallan cuando la tensión resultante aplicada

se acerca a los valores de resistencia del material, sino mucho antes... ¿A qué se debe

este comportamiento? El mismo obedece a la existencia de un llamado equilibrio

inestable. Un ejemplo típico de lo que aquí se dice, son las columnas. No se piense

que se refiere únicamente a las columnas de un edificio... Muchos elementos de

máquina se comportan como si fueran columnas, sin... serlo. Algunos ejemplos que

se pueden citar son: la BIELA de un motor de combustión interna, el soporte central

del tren de aterrizaje de un avión, el vástago del émbolo de un cilindro hidráulico, etc.

Considerando, por ejemplo, los dos elementos que se indican en la figura 31 ¿Cuál es

el más crítico? La respuesta a esta pregunta, resulta demasiado evidente: sin pensar

siquiera en la sección, o en la dimensión de la sección transversal del elemento, todos

concuerdan en afirmar que el más crítico es el más largo, en este caso el de la figura

31.b.

64

Figura 31. Elementos de Máquina de igual sección transversal, e idénticos sistemas de carga; difieren únicamente en cuanto a las correspondientes longitudes.


Para visualizar mejor esta situación, imagine una regla de plástico como las que se

utilizan para medir en dibujo (o la antena de un carro), a la cual se le aplica una carga

P de compresión axial (con la mano si hacer mucha fuerza), se observa que la regla(o

la antena) se arquea (dobla) como, es decir, la pieza ha pandeado; el pandeo no es la

curvatura sino la falla, sin quitar la carga P. Si se quita la carga P, la regla (o la

antena) se endereza, ¿Por qué? Un pequeño desplazamiento lateral, producto de la

deformación mostrada, genera una reacción interna que se opone a P, debido a un

“momento elástico interno”. Al desaparecer P, este momento es suficiente para que la

pieza recobre su forma recta, esto se denominó “estabilidad elástica”. La primera vez

que se escuchó este término fue en el año 1.744, en un tratado de Leonhard Euler

(1.707-1.783), matemático, físico e ingeniero que paso largos años para tratar de

explicar este problema, ya que la estabilidad elástica solo explica cuando la pieza se

endereza, el verdadero problema es explicar cuando la pieza llegará a la

“ inestabilidad elástica o geométrica”, es decir, cuando el momento elástico interno

ya no es capaz de contrarrestar el efecto de P, ¿y qué ocurre? Pues, la pieza falla

(cede) abruptamente y se produce el colapso.

Cómo dar respuesta a este problema?... Euler, poco antes de morir, en 1.780,

completó su largo trabajo, con la propuesta que lleva su nombre, analizando la forma

65

de una columna sometida a carga axial, como la representada en la figura 31

desarrolló la ecuación

Ec 24

Esta expresión es conocida como la “fórmula de EULER”, para columnas con

extremos libres de girar, en la cual se tienen las siguientes magnitudes:

= Módulo de Elasticidad del material que conforma la pieza [Pa]

= Inercia de la sección transversal de la pieza [m4]

= longitud de la pieza [ m]

El subíndice cr que se asocia a la carga P, indica el carácter crítico de la carga de

compresión aplicada, la cual es la carga que lleva a la pieza a la inestabilidad elástica,

en el instante de la falla.

Otra utilización sencilla que permite realizar la ecuación de Euler, consiste

en aplicar directamente la LONGITUD DE PANDEO, sustituyéndola en la ecuación

24, a la longitud del elemento con extremos libres de girar. La longitud de pandeo

depende de la fijación de los extremos de la columna.

Figura 32. Representación de un elemento de máquina largo, con un extremo libre de girar, y el

otro guiado, sometido a compresión, o ambos libres de girar sometido a una carga axial F de compresión (la deformación del elemento ha sido magnificada).

66


Un ejemplo de esta aplicación se presenta a continuación considerando la pieza de

la figura 33, que es la representación de una pieza larga, con un extremo libre y el

otro empotrado. Si observamos la forma que adopta la pieza sometida a compresión,

se ve la similitud con la representada en la figura 32; la pieza de la figura 33 adopta

la forma de la mitad superior de la indicada en la figura 32; prolongando idealmente

la forma de la pieza con un extremo empotrado y el otro libre, como se indica en

trazos negros en la figura 33 .Se obtiene la misma de la pieza con ambos extremos

libres; pero esto ocurre para un elemento "ficticio" cuya longitud total es, en este

caso, el doble de la altura del original. Para este elemento se tiene entonces que su

longitud de pandeo LP es 2h. Haciendo esta sustitución en la ecuación 24 se obtiene.

Figura 33. Elemento de Máquina, con un extremo empotrado y el otro libre, sometido a una carga axial F de compresión.


Ec 25

Que para la pieza de la figura 33 es entonces

Ec 25a

67

Si se analiza la geometría que adoptan distintas piezas largas, sometidas a

compresión, en función de la manera de fijación de sus extremos, se puede tratar de

generalizar esta posibilidad que brinda la ecuación de Euler. Observando, para ello, la

figura 34; en 34.a se tiene una pieza con ambos extremos empotrados:

geométricamente se obtiene que su longitud de pandeo LP es igual a h / 2; para esta

pieza la ecuación 25 resulta

Ec 25b

La pieza representada en la figura 34-b, posee un extremo empotrado y el otro

libre de desplazarse verticalmente; nuevamente en forma geométrica se obtiene una

longitud de pandeo LP igual a 0,707 h; la ecuación 25 es:

Considerando las ecuaciónes 24; 25; 25a; 25b; 25c y los casos para los cuales son

válidas, se puede escribir la ecuación de Euler como

Ec 26

Ec 25c

Figura 34Representación de elementos de máquina largos, sometidos a la carga axial de compresión de compresión F; (a) elemento con ambos

extremos empotrados; (b) elemento con un extremo empotrado y el otro guiado.


68

En la ecuación 26, es el factor de fijación de extremos, y para los casos

presentados se tienen los siguientes valores

Con extremos libres de girar (caso de la Fig. 32).

Con un extremo empotrado y el otro libre (caso de la Fig. 33).

Con un extremo empotrado y el otro libre de desplazarse verticalmente

(guiado). (Caso de la Fig. 34-b).

Con extremos empotrados (caso de la Fig. 34-a).

Como se debe diseñar elementos de máquina, se considera la falla, es decir, se

añade un factor de seguridad y , siendo la carga que debe soportar la

pieza.

El coeficiente de esbeltez nos indica si determinado elemento de máquina, que

será sometido a tensiones de compresión, podrá ser considerado como una pieza corta

o larga; es decir aún no sabemos si elemento fallara por fluencia o si se presentara el

posible equilibrio inestable.

Ec 27

Este es el valor del coeficiente de esbeltez para el cual, las parábolas de Euler y de

Johnson, son tangente, es decir, ambos criterios son válidos

69

. Figura 35. Representación gráfica de los criterios de Euler y de Johnson


La parábola de Johnson describe la fuerza crítica como:

Ec 28

3.3.10 Soldadura a tope.

Este tipo de soldadura se utiliza en casos de tensiones de tracción o de compresión:

la figura 36 señala algunas de las formas típicas de esta soldadura.

i) Para el caso más general de soldadura a tope sometida a tensiones de tracción o

de compresión, se considera el caso representado en la figura 37 en el cual se señala

la existencia de cargas de tracción; se puede realizar un estudio análogo, para cargas

de compresión. Para el sistema de cargas indicado en la figura 37 se obtiene una

tensión aplicada dada por la expresión

σ=PA

Ec 29

Para este cálculo es necesario determinar el valor real del área A, el cual estará

determinado por el espesor de garganta que se tomara, en este caso, como el espesor

70

más delgado de las láminas (en la fig. 37 esp.< ESP.) multiplicado por la longitud

efectiva del cordón de soldadura Le: para este caso, y para todos los casos que se

consideren en adelante, esta longitud efectiva del cordón de soldadura será el

expresado por:

Le = L – [n (esp.)] Ec

30

Figura 36. Soldaduras a Tope, sometidas a tracción o compresión: (a) tope con

extremos rectos; (b) bisel a 60º; (c) doble bisel a 60º; (d) bisel simple a 45º. Fuente: Tassoni D. 2.007

71

Figura 37. Soldadura a tope, de dos láminas de distinto espesor, sometidas a

tracción (ESP. >Esp.) Fuente: Tassoni D. 2.007

En la ecuación 30, el valor de la variable n es el número de extremos en la

soldadura.

La tensión presente en un cordón de soldadura como el considerado en la figura

37, sometido a tracción o a compresión, es la indicada en la expresión

σ = ±( .)e

P

L esp Ec

31

3.3.11 Centro de gravedad y centroide

a) Centro de gravedad, es un concepto físico que tiene que ver con la ubicación

de un punto determinado en el cual un cuerpo se conservaría en equilibrio, cuando

actúa sobre él un campo gravitacional. Evidentemente este punto depende de varios

factores y por ende podría cambiar de posición en determinadas circunstancias.

En otras palabras, el centro de gravedad de un cuerpo es el punto respecto al cual

las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que

constituyen el cuerpo producen un momento resultante nulo.

De manera general si la gravedad, es constante, se puede calcular de la siguiente

manera:

Ec 32

72

Ec 33

Ec 34

En donde:

= Suma de momentos con respecto al eje X

= Suma de momentos con respecto al eje Y.

= Suma de momentos con respecto al eje Z.

= Ubicación del centro de gravedad en el eje X.

= Ubicación del centro de gravedad en el eje Y.

= Ubicación del centro de gravedad en el eje Z.

m = masa.

Figura 38. Centro de masa

Fuente: (Salazar, 2012)

a) Centroide, es un concepto geométrico que aplica sobre cualquier figura lineal,

plana o sólida. Solamente tiene que ver con su forma, por lo cual es inalterable. En el

73

caso de una esfera, el centroide siempre estará exactamente en el centro geométrico

de la misma.

Ec 35

Ec 36

Ec 37

En donde:

= área debajo del volumen respecto al eje X

= área debajo del volumen respecto al eje Y.

= área debajo del volumen respecto al eje Z.

= Ubicación del centroide en el eje X.

= Ubicación del centroide en el eje Y.

= Ubicación del centroide en el eje Z.

= volumen del cuerpo.

74

Figura 39. Centroide

Fuente: (Salazar, 2012)

75

CAPÍTULO IV

FASES METODOLOGICA

4.1 Fases Metodológicas

Fase I. Diagnóstico de la situación actual en la estación de montaje de estribos de

camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A. Esta fase

permitirá determinar las debilidades, visualizando cuales son los problemas que

existen y que los está afectando, para así analizarlos con mayor profundidad; se irán

implementando técnicas de recolección de datos como la observación directa y la

entrevista, a la muestra seleccionada. Según Arias (1999).

Las técnicas de recolección de datos son las distintas formas o maneras de

obtener la información. Son ejemplos de técnicas; la observación directa,

la encuesta En sus dos modalidades (entrevista o cuestionario), el análisis

documental, análisis de contenido, también define que los instrumentos

son los medios materiales que se emplean para recoger y Almacenar la

información. (p 25).

Se utilizaran estos instrumentos ya que se considera, son las técnicas más

apropiadas para recolectar los datos requeridos, la observación directa permitirá

observar atentamente el fenómeno, hecho o caso, tomar información y registrar para

su posterior análisis, por otra parte, la entrevista mostrara una serie de preguntas

dicotómicas y preguntas abiertas para así, obtener resultados puntuales.

Así mismo, la población está constituida por un conjunto de elementos o datos que

presentan características comunes o muy parecidas; o como la cita de Arias (1999)

“La población o universo se refiere al conjunto para el cual serán válidas la

conclusiones que se obtengan: a los elementos o unidades (personas, Instituciones o

cosas) involucradas en la investigación.” (p 22).

76

En tal sentido la población estará conformada por todos los trabajadores que

integran la estación de montaje de estribos de camiones cargo 816 en la empresa

Ford Motor de Venezuela S.A. ubicada en la urbanización industrial el bosque,

Valencia. El número de trabajadores que pertenecen a esta estación totalizan ocho (8)

los cuales desarrollan los siguientes cargos 1 supervisor de la línea, 1 líder de grupo y

6 obreros que realizan operaciones de montaje.

Por otra parte, la muestra es definida como un subgrupo de la población y para

seleccionar la muestra deben delimitarse las características de la población según

Arias (1999) “La muestra es un "subconjunto representativo de un universo o

población." (p 22).

Como anteriormente se mencionó, el universo de estudio de esta investigación,

está integrado por ocho (8) personas. Dada a que la población es pequeña se tomaran

como unidades de estudio e indagación a todos los individuaos que la integra. Por

consiguiente, en esta investigación de carácter organizacional, no se aplicara criterios

muéstrales, a objeto de extraer una muestra reducida del universo, y extender la

indagación a esta parte elegida de la población, para posteriormente efectuar la

conclusión o generalización en el universo estudiado.

Fase II. Revisar las posibles variables a modificar en la estación de montaje de

estribos de camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A. En

esta fase metodológica se examinara a fondo que variables referentes a disergonómia

e inseguridad se pueden modificar mediante el diseño y construcción de un asistente

manipulador para el montaje de estribos en los camiones cargo 816. Ford Motor

Company (2015). Señala que el manual Vehicle operations structures standards

(VOSS), son “un conjunto de requerimientos que deben cumplir todos los diseños y

equipos con respecto a fiabilidad, mantenibilidad, ergonomía y seguridad” p (4).

Así mismo, la implantación del manual VOSS servirá de base para enlazar los

datos previos del estudio, este análisis se hará a través de los instrumentos de

recolección de información, específicamente de la observación directa y la entrevista,

77

puesto que a través de las misma se facilita la generación de ideas de la población

objeto de estudio permitiéndole que al final se alcancen conclusiones sobre el

problema.

Fase III. Diseñar un asistente de manipulación para el montaje de estribos en

los camiones cargos 816 que cumpla con los estándares de ergonomía y

seguridad. Esta fase consistirá en desarrollar el diseño de un asistente de

manipulación de estribos teniendo como base los resultados de las evaluaciones de

los puestos de trabajos en estudio que será obtenido por medio de la comparación

entre la investigación de campo y los datos recogidos por las técnicas realizadas, lo

que permitirá conocer y determinar donde se encuentra las fallas que demanda la

aplicación de dicho asistente de manipulación. Por ello se consideraran las bases

teóricas desarrolladas, tomando en cuenta la constante evaluación que va a la par del

proceso de investigación.

Fase IV. Evaluar la factibilidad técnica y económica del proyecto propuesto. En

esta fase se evaluara si la solución propuesta, tiene las capacidades técnicas

requeridas por la empresa, corroborando que el personal posea el conocimiento de

cómo es la manera correcta de operar el asistente de manipulación de para el montaje

de estribos en los camiones cargos 816.

Así mismo, se analizaran el costo que se producirá al fabricar el diseño de la

propuesta con la intención de que la organización contemple dentro de sus planes de

inversión y establezca las prioridades correspondientes

78

CAPÍTULO V

RESULTADOS

En este proyecto de pasantías se plantearon una serie de fases, las cuales ayudaron

en la determinación del plan a seguir para la conclusión del mismo. A continuación se

expresan los datos encontrados en cada una de las fases planteadas.

5.1 Diagnóstico de la situación actual en la estación de montaje de estribos de

camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A.

Al observar el proceso de montaje de estribo en los camiones cargo 816 dentro de

la ensambladora de vehículos Ford Motor de Venezuela S.A., se logró determinar los

factores de disergonómia e inseguridad que suscitan en el momento que se realiza

dicho proceso. Se realizó una reunión con el departamento de mantenimiento y los

operadores encargados con el fin de recolectar información sobre los problemas que

se les presenta a la hora de montar los estribos, Luego se visitó el área de línea final

camiones; específicamente en la estación de montaje de estribos, y se realizó una

observación directa sobre el montaje del mismo en los camiones cargo 816 para así

percibir los factores disergonómicos e inseguros. Como se explicó en el capítulo II el

proceso de montaje de estribos en los camiones cargo 816 en la actualidad es de

manera manual, es decir, los operarios de cada lado del camión toman los estribos

con las manos de los rack(estante) ubicados en la estación, luego lo trasladan tres

metros hasta llegar a la cabina del camión, la cual se encuentra montada sobre la línea

de producción, en este punto los operarios posicionan el estribo en la parte baja de la

puerta del camión e insertan los pernos, ajustándolo luego con pistolas neumáticas.

Tal y como se mencionó anteriormente, los estribos inicialmente se encuentran

ubicados en un rack (estante) el cual se localiza en las estaciones de “Montaje de

estribo Izquierdo” y “montaje de estribo derecho”, estos se muestran en la figura 40.

79

Figura 40. (a) Estribos Izquierdo Montado en el rack; (b) Estribos Derecho Montado en el rack.

Fuente: Gonzalez L. (2015)

Aquí ya se presenta la primera falla, ya que como se explicó, los operarios tienen

que trasladar los estribos desde el rack (estante) hasta la posición de montaje que son

aproximadamente unos tres metros de distancia. Esta actividad de levantamiento y

porte son operaciones repetitivas y por ende físicamente agotadoras, y el riesgo de

accidente es permanente, en particular de enfermedades y lesiones como las que se

mencionan en el Apéndice G.

Otra de las fallas que presenta el proceso es aquella que se observa al momento de

ubicar los estribos en la parte inferior de las puertas de los camiones cargo 816, dado

que el área para la realizar dicha operación es muy reducida, esto trae como

consecuencia que las dos personas destinadas a montar los estribos se incomoden

para realizar su trabajo, además de sufrir de mala postura. Como se muestra a

continuación.

80

Figura 41. (a) Momento en que los operarios han recogido el estribo del rack y se preparan a montarlo; (b) Momento en que los operarios empiezan a cuadrar el estribó para su posterior

ajuste Fuente: Gonzalez L. (2015)

Figura 42. (a) Momento en que los operarios se encuentran colocando los pernos para su

posterior ajuste; (b) Momento en que los operarios empiezan a ajustar los pernos con una pistola neumática


5.2 Revisar las posibles variables a modificar en la estación de montaje de

estribos de camiones cargo 816 en la empresa Ford Motor de Venezuela S.A.

Luego de haber observado el proceso de montaje de estribos en los camiones

cargo 816, como se realiza y las fallas que se presentan en algunas de sus actividades,

se pudo establecer cuáles eran las variables a modificar para optimizar el proceso.

81

Para las mejoras del proceso se buscan los puntos claves de dicho proceso para

rediseñarlos o sustituirlos. Luego de un estudio en conjunto con los departamentos de

mantenimiento, departamento de logística y materiales (MP&L) y el departamento de

Vehicule Operation Manufacturing Engineer (VOME), basado en la factibilidad para

la empresa, se pudo concluir que la variable a modificar es: la manera de trasladar y

cuadrar los estribos en la cabina del camión cargo 816. De tal manera que se reduzcan

los riesgos de disergonómia y seguridad en los operarios.

5.2.1 Criterios para el diseño de posibles soluciones

Antes de generar las posibles soluciones para mejorar el proceso de montaje de

estribos en los camiones cargo 816 es necesario conocer las constantes que se

presentan en dicho proceso y la función principal de la solución.

5.2.1.1 Constantes en el proceso

Figura 43. Estribo izquierdo de camión cargo 816. Fuente: Ford Motor de Venezuela S.A.

En la figura 43 se enumeran las partes básicas que contiene un estribo de camión

cargo 816 las cuales son:

- 1 Cubierta lateral del estribo.

82

- 2 Guardafango.

- 3 Posapie.

- 4 Cubierta delantera del estribo.

En el anexo A se muestran de manera detallada las dimensiones de las partes

mencionadas.

5.2.1.2 Función principal de la solución

Montar el estribo en los camiones cargo 816 con el menor riesgo disergonómico e

inseguro así como también evitando la incomodidad de los operarios a la hora de

montar el mismo.

5.2.2 Propuestas de soluciones

Una vez establecidas las constantes del proceso y la función principal de la

solución y gracias a la ayuda de los departamentos de mantenimiento, logística y

materiales (MP&L), el departamento de Vehicule Operation Manufacturing Engineer

(VOME), operadores de la estación de montaje de estribo y mecánicos de la empresa,

fue factible generar las posibles soluciones para solventar el problema.

5.2.2.1 Propuestas de soluciones para el montaje de estribos en los camiones cargo

816

� Propuesta 1: Montaje de estribos con la cabina inclinada (PS1)

83

Figura 44. Secuencia de la propuesta 1

Fuente: Ford Motor de Venezuela S.A Funcionamiento del dispositivo

Los operadores (1) y (2) toman los estribos de la rack conjuntamente por la parte

inferior y superior respectivamente, ambos se mueven hacia la cabina del camión (3)

la cual se encuentra inclinada unos 45° con respecto al suelo, el operador (2) inclina

la parte superior del estribo (4) aproximadamente a la misma inclinación de la cabina

y empieza a sentarse con la espalda recta en la rueda (5) del camión cargo 816, por

otra parte el operador (1) sostiene la parte inferior del estribos (4) con las rodillas

inclinadas y la espalda recta, ambos comienza a posicionar el estribos (4) con la

cabina del camión (3) para posteriormente colocar los pernos y ajustar.

� Propuesta 2: Asistente de manipulación de estribos de camiones Cargo

816 con sujeción por pinzas neumático (PS2)

84

Figura 45. Asistente de manipulación de estribo de camiones cargo 816 (PS2)


85

Figura 46. Agarre del estribo por la PS2

Fuente: Gonzalez L. (2015) Funcionamiento del dispositivo

El operador toman el asistente de manipulación (1) por el manubrio (2) el cual

posee los mandos neumáticos (3) y (4) que controla las efector final(6) y el balancín

neumático (7); luego mueve el asistente de manipulación (1) hasta el rack donde se

encuentran los estribos de camión cargo 816 (5), en esta posición el operario empieza

a posicionar el asistente de manipulación (1) con el estribo (5) por medio del balancín

(7) que se controla presionando los pulsadores subir (12) y bajar (13) del mando (4),

ya posicionado el operador presiona simultáneamente los pulsadores abrir (9) del

mando (3) y común (11) del mando (4) para que así se abran las pinzas neumáticas

(6), en el momento que dichas pinzas abran por completo el operario las inserta en la

parte del estribo (8) para posteriormente presionar simultáneamente los pulsadores

cerrar (10) del mando (3) y común (11) del mando (4), cuando las pinzas neumáticas

(6) sujeta correctamente la parte del estribo (8) el operador presiona el pulsador subir

86

(12) y trasladara el estribo (5) hacia la línea de producción donde se encuentra el

camión cargo 816, finalmente posicionan el estribo (5) en la parte baja de la cabina

del camión para colocar los pernos y soltar el estribos (5) con los pulsadores abrir (9)

del mando (3) y común (11) del mando (4).

� Propuesta 3: Asistente de manipulación de estribos de camiones Cargo

816 con sujeción por ventosas (PS3)

Figura 47. Asistente de manipulación de estribo de camiones cargo 816 (PS3) Fuente: Gonzalez L. (2015)

87

Figura 48. Agarre del estribo por la PS3

Fuente: Gonzalez L. (2015) Funcionamiento del dispositivo

El operador toma el asistente de manipulación (1) por el manubrio (2) el cual

posee los mandos neumáticos (3) y (4) que controla el efector final (6) y el balancín

neumático (7); luego mueve el asistente de manipulación (1) hasta el rack donde se

encuentran los estribos de camión cargo 816 (5), en esta posición el operario empieza

a posicionar el asistente de manipulación (1) con el estribo (5) por medio del balancín

(7) que se controla presionando los pulsadores subir (14) y bajar (15) del mando (4),

ya posicionado el operador presiona simultáneamente los pulsadores succionar (11)

del mando (3) y común (13) del mando (4) para que se empiece a generar el efecto de

succión en las ventosas (17) y (18), en este momento el operario inserta la ventosa

horizontal (17) en la parte del estribo (8), la ventosa vertical (18) en la parte del

estribo (10) y la paleta de soporte en la parte del estribo (9), posteriormente el

operador presiona el pulsador subir (14) y trasladara el estribo (5) hacia la línea de

producción donde se encuentra el camión cargo 816, finalmente posicionan el estribo

(5) en la parte baja de la cabina del camión para colocar los pernos y soltar el estribos

(5) con los pulsadores soltar (12) del mando (3) y común (13) del mando (4).

88

5.2.3 Criterios de evaluación y escogencia de la propuesta

A continuación una lista de criterios y de restricciones, los cuales se deben tomar

en cuenta para el diseño de los nuevos dispositivos, que buscaran:

-Eliminar las formulaciones que se alejen de la definición operativa del problema

de diseño mecánico.

-Seleccionar la propuesta más adecuada para solventar la situación problemática.

5.2.3.1 Lista de criterios y restricciones para base de sensores.

o Lista de restricciones:

• Debe ser un dispositivo mecánico .(R1)

• Dispositivo de fácil uso.(R2)

• Edad del usuario entre 18 y 40 años.(R3)

• La altura no debe exceder los 100 cm.(R4)

• El ancho no debe exceder los 40 cm.(R5)

• Libertad de movimiento al desplazarse y girar.( R6)

o Lista de Criterios

• Mayor grado de innovación.(C1)

• Menor costo de fabricación. (C2)

• Mayor facilidad de construcción.(C3)

• Menor tiempo de fabricación.(C4)

• Menor mantenimiento.(C5)

• Mejores cualidades estéticas.(C6)

• La mayoría de sus parte deben encontrarse dentro de la planta.(C7)

• Mayores cualidades para disminuir los riesgos disergonómicos e inseguros.

(C8)

Aplicación de restricciones a posibles soluciones:

Como primer método tenemos la aplicación de restricciones a las probables

soluciones, lo cual consiste en eliminar las posibles soluciones que no satisfagan estas

89

restricciones como se puede observar en la tabla 2 a continuación:

Tabla 2: Aplicación de restricciones PS1 PS2 PS3

R1 NO SI SI

R2 SI SI

R3 SI SI

R4 SI SI

R5 SI SI

R6 SI SI


Según los resultados arrojados por la tabla de restricciones PS2 y PS3, se

convierten en soluciones S1 y S2, ahora para determinar cuál de las dos es más

apropiadas para resolver el problema, se procede a la ponderación de criterios la cual

consiste en darle un valor numérico a cada criterio, evaluando la importancia de los

mismos al compararlos entre sí, permitiendo conocer el criterio de mayor

importancia, lo cual se puede observar en la tabla 3:

Tabla 3: Ponderación de criterios C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 Número de

Veces PCX

C1 1 2

C2 C2 4 5

C3 C3 C2 3 4

C4 C4 C2 C3 2 3

C5 C5 C5 C5 C5 5 6

C6 C1 C2 C3 C4 C5 0 1

C7 C7 C7 C7 C7 C7 C7 6 7

C8 C8 C8 C8 C8 C8 C8 C8 7 8

importancia 7mo 4to 5to 6to 3to 8vo 2do 1er


90

Analizando la tabla 3, se puede observar que el criterio ocho es el de mayor

importancia, debido a que mayor número de veces aparece, siendo este, Mayores

cualidades para disminuir los riesgos disergonómicos e inseguros. Su ponderación de

criterio (Pcx), es igual a ocho ya que el criterio 6 tiene un número de veces igual a

cero y como no está permitido tener una ponderación de criterio igual a cero se le

suma 1 a cada uno de los números de veces que aparen los criterios.

Ponderación de soluciones respecto a cada criterio

Seguidamente como tercer método aplicamos una ponderación a las soluciones a

los criterios, lo que permite cuantificar la importancia de cada solución respecto a

cada criterio, como podemos ver en a continuación en la tablas 4-11:

� Ponderación de soluciones con respecto a criterio C1:

Tabla 4: Ponderación de soluciones con respecto a criterio C1

C1 S1 S2 Número de veces PX1=N

S1 1 P11=2

S2 S1 0 P21=1

Orden de aceptación 1er 2do





S1 0 P11=1

S2 S2 1 P21=2

Orden de aceptación 2do 1er


91




S1 1 P11=2

S2 S1 0 P21=1


Fuente: Gonzalez L. (2015) � Ponderación de soluciones con respecto a criterio C4:



S1 0 P11=1

S2 S2 1 P21=2






S1 0 P11=1

S2 S2 1 P21=2






S1 1 P11=2

S2 S1 0 P21=1



92




S1 1 P11=2

S2 S1 0 P21=1






S1 1 P11=2

S2 S1 0 P21=1



Ponderación final:

Finalmente como cuarto método tenemos la ponderación final, lo cual consiste en

una sumatoria total de los valores obtenidos en el tercer método, los cuales están

contenidos en las tablas 4-11, por lo que este método dará a conocer la mejor solución

que se aplica para estos criterios y restricciones ya establecidas en el proceso de

selección sistema de transmisión de potencia, lo cual se puede observar en la tabla 12:

93

Tabla 12: Ponderación final de criterios

PCX P1X PCX.P1X P2X PCX.P2X

PC1=2 P11=2 4 P21=1 2

PC2=5 P12=1 5 P22=2 10

PC3=4 P13=2 8 P23=1 4

PC4=3 P14=1 3 P24=2 6

PC5=6 P15=1 6 P25=2 12

PC6=1 P16=2 2 P26=1 2

PC7=7 P17=2 14 P27=1 7

PC8=8 P18=2 16 P28=1 8

Σ(PCX.P1X) =58 Σ(PCX.P2X) = 51


La Solución S1 se convierte en este caso en la solución definitiva (Ver figura 45).

5.3 Diseño de un asistente de manipulación para el montaje de estribos en los

camiones cargos 816 que cumpla con los estándares de ergonomía y seguridad

Al tomar en consideración los requisitos y necesidades dadas por los

departamentos de mantenimiento, logística y materiales (MP&L) y Vehicule

Operation Manufacturing Engineer (VOME) se llegó a la conclusión de que el equipo

no solamente tendría que disminuir los riesgos disergonómicos e inseguros, sino que

también la mayoría de las partes que lo conforman deben encontrarse dentro de la

planta Ford Motor de Venezuela S.A debido a la gran cantidad de piezas sin utilizar

que se encuentran en el almacén de dicha planta y que sin darles uso al cabo de

cierto tiempo se marcan como scrap (chatarra) y se destruyen.

Para proceder a realizar la selección y diseño de cada uno de los elementos que

conforman al asistente de manipulación, hay que tener en cuenta las cargas y los

esfuerzos a los cuales van a estar sometidos.

94

5.3.1 Selección del actuador neumático

El actuador neumático será el dispositivo que aplique la fuerza necesaria para

tomar la base del estribo ensamblado y transportarlo desde el rack hacia la posición

de montaje en la cabina del camión cargo 816; a continuación se presentaran los

cálculos usados para la selección de dicho actuador neumático:

Se usará para la elaboración de este trabajo los actuadores fabricados por la

compañía SMC, por dos razones, la primera es que es uno de los principales

proveedores de dispositivos neumáticos a la empresa Ford Motor de Venezuela S.A.

y la segunda es que existe un gran inventario tanto de actuadores neumáticos como de

sus kit de reparación en el almacén de dicha empresa. Dentro de la amplia gama de

productos que ofrece esta compañía se le dará especial atención a la línea de

actuadores neumáticos de pinzas paralelas, debido a su fácil implementación, bajo

costo, alta velocidad de reacción, gran fuerza de apriete, además de sujetan partes de

diversas formas y tamaños con total seguridad y que se pueden utilizar en espacios

reducidos.

a) Carrera

En primer lugar se procederá a establecer la carrera del actuador, la cual será igual

al ancho de la parte baja del estribo del camión cargo 816:

b) Diámetro del émbolo

El segundo aspecto necesario para la selección del actuador es el diámetro del

émbolo, el cual es proporcional a la fuerza de empuje deseada en la activación del

actuador si la presión de trabajo es constante. Lo anteriormente descrito se evidencia

en la ecuación 38, la cual se obtiene al emplear la fórmula del área de un círculo en la

ecuación 1.

95

Ec 38

Para los cálculos realizados se utilizará una presión de aire igual a la presión

efectiva de agarre de estos equipos, es decir:

Esta fuerza, para el caso específico de los actuadores de estilo de pinzas de agarre,

es distinta en el recorrido de avance y en el recorrido de regreso, ya que en el regreso

hay un vástago que disminuye el diámetro efectivo del émbolo. Por lo tanto al

simplificar la fórmula y despejar el diámetro se obtendrá:

Para calcular dicha fuerza se realizará un estudio de las fuerzas que interactúan

mediante un diagrama de cuerpo libre a la base del estribo cuando éste se encuentra

sujeto por las pinzas del actuador, ya que en este momento la fuerza será mayor

porque soporta el peso del mismo; al contrario de cuando está en avance que no

existirá gran fuerza que se oponga al movimiento lineal del actuador.

96

Figura 49. Diagrama de cuerpo libre de las pinzas sujetando el peso Fuente: Gonzalez L. (2015)

Al realizar la sumatoria de las fuerzas que interactúan, para un cuerpo estático se

obtendrá:

Ec 39

De donde:

- Fc: Fuerza cuando las pinzas sujetan el estribo. (N)

- mestribo: masa del estribo. (kg)

- g : aceleración de gravedad (9,81m/s2)

- µ: coeficiente de fricción estático entre las pinzas y la carga.

Entonces para poder determinar la fuerza que deberá ejerces el actuador es

necesario determinar el peso a transportar y el coeficiente de fricción entre las

superficies.

En el apéndice A podemos encontrar el coeficiente de fricción estático sabiendo

que las superficies en contactos son acero y goma o plástico.

Establecido el coeficiente de fricción y la masa se substituyen los valores en la

ecuación 39 para obtener la fuerza que deberá proporcionar el actuador.

Obtenida la fuerza necesaria se procede con el cálculo del diámetro del émbolo

mediante la ecuación 38:

Aunque las condiciones difieren de acuerdo a la forma de la pieza y el coeficiente

de fricción entre las pinzas de agarre y la pieza de trabajo, SMC corporation en su

catálogo de pinzas neumática MHL2 sugiere que al diámetro del embolo calculado se

97

le aplique un factor de seguridad entre 1 a 6; esto debido a que muchas veces las

condiciones de trabajo son diferentes al estado ideal. Se tomara un factor de

seguridad de 2 ya que el manual vehicle operation structure standard (VOSS)

establece que todos los actuadores de estilo pinzas neumáticas deberán soportar como

mínimo, 2 veces el peso de la carga a la cual estará sometido.

c) Selección de posibles actuadores neumático

Como tercer paso, comparamos la longitud de carrera y el diámetro del émbolo

obtenido en pasos anteriores con la tabla del apéndice B; de tal manera que podamos

disminuir el rango de posible actuador a utilizar.

Como se puede observar las dos posibles opciones de actuadores neumáticos de

estilo pinza paralelas son las siguientes:

� MHL2-32D1

� MHL2-40D

d) Verificación de existencia en el almacén de la planta ensambladora de

vehículos Ford Motor de Venezuela S.A.

Posteriormente a la selección de los posibles actuadores neumático de estilo pinzas

paralelas verificamos en el almacén de la empresa cuál de los tres se posee en el

inventario.

98

Figura 50. Búsqueda de los posibles actuadores neumáticos en la matriz de

inventario de almacén Fuente: Ford Motor de Venezuela S.A.

Como se observa en la figura 50 el actuador MHL2-40D se encuentra en el

almacén de la empresa con inventario y que aparte de ello presenta varios de sus kit

de reparación; por esta razón seleccionamos este actuador ya que beneficiaría a la

empresa por dos razones; la primera que utilizaría material que será destruido y la

segunda que se ahorraría tiempo ya que no es necesario hacer el registro en almacén

tanto del actuador y sus kit de reparación.

Tabla 13: Información en el almacén del actuador neumático. #Parte MHL2-40D

Descripción Parallel Style Air Gripper

Proveedor SMC corporation

Equipo GAN-0066

Requisito Hernan Brusco

Cod. SFR EF0563

Inventario 3

Programa Cargo 8 ton

Fuente: Ford Motor de Venezuela S.A.

99

e) Validar

Como punto final para la selección del actuador neumático verificamos que la

fuerza que proporciona el actuador si sirve para la sujeción del estribo de camión

cargo 816. Para ello procedemos de la siguiente forma:

� Fuerza ejercida por la carga:

� Punto de agarre:

Figura 51. Punto de agarre Fuente: (SMC Corporation, 2009)

En nuestro caso:

� Verificación de la fuerza del actuador

100

Con los datos obtenidos en los dos puntos anteriores ingresamos en el gráfico 1 y

verificamos si el actuador soporta dicha carga.

Grafico 1. Efectividad de la fuerza de agarre

Fuente: (SMC Corporation, 2009)

De la gráfica anterior podemos deducir que la fuerza necesaria de agarre se alcanza

aproximadamente a los 0,1 MPa, y que a una presión efectiva de 0,5MPa (condición

del punto b) el actuador soporta la carga con un factor de seguridad de

aproximadamente de 3.

5.3.2 Selección del balancín neumático

Podemos decir que el balancín neumático será el motor del manipulador de

estribos de camiones cargo 816 debido a que este dispositivo es el que encargará

tanto de suspender la carga como de subir, bajar y trasladar, desde el rack hacia la

línea de producción, por ello existen ciertas normas, reglamentos y códigos

necesarios para cumplir con todos los requisitos tanto de la Ford Motor Company

como locales, municipales y federales. A continuación se presentara algunos criterios

para la selección del balancín neumático establecidos en el un manual vehicle

operation structure standard (VOSS) de la Ford Motor Company.

101

� El uso de componentes, equipos y fabricantes no aprobado por la Ford Motor

Company sin presentación y aprobación de un Formulario de Solicitud de

Acción solicitando una desviación antes de abastecimiento, dará lugar a la

sustitución obligatoria de los componentes y equipo por el proveedor.

� Todos los componentes de carga deberán estar diseñados para proporcionar un

mínimo de un 5 factor de seguridad de diseño.

� Todos los balanceadores, sujetadores y accesorios suministrados, incluida la

fundición, forja, estampados y piezas soldadas, se clasificarán de manera que

las tensiones aplicadas a los equilibradores, conexiones o accesorios no

superen el 12 por ciento de la mínima resistencia a la rotura del material.

� Todos los componentes, soportes de seguridad redundantes y primaria deberán

ser capaces de soportar, como mínimo, 2 veces el peso combinado del

equilibrador, carga nominal y todos los archivos adjuntos.

� El regulador en línea estará dimensionado para limitar la presión de entrada al

equilibrador a máxima 100 psi.

� El peso total del efector de extremo y la carga debe ser menor por lo menos

70% que la capacidad declarada del balancín neumático.

� El ángulo de deflexión de la parte inferior del equilibrador con la carga no

debe exceder de 10 grados en cualquier dirección. � El indicador de fin de carrera (pelota parada) no debe ser reubicado de la

ubicación configurada en la fábrica, y debe ser colocado aproximadamente 25

mm de la cadena en la posición más alta.

Se usará para la elaboración de este trabajo los balancines neumáticos fabricados

por la compañía Knight Global, Inc por dos razones, la primera es que se encuentra

registrado y aprobado por los estándares de Ford Motors Company y la segunda es

uno de los proveedores que cumple con la mayor cantidad de estándares establecidos

en el vehicle operation structure standard (VOSS).

a) Carga a soportar por el Balancín

102

Como primer paso estableceremos la carga total que soportara el balancín

neumático; este no es más que la masa total del manipulado incluyendo todos las

partes que lo conforman más la masa del estribo.

Ec 40 De donde:

- msbalancin= Masa que soportará el balancín. (kg)

- mestribo= Masa del estribo de camión cargo 816. (kg)

- mActuadorN= Masa del actuador neumático. (kg)

- mtub= Masa de los tubos del manipulador. (kg)

b) Capacidad del balancín neumático

Para el cálculo de la capacidad del balancín se considera que la carga calculada en

el paso anterior no debe sobrepasar el 70% de la capacidad del balancín.

Ec 41

De donde:

- Cbalancin= Capacidad del balancín neumático. (kg)

- msbalancin= Masa que soportara el balancín. (kg)

Con la capacidad calculada del balancín neumático, recurrimos a la tabla del

apéndice C y buscamos el balancín neumático que más se acerque a nuestros

requerimientos. El cual es:

- Modelo KBC150-070 (knight)

103

5.3.2 Red de control neumático

Una vez seleccionados los dispositivos neumáticos a ser utilizados es necesario

elaborar un diagrama de control neumático que coordine la acción combinada de

dichos dispositivos; con el objetivo de realizar el transporte del estribo de camión

cargo 816 del rack hacia la línea de producción. Para esto se elaboró el diagrama de

flujo que además de ser una herramienta para entender el proceso, nos ayuda en el

diseño de la red de control neumático que gobiernan al balancín y al actuador lineal.

Con el diagrama de flujo de la figura 52 determinamos la operación en donde

encaja cada dispositivo neumático, la duración de su intervención y su

funcionamiento para con ello diseñar la red de control neumático que gobernara el

manipulador de estribos de camiones cargo 816.

104

Figura 52. Diagrama de flujo para el montaje de estribo en los camiones cargo

816. Fuente: Gonzalez L. (2015)

105

Figura 53. Diagrama de movimiento para la pinza neumático MHL2-40D, balancín neumático KBC150-070.


Para el diseño de la red de control neumático tomamos como referencia los dos

diagramas mostrados en la figura 54, enfatizando la intervención de los dispositivos

neumáticos y lo que se busca controlar. De acuerdo a esto resumimos el proceso de

montaje de estribo de camiones cargo 816 en tres operaciones simples, las cuales se

indican a continuación:

1) Tomar del rack el estribo de camión cargo 816

2) Levantar y trasladar el estribo de camión cargo 816.

3) Posicionamiento, fijación y liberación del estribo de camión cargo 816

106

A continuación se muestra la red de control neumático del manipulador de estribos

de camiones cargo 816 obtenidas del software de simulación Automation Studio, en

donde se ha diseñado en base a los puntos considerados previamente, una red

neumática de control que permita gobernar las intervenciones del balancín y la pinza

neumática.

Figura 54. Control y accionamiento neumático del manipulador de estribos de camiones cargo 816


107

5.3.4 Análisis mecánico de los elementos estructurales del asistente de

manipulación de estribos.

En la empresa se cuenta con tubos de acero 1020 de 1 pulgada para la fabricación

de: la estructura principal y el manubrio del asistente de manipulación. Es por esto

que los cálculos se basaron en las características de este material las cuales se pueden

visualizar en el apéndice D.

Datos:

- Acero AISI-SAE 1020.

- Sy= 205 MPa

- Su= 380MPa

- ρ1020=7,87g/cm3.

- De=33,4mm.

- Di=26,6mm.

a) Estructura principal del asistente de manipulación.

El análisis mecánico de la estructura se realizó mediante la teoría de falla de Von

MISES-HENCKY y luego se comprobó en el software Autodesk Inventor 2014 si

esta soportaría las fuerzas ejercida sobre ella. Debido a que la carga es mínima a la

estructura no se le realizo estudio de fatiga debido a que los picos máximos y mínimo

a través del tiempo son despreciables.

Las ecuaciones que a continuación se presentan se obtienen de realizar una

sumatoria de fuerza en el diagrama de cuerpo libre mostrado en las figuras 55:

Ec 43

Ec 44

Donde

108

- F=Fuerza ejercida por la carga.(N)

- Pc=Peso del actuador neumático.(N)

- Pt=Peso de la tubería.(N)

- T=Tensión ejercida hacia el balancín.(N)

- Fe=Fuerza de empuje.(N)

- Fr=Fuerza de roce entre las 4 Rueda del trolley y la rieleria.(N)

- m= masa del manipulador. (Kg)

- a= aceleración del manipulador. (m/s2)

Figura 55. Diagrama de cuerpo libre de la estructura del manipulador de

estribos Fuente: Gonzalez L. (2015)

Realizando una sumatoria de fuerzas a la figura 56 obtenemos las siguientes

ecuaciones:

Ec 45

109

Ec 46

Ec 46a

Ec 46b

Donde:

- Fp=Peso de todo el asistente de manipulación.(N)

- µ=coeficiente de fricción cinético.

- N= fuerza que ejerce la superficie sobre las ruedas del trolley. (N)

- Pbalancín = Peso del balancín neumático.(N)

Figura 56. Diagrama de cuerpo libre de las ruedas del trolley


De las ecuaciones 43, 44, 45, 46,46a y 46b se conoce:

110

- F=98,1N

- Pc=51,69N.(Apéndice B)

- µ=0, 04 coeficiente de fricción cinético entre el teflón y el aluminio (Apéndice

A).

- Pbalancín= 226,91N (Apéndice C)

� Cálculo del peso

del tubo (Pc)

Para el cálculo del peso del tubo procederemos de la siguiente forma:

Ec 47

Ec 48

Donde:

- Vtubo= volumen de

tubo.(mm3)

- Ltubo= Longitud

total del tubo.(mm)

- re= Radio exterior

del tubo.(mm)

- ri= Radio interior

del tubo.(mm)

Utilizando el anexo B podemos determinar la longitud del tubo de la siguiente

manera:

Ltubo=640+3. (152)+190+70+240+350+450= 2396mm

Valiéndose de la ecuación 48 calculamos el volumen del tubo:

Vtubo=767,78x103mm3

Por último, calculamos el peso del tubo con la ecuación 47:

Ptubo=59,27N

111

� Cálculo de la

tensión ejercida hacia el balancín (T)

Para encontrar la tensión ejercida hacia el balancín neumático recurrimos a la

ecuación 43:

T=209,06N

� Cálculo de la

fuerza de roce entre las ruedas del trolley y la rieleria (Fr)

De la ecuación 46a sabemos que:

Utilizando la ecuación 46 obtenemos:

Sustituyendo en la ecuación 46b los valores de T y Pbalancín: obtenemos:

N= 108,99N

Sustituyendo los valores obtenemos la fuerza de roce.

� Cálculo de la

Fuerza de empuje (Fe)

Para calcular la fuerza de empuje sustituimos los valores obtenidos en los pasos

anteriores, en la ecuación 44 o en la ecuación 45, teniendo en cuenta que la velocidad

a la cual se moverá el manipulador es constante lo que hace que la aceleración sea

cero.

Fe=17,4N

En la siguiente figura se muestran las fuerzas aplicadas en la estructura del

asistente de manipulación de estribos y la ubicación de su centroide el cual su

determinación se puede visualizar en el apéndice E.

112

Figura 57. Fuerzas aplicadas a la estructura del asistente de manipulación de

estribos Fuente: Gonzalez L. (2015)

Como se puede observar solo existirán fuerzas en los ejes X y Y lo que significa

que σz=0 por lo tanto solo tendremos tensiones principales ττττmax,σσσσ1 y σσσσ2, en el estado a

partir de las tensiones directas ττττx, σσσσx y σσσσy como se demuestra en la figura 30 del

capítulo III.

Ya que se evidencio la existencia de las tensiones máximas y tensiones

principales, se deben relacionar con las posibilidades de falla, para ellos primero se

analizara cada una de las fuerzas mediantes las ecuaciones 5, 12 y 12a, de manera de

poder determinar sus efectos sobre la estructura del asistente de manipulación.

� Fuerza F:

- Efecto primario;

Corte directo por F

113

- Efecto secundario

de F; corte por momento torsor respecto al centroide,

MT=0,1886m*149,7N= 28,23Nm

- Efecto terciario de

F; tensión por momento flector respecto al centroide,

Mf=0,234m*149,7N= 34,99Nm

De igual manera se calculan los efectos que producen las cargas Fe y T.

� Fuerza Fe:

- Efecto primario;

Corte directo por Fe

- Efecto secundario

de Fe; corte por momento torsor respecto al centroide,

MT=0 debido a que la fuerza no produce momento torsor


Fe; tensión por momento flector respecto al centroide,

Mf=0,0271m*17,4N= 0,47Nm

� Tensión T:

114

- Efecto primario;

Corte directo por T

- Efecto secundario

de T; corte por momento torsor respecto al centroide,

MT=0 debido a que la fuerza no produce momento torsor


T; tensión por momento flector respecto al centroide,

Mf=1,22x10-3 m*209,24N= 0,256Nm

En la figura 58 se muestra la interacción de los esfuerzos en la sección transversal

de un punto crítico de la estructura del asistente de manipulación de estribos, en ella

podemos observar que el esfuerzo resultante en X es mayor que el resultante en –X,

pero en –X es más crítico que en X.

Debido a que Syc<Syt para los aceros, es necesario estudiar en –Y donde los

esfuerzos son de compresión

115

Figura 58. Interacción de los esfuerzo en la sección transversal de la estructura


Para aplicar la teoría de falla de VON MISES-HENCKY es necesario sumar

ortogonalmente los esfuerzos primarios, de tal manera, que nos permita calcular un

esfuerzo de corte resultante.

- Como los

esfuerzos por efecto primario de F y T están paralelos, la resultante será la

suma algebraica de su magnitud y su dirección será igual a la de T debido a

que esta es mayor.

- Puesto que el

esfuerzo primario de Fe y la resultante τtf se encuentran perpendiculares entre

116

sí, la suma ortogonal de ellas se la raíz cuadradas de sus magnitudes al

cuadrado.

- De manera similar

a los pasos anteriores se obtiene σMf Resultante.

- Para calcular el

τres crearemos unos ejes X´, Y´, Z` para así evitarnos estar proyectando los

esfuerzos en los ejes X, Y.

Figura 59. Calculo del esfuerzo de corte resultante


117

Empleando la ecuación 22 de teoría de falla de VON MISES-HENCKY se tiene:

� Análisis de

fuerzas aplicadas a la estructura del asistente de manipulación de estribo

utilizando el software Autodesk Inventor 2014

Figura 60. Simulación de fuerzas aplicada a la estructura principal del

manipulador. Fuente: Gonzalez L. (2015)

En la figura 61 se puede ver el comportamiento que tiene la estructura del asistente

de manipulación del estribo con las cargas aplicadas. Utilizando Von Misses se

118

observa que el punto más crítico del soporte está en .4, 504 MPa y el limite elástico

de la estructura es de 205 MPa, siendo mucho mayor que el esfuerzo que esta debe

soportar.

Por otro lado, la figura 62 muestra, como era de esperarse, que el factor de

seguridad de la estructura del asistente de manipulación es igual a 7,5.

Figura 61. Análisis de fuerzas y obtención de factor de seguridad, realizado

mediante el software Autodesk Inventor 2014 Fuente: Gonzalez L. (2015)

b) Manubrio del asistente de manipulación.

Para el diseño del manubrio se cuenta con el mismo tubo de la estructura del

asistente de manipulación y primero determinaremos si la barra 1; mostrada en la

figura 63, falla por inestabilidad elástica o geométrica, luego a estudiaremos la barra

2 de la misma figura mediante la teoría de falla de Von Mises y por ultimo

verificaremos que la soldadura que une estas dos barras no fallara.

119

Figura 62. Manubrio del asistente de manipulación de estribo


� Barra 1

Para el diseño de esta barra del manubrio se verificará que esta no falla por

inestabilidad elástica o geométrica ya que no es un elemento de maquina corto y

puede suceder que el momento elástico interno no sea capaz de contrarrestar el efecto

de la carga Fe y que se produzca el fallo de la pieza.

Figura 63. Barra 1 del Manubrio Fuente: Gonzalez L. (2015)

Primero que nada, se calculara mediante la ecuación 27 el coeficiente de esbeltez

en el cual la teoría de Euler y Johnson son válidos.

120

Como es una barra que estará empotrada en ambos extremos n=4

Ec 41

Donde:

I: Inercia de la sección trasversal de la pieza. (m4)

R: radio de giro de la superficie. (m)

A: Área de la sección transversal de la pieza. (m2)

Sustituyendo los valores de la inercia y el área en la ecuación 41 nos queda:

Entonces:

Como la barra es de 350mm; se calculara el hmin de Johnson por medio del

coeficiente de esbeltez mínimo y se verificara que esta no sea un elemento corto

Como la longitud de la barra esta entre el rango de Johnson no fallara por

inestabilidad elástica.

Ahora para saber a qué carga crítica fallara la pieza calculamos el coeficiente de

esbeltez real y sustituyendo en la ecuación 28.

121

Como Fe < Pcr la pieza no fallara.

� Barra 2

Mediante la teoría de falla de Von Mises descrita en el capítulo III se comprobara

que esta barra no fallaría al aplicarle la fuerza Fe.

Figura 64. Barra 2 del manubrio


Como se observa el punto crítico de la pieza está en el medio de la misma por ello

aplicaremos la teoría de falla en este punto.

- Corte directo por Fe:

122

- Corte por torsión Mt=0

- Tensión por Mf=1522,5Nmm

Von Mises:

N=294,37

Con el factor de seguridad calculado comprobamos que esta barra tampoco fallará.

� Soldadura

En general los procedimientos de soldadura para perfiles rectangulares se pueden

utilizar de la misma forma que para los perfiles tubulares. Los perfiles tubulares se

pueden unir a soldadura en ángulo si la relación entre los diámetros de los tubos es

menor o mayor que 1 y si la separación a soldar no es mayor de 3mm, por otro lado si

la relación entre los diámetros es igual a 1 se puede utilizar soldadura a tope en todo

el perímetro.

123

Figura 65. Soldadura en tubos circulares. Fuente: (Instituto tecnico de la estructura en acero)

Como la fuerza es Fe podemos obtener σ mediante la ecuación 31, conociendo que

esp es el espesor del tubo y L es el perímetro de la circunferencia exterior.

Ahora se calcula el σadm, con el limite elástico del acero 1020 y un factor de

seguridad N = 3

Comparando σ con σadm, se puede observar que σadm> σ, comprobando así que

la soldadura resistirá.

5.4 Factibilidad técnica y económica del Proyecto Propuesto

5.4.1 Factibilidad técnica

El diseño de la propuesta es técnicamente factible, ya que la empresa cuenta con

todos los equipos, software, máquinas y herramientas necesarias para el

levantamiento en tres dimensiones, elaboración de planos y construcción del

dispositivo, es decir que la empresa no requiere realizar inversión en adquisición de

nuevos equipos, ni tampoco repotenciar o actualizar los equipos ya existente, ya que

124

los mismos satisfacen los requerimientos establecidos para el desarrollo de este

proyecto.

5.4.2 Factibilidad económica

A continuación se presenta un estudio que dío como resultado la factibilidad

económica de este presente informe de pasantía. Se determinaron los recursos para

desarrollar e implementar el asistente de manipulación de estribos de camiones cargo

816, haciendo una evaluación de la rentabilidad del proyecto y los beneficios que se

derivan de éste, lo cual permitió observar de una manera más precisa las bondades del

diseño propuesto.

� Análisis de Beneficios económicos

a) Mejora en el tiempo:

Este análisis permitió determinar el aumento de la producción de la empresa Ford

Motor de Venezuela S.A, y por ende de los ingresos de la empresa mediante la

disminución del tiempo gracias a la implementación del asistente de manipulación de

estribos de camiones cargo 816.

Los siguientes cálculos son basados en datos de producción de camión cargo 815

en la empresa Ford Motos de Venezuela S.A. debido a que el Cargo 816 aún no se

estaba ensamblando en Venezuela.

Datos:

- Producción de camiones cargo 815 en el año 2014: 700 unidades

- Días Laborables al año: 247 días.

- Horas laborables por día: 8 Horas.

- Estaciones en línea final de camiones =15

Con estos datos podemos calcular cuántos camiones cargo 815 se produjeron a

diario:

125

Debido a que un día laboral tiene 480 min podemos decir que el tiempo que cada

unidad estará en la línea final de camiones de la empresa Ford Motor de Venezuela

S.A. será igual a 160min/Unidad, esto quiere decir que en promedio la unidad estará

11min por estación.

En la estación que nos interesa se tomó el tiempo que los operarios duran

instalando el estribo en el camión cargo 816 y es de aproximadamente unos 15 min,

en lo cual 9 de los minutos eran de agarrar, trasladar, cuadrar e introducir el estribo en

el camión cargo 816.

Al implementar el asistente de manipulación de estribos de camiones cargo 816 el

tiempo que la unidad estaría en la línea será de 151min debido a que se eliminarían

los tiempos desperdiciados ya mencionados.

Entonces podemos decir que ahora las 3 unidades que se fabrican diariamente

estarían en la línea el tiempo de 453min o lo que es igual a 7 horas.

Si ahora las 3 unidades se producen en 7 horas, las 700 unidades que se

produjeron en el año se produciría en 1633 horas o lo que es igual a 204 días, es decir

que implementando el asistente de manipulación de estribos de camiones cargo 816

se pueden producir aproximadamente 72 unidades más en el mismo año de labor,

entonces podemos decir que se aumentaría la producción de camiones cargo 816 en

un 10%.

b) Disminución de lesionados:

En el año 2014 existieron 10 lesionados por la operación de montaje de estribos en

el camión cargo 815, es decir, que en promedio hubo 1 lesionado por cada 70

camiones que se ensamblo, esto trajo como consecuencia gastos por parte de la

empresa en indemnizaciones de los operarios lesionados y por ende la disminución de

las ganacias en la empresa, al implementar el asistente de manipulación de estribos de

camiones cargo 816 se disminuirá en un 100% los lesionados debido a que no

existirán condiciones disergonómicas e inseguras.

c) Disminución del personal en las estaciones

126

Al implementar el asistente de manipulación de estribos de camiones cargo 816,

no será necesario que en esta estación estén 2 personas, ya que no habrá la necesidad

de que una ayude a trasladar y sujetar el estribo mientras la otra lo instala. Estas dos

personas podrán ser reubicas en otras estaciones en donde si falte personal o

prescindir de su trabajo y dejar de pagar dos sueldos innecesarios.

� Análisis de costo

Este proyecto es económicamente factible por varias razones:

- Los costos de fabricación son relativamente bajos debido a que la mayoría de

sus partes se encuentran en el almacén de la empresa.

- La empresa obtiene benefician tales como el aumento de la producción debido

a la disminución de tiempo, disminución de las lesiones en los operadores ya

que no existirán riesgos disergonómicos e inseguros.

- Aumento de las ganancias debido al aumento de la producción disminución de

lesionado.

El apéndice F muestra una tabla de los elementos necesarios para construir el

asistente de manipulación, en ella podemos observar los componentes existentes en el

almacén de la empresa en verde y los que no se encuentran en rojo, es decir que la

inversión total para la construcción del asistente de manipulación será:

+

Se puede decir que la inversión sería mínima con respecto a las ganancias de la

empresa al vender los camiones cargo 816, lo que significa que es económicamente

factible el proyecto

127

CONCLUSIONES

Para el diagnóstico de los problemas disergonómicos e inseguros en el proceso de

montaje de estribo en los camiones cargo 816, fue necesaria la ayuda de los

departamentos de mantenimiento, departamento de logística y materiales (MP&L), el

departamento de Vehicule Operation Manufacturing Engineer (VOME) y los

operadores de la empresa Ford Motor de Venezuela; aunado al funcionamiento del

mismo para saber los objetivos que este debe cumplir. Con esto se hizo un análisis de

las fallas que estaba presentando y como podían ser corregidas.

Con un primer diagnóstico se pudo ver las fallas que se estaban presentando en el

proceso, la cual era: la alta rotación del personal en la estación de montaje de estribo

debido a los factores disergonómicos e inseguros que se presentan al momento de

colocar el estribo al camión cargo 816.

Utilizando como herramienta las ecuaciones presentadas en el capítulo III y el

programa de CAD/CAN/CAE Autodesk Inventor se facilitó hacer el diseño del

asistente de manipulación de estribos de camiones cargo 816 d, ya que con estas

fórmulas y ecuaciones se pudo comprobar si el material y las dimensiones eran las

correctas y recrearlas en el programa para tener una visión en tres dimensiones del

nuevo diseño.

Con la utilización de materiales que se encuentran en las instalaciones de la

empresa Ford Motor de Venezuela se logra evitar que muchos de dichos materiales

sean marcados como scrap (chatarra) y sean destruidos lo que beneficia a la empresa

reduciendo las pérdidas anuales.

Con la implementación del nuevo asistente de manipulación los operarios no

deben realizar mucho esfuerzo físico en su desempeño, ya que no tienen que ejercer

mucha fuerza para trasladar el estribo desde la carreta hacia la línea de producción, lo

cual se transforman en reducción de riesgos disergonómicos e inseguros.

128

Con la implementación del asistente de manipulación se aumenta la producción y

se disminuyen a un máximo la cantidad de lesionados, trayendo consigo más

ganancias a la empresa y menos problemas de índole sindical.

129

RECOMENDACIONES

En busca de dar un buen uso al dispositivo diseñado y alargar su periodo de vida, a

continuación se muestran una serie de recomendaciones.

Una vez ejecutado el proyecto se debe crear un plan de mantenimiento preventivo,

que siga las recomendaciones de los fabricantes de los equipos seleccionados, para

mantener las condiciones de operación del sistema.

Si se realiza un cambio en el proceso que implique un aumento mayor al 20% de

la carrera del actuador neumático es necesario reconsiderar la utilización del actuador

seleccionado en este trabajo.

Si se opera con el punto de agarre de trabajo más allá de los rangos indicados, la

carga que se aplicará a las pinzas se convertirá excesivamente desequilibrada. Como

resultado, las pinzas podrían llegar a aflojarse y afectar negativamente a la vida útil

del actuador.

130

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Facultad de Ingeniería. Universidad de Carabobo.

133

Apéndice

134

APÉNDICE A

Tabla de coeficiente de fricción estático Fuente: (SMC Corporation, 2009)

Tabla de coeficiente de fricción Cinetico Fuente: (Serway, 1997)

135

APÉNDICE B

Tabla de Modelo / Carrera Fuente: (SMC Corporation, 2009)

136

APÉNDICE C

Parámetros para la selección de un balancín neumático Fuente: (Knight Global, Inc., 2012)

137

APÉNDICE D

Características del material

Fuente: (Sumitec S.A)

138

APÉNDICE E

Centroide de la estructura Fuente: Gonzalez L. (2015)

139

APÉNDICE F

Presupuesto para la construcción del equipo Fuente: Gonzalez L. (2015)

Empresa Direccion

Departamento

Requisitor Telef.:

Descripcion Costo Cantidad Total Existencia en Almacen

Tubo de acero 1020 1"

Presupuesto Ford Motor Venezuela S.A.

VOMEJose Manuel Leon Hosto

Urb. Industrial el Bosque, Valencia

0424-4433058/0414-4336608

manguera en espiral

Bs.F 5.000

Bs.F 5.927

Bs.F 98.780

Bs.F 3.920

Bs.F 39.200

Bs.F 2.548

Bs.F 1.960

Bs.F 980

Bs.F 1.176

cable de seguridad

collares de ejes

unidad de mantenimiento

valvula de alivio

Balancin neumatico

pinzas neumaticas MHL2

Suspensor ajustable

riel

carretilla

carrilera

trolley

caja de control

Bs.F 7.840

Bs.F 7.840

Bs.F 156.800

Bs.F 117.600

Bs.F 5.880

1

4

2

2

1 Bs.F 39.200

Bs.F 2.548

Bs.F 1.960

1

1

4

5

1

1

conectores con salida 180°

conectores rosca hembra

Horas Hombre

2

5

5

10

10

10

10

valvula 5/3 centro cerrado

valcula 3/2

pulsadores

conectores con salida 90°

conectores en T

Bs.F 12.152

Bs.F 7.448

Bs.F 980

Bs.F 350

Bs.F 350

Bs.F 350

Bs.F 350

si

si

si

si

si

Bs.F 5.880

Bs.F 3.920

Bs.F 5.880

Bs.F 7.840

Bs.F 7.840

Bs.F 156.800

Bs.F 117.600

1

1

1

Bs.F 5.000

Bs.F 23.707

Bs.F 197.560

Bs.F 7.840

si

si

si

si

si

si

si

si

si

si

si

si

si

Bs.F 24.304

Bs.F 37.240

Bs.F 4.900

Bs.F 3.500

Bs.F 3.500

Bs.F 3.500

Bs.F 3.500

Horas Maquinas

100

250

120 horas

120 horas

Bs.F 12.000

Bs.F 30.000

By: Leonardo GonzalezDate: 9/06/2015

140

APÉNDICE G

Lesiones y enfermedades habituales en el lugar de trabajo Fuente: Gonzalez L. (2015)

141

142

Anexos

143

ANEXO A

Componentes de un estribo de camión cargo 816

Anexo A1. Cubierta lateral del estribo para camión cargo 816 (medidas en mm). Fuente: Ford Motor de Venezuela S.A

144

Anexo A2. Guardafango del estribo para camión cargo 816 (medidas en mm).

Fuente: Ford Motor de Venezuela S.A

130

Anexo A3. Posapie del estribo para el camión cargo 816 (medidas en mm).

Fuente: Ford Motors de Venezuela S.A.

131

Anexo A4. Cubierta delantera del estribo para camión cargo 816

(Medidas en mm). Fuente: Ford Motor de Venezuela S.A

132

ANEXO B

Asistente de manipulación de estribos de camión cargo 816.

133

134

Documents

DISEÑO DE UN ASISTENTE DE MANIPULACIÓN PARA EL MONTAJE DE ... · 5.1 Diagnóstico de la situación actual en la estación de montaje de estribos de ... Figura 20. Simbología de