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Máquina de Ensayo de Torsión Estática UCV MC-01
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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA MQUINA DE ENSAYO
DE TORSIN ESTTICA PARA EL LABORATORIO DE
DISEO DE LA ESCUELA DE INGENIERA MECNICA DE LA
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
por los Brs:
Cautela Padrn, William Enrique.
Moscianese Yaguare, Luciano.
Para optar al ttulo de Ingeniero
Mecnico.
Caracas, 2005.
1
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA MQUINA DE ENSAYO
DE TORSIN ESTTICA PARA EL LABORATORIO DE
DISEO DE LA ESCUELA DE INGENIERA MECNICA DE LA
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
por los Brs:
Cautela P. William E.
Moscianese Y. Luciano.
Para optar al ttulo de Ingeniero
Mecnico.
Caracas, 2005.
2
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA MQUINA DE ENSAYO
DE TORSIN ESTTICA PARA EL LABORATORIO DE
DISEO DE LA ESCUELA DE INGENIERA MECNICA DE LA
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
TUTOR ACADMICO: Prof. Antonio Barragn.
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
por los Brs:
Cautela P. William E.
Moscianese Y. Luciano.
Para optar al ttulo de Ingeniero
Mecnico.
Caracas, 2005.
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Cautela P. William E.
Moscianese Y. Luciano
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA MQUINA DE ENSAYO
DE TORSIN ESTTICA PARA EL LABORATORIO DE
DISEO DE LA ESCUELA DE INGENIERA MECNICA DE LA
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA.
Tutor Acadmico: Antonio Barragn.
Caracas, U.C.V.
Facultad de Ingeniera, Escuela de Ingeniera Mecnica.
Ao 2005.
135 pginas.
PALABRAS CLAVES: DISEO DE MAQUINAS DE ENSAYO.
En este trabajo especial de grado se describe detalladamente el proceso de
diseo y construccin de una Mquina de Ensayo de Torsin Esttica, que tuviera
caractersticas superiores a la mquina existente en el laboratorio actualmente. Para
ello se hizo una investigacin de las tecnologas existentes en el mercado, una
identificacin y estudio de usuarios, y un anlisis de parmetros ergonmicos que
involucran el uso de este tipo de mquinas. Luego utilizando tcnicas de creatividad
como tormentas de ideas y anlisis morfolgico, se lleg a diferentes conceptos
solucin, de los cuales se escogi el ms favorable. Se hizo el estudio respectivo de
cada pieza para determinar las dimensiones y el material a usar en cada una de ellas.
Finalmente se procede a describir el proceso de fabricacin, y se establecen los
criterios de operacin y mantenimiento de la mquina. El resultado de este trabajo fue
una mquina para ensayos de torsin con una capacidad nominal de 50 N*m, que
puede ensayar elementos de hasta 600 mm.
4
TABLA DE CONTENIDO
Capitulo 1 Anteproyecto.
1.1 Motivacin. 7
1.2 Antecedentes. 9
1.3 Planteamiento del problema. 9
1.4 Objetivos.
1.4.1 Objetivo General 12
1.4.2 Objetivos Especficos 12
1.5 Recursos disponibles. 13
1.6 Alcances 14
Captulo 2 Ensayo de Torsin Esttica.
2.1 Introduccin 15
2.2 Torsin Esttica. 15
2.3 Mtodo de Ensayo de Torsin Esttica. 19
Captulo 3 Estudio de las tecnologas existentes.
3.1 Introduccin 21
3.2 Elaboracin de la ficha tecnolgica 21
3.3 Anlisis de la informacin recopilada 25
Captulo 4 Estudio de usuarios y de ergonoma.
4.1 Introduccin 26
4.2 Investigacin de usuarios... 26
4.2.1 Desempeo Funcional 27
4.2.2 Requerimientos Fsicos.. 28
4.2.3 Factores Humanos. 29
4.3 Ergonoma. 30
4.3.1 Ergonoma de los controles y mandos 32
5
Captulo 5 Generacin de soluciones.
5.1 Introduccin 39
5.2 Mtodo de Diseo.. 39
5.3 Clarificacin de Objetivos. 40
5.4 Establecimiento de Funciones 43
5.5 Requerimientos.. 46
5.6 Generacin y Evaluacin de alternativas.. 49
Captulo 6 Desarrollo del diseo.
6.1 Introduccin... 57
6.2 Apariencia inicial de la Maquina de Ensayo propuesta 57
6.3 Ingeniera de Detalle .. 59
Captulo 7 Mquina de Ensayo de Torsin Esttica Final.
7.1 Introduccin 98
7.2 Resultado del diseo. .... 98
7.3 Ficha Tcnica. 103
Captulo 8 Fabricacin
8.1 Introduccin.. . 108
8.2 Descripcin de la fabricacin 108
8.3 Exactitud de la mquina 119
8.4 Operacin y Mantenimiento. .... 123
Recomendaciones 131
Conclusiones 132
6
Anexos.. 134
Bibliografa.. 136
ndice de Ilustraciones, Fotografas y planos 138
7
DEDICATORIA
Luciano
A mis padres Ercole y Carmen Luisa
A mi hermana Antonella.
William
A mis padres Domenico e Ysbelia.
A mis hermanos Domingo, Alexander y Franklin.
8
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Central de Venezuela.
Prof. Antonio Barragn.
A la Escuela de Ingeniera Mecnica de la U.C.V.
Prof. Andrea Scagni.
Prof. Alberto Pertuz.
Prof. Cesar Ferrer.
Prof. Crisanto Villalobos
Prof. Enrique Limongi.
Prof. Jorge Barillas
Prof. Manuel Martinez.
Prof. Rafael Valderrama.
A todos los tcnicos del taller de la Escuela de Mecnica.
A.C. Talleres Escuela Tcnica Don Bosco.
Xacta C.A.
Hernn Gmez.
Del Instituto Universitario Tecnolgico (IUTEC)
Prof. Wilson Gamboa.
Prof. Wladimir Delgado.
9
Luciano:
A mis padres Ercole y Carmen Luisa y a mi hermana Antonella, sin su apoyo
durante estos aos esto hubiese sido imposible. A Patrizia por todo su amor y
comprensin en los momentos buenos y malos. A la Sra. Tania por atenderme como a
un hijo, al Sr. Arnaldo y a Mariella por tratarme como parte de la familia.
A mis compaeros y amigos dentro y fuera de la universidad: Ismael,
William, Os, Alfredo, Rafael, David Alfaro, David Carrera, Gernimo, Alfredo
Garca, Omar, Gustavo, Cesar El Cumans, Andrea, Leonardo, Marianella, Karine,
Jos Manuel, Angie, Jos Moreno, Jos Miguel, Guarata, Fernando, Randolf, Nelson,
Carlos, Mario. A todas mis Ex novias, que no voy a enumerar ahorajeje. A todas
las personas que en este momento no recuerdo, pero que seguro van a leer esto. A mis
guitarras, a la msica, al ftboly tambin porque no, a todas las personas que me
dieron la rabia para seguir adelante durante todo este tiempo.
William:
A mis padres Domenico e Ysbelia.
A mis hermanos Domingo, Alexander y Franklin.
A Nerys Gonzales por todo su amor y comprensin en cada momento.
A mis primas Celibeth y Celina por todo su apoyo y cario.
A mi to Atilio Cautela.
A mi primo Andy Padrn.
10
CAPTULO I
INTRODUCCIN.
1.1 MOTIVACIN.
El Departamento de Diseo de la Escuela de Ingeniera Mecnica cuenta con
diversos espacios en los cuales se realizan diversas pruebas y experimentos que
buscan validar o demostrar en la prctica los conocimientos tericos que se imparten
en las clases de las diferentes ctedras que dicta dicho departamento. Durante muchos
aos en el Laboratorio de Diseo de la Escuela de Ingeniera Mecnica de la
Universidad Central de Venezuela se han hecho pruebas en la mquina de ensayo de
torsin esttica exclusivamente para la formacin acadmica pero nunca orientada
hacia la investigacin.
En el caso especfico del tema de Torsin, se cuenta con una mquina en la
cual se pueden realizar ensayos de torsin esttica donde se pueden analizar la
relacin entre el torque aplicado a una probeta y su deformacin, tambin se puede
medir el efecto de los esfuerzos residuales y el efecto sobre dichos esfuerzos en la
superficie de la probeta, adems aadiendo tratamientos trmicos a las probetas
ensayadas se puede demostrar su utilidad para minimizar los esfuerzos producto de la
torsin. Es evidente entonces la versatilidad de una maquina que realiza ensayos de
torsin.
En el caso especfico del laboratorio actualmente se cuenta con una mquina
de torsin marca Tecquipment cuyas especificaciones son las siguientes:
Capacidad Nominal 30 N*m (300 lb* in ) Dimetro de la base 76 mm Largo de la base 914 mm Peso Total 76 kg Longitud mxima de la probeta 450 mm
11
La mquina posee un cabezal rgido con un tensor manual, que bsicamente es
una caja reductora de tornillo sin fin con una relacin de transmisin de 60:1, dicho
cabezal posee un medidor de ngulo de torsin conformado por una escala circular
con una apreciacin de grado. Tambin posee un contador de revoluciones del
rbol interior de la caja reductora. Sobre el extremo libre al cual se sujeta la probeta,
se encuentra una balanza de torque, la cual esta fija sobre el bastidor de la mquina,
esta balanza tiene la posibilidad de dar la lectura del torque especfico en lbs*in o en
Kg*cm.
La mquina trabaja esencialmente con probetas de acero al carbono de
diferentes tipos, aluminio y latn. Dichas probetas estn clasificadas de la siguiente
manera:
T15 0,15 % acero al carbono estirado. T15N 0,15 % acero al carbono normalizado a 900 C. T40 0,40 % acero al carbono estirado. T40N 0,40 % acero al carbono normalizado a 860 C. TR Aleacin de aluminio B.S. 1476-H.E.14 recocido. TX Latn B.S.249.
En la actualidad las mquinas de ensayo de torsin estn hechas en base al uso
de equipos que permitan mejorar la exactitud de la medicin. Las casa fabricantes
ofrecen mquinas de diferentes capacidades, pero todas tienen en comn que su
diseo permita la realizacin de la mayor cantidad de pruebas posibles y hasta tratan
de tener la mayor adaptacin posible a los elementos a ensayar, pues algunas poseen
mordazas intercambiables. Es as como conseguimos que estas mquinas actualmente
cuentan con medidores de torsin y contadores digitales, extremos mviles
automticos, sistemas de mando y control, estndares de requerimientos de ruido y
seguridad de operacin, kits de sujetadores intercambiables, etc. Todo esto permite
trabajar con comodidad al momento de realizar los experimentos relacionados con la
verificacin de la ecuacin de torsin elstica, la determinacin de los mdulos de
rigidez y de esfuerzo de corte y deformacin, determinacin de los esfuerzos de
12
deformacin superior e inferior para probetas de acero, investigacin del
comportamiento de los materiales bajo deformacin plstica y el fenmeno del
endurecimiento de trabajo, la determinacin de mdulos de ruptura en torsin, las
pruebas de torsin inversa para demostrar el efecto Baueshinger o torsin en sentidos
opuestos, y de los esfuerzos de textura en fuerza de torsin, as como demostrar el
efecto del tratamiento trmico en esfuerzos residuales y fuerzas de torsin.
Con la intencin de disminuir las diferencias tecnolgicas de las mquinas
actuales para ensayos de torsin y la mquina presente en el laboratorio de diseo, el
laboratorio de propone el diseo y la construccin de una maquina para ensayos de
torsin esttica capaz de realizar los experimentos inherentes a la materia con una
mayor exactitud y que a la vez pueda ser usada no solo con el fin acadmico sino
tambin en labores de investigacin. Una mquina con la cual se puedan manejar
mayores cargas, que no solo trabaje con probetas prediseadas sino tambin que
ample su rango de trabajo y pueda ensayar elementos de maquinas de diversas
geometras a travs del diseo novedoso de mordazas que le permitan a la maquina
realizar dicho trabajo. Todo en busca de beneficiar no solamente a la Escuela de
Ingeniera Mecnica, pues otras dependencias en la universidad o fuera de ella se
podran beneficiar con el ensayo de piezas en esta mquina.
1.2 ANTECEDENTES.
En el ao 1969 se presento un Trabajo Especial de Grado titulado Diseo
Preliminar de una Maquina de Ensayo de Torsin Pura elaborado por Antonio
Castellet R. Este trabajo tuvo como finalidad desarrollar una propuesta para una
maquina de ensayo a torsin pura.
El diseo fue hecho considerando que dicha maquina seria capaz de producir
y soportar esfuerzos para realizar ensayos a torsin esttica, alternativa e intermitente.
El objetivo principal de dicha maquina era la construccin de la Curva de Whler y el
Diagrama de Smith a partir del ensayo de probetas especficamente de acero,
13
fundicin, bronce y aluminio en dicha maquina. El diseo esta caracterizado por el
uso de barras cuyo comportamiento cinemtico, impulsado por un motor elctrico,
transmite esfuerzos de manera esttica, alternativa e intermitente a la probeta. Los
resultados obtenidos se registran en elementos indicadores de la poca (1969),
caracterizados por equipos medidores de aguja. El desarrollo de este trabajo fue
totalmente terico pues nunca se construy dicha maquina.
Para el ao 1973, se realiz otro Trabajo titulado Proyecto e Instalacin del
laboratorio de Elementos de Mquina, en dicho trabajo se present la alternativa
para la distribucin de los equipos de ensayos que se utilizaban en el laboratorio en
ese entonces en el laboratorio. En este trabajo se encuentran detalles valiosos sobre
los equipos de ensayos de esa poca, muchos de los cuales an siguen operativos o en
el laboratorio como es el caso de la mquina de ensayos de torsin esttica. Tambin
se establecieron all modelos a seguir para la operacin de cada mquina, incluyendo
los procedimientos de la prctica de laboratorio que seguiran los estudiantes con
dichos equipos.
Recientemente en el ao 2003 se realizo un Trabajo Especial de Grado por
Homer Frassier y Lino Espinar en el que se propuso el diseo y construccin de un
banco de pruebas estticas de slidos. Este trabajo surgi debido a las necesidades de
utilizar equipos didcticos para complementar la formacin didctica de los
estudiantes de la asignatura Mecnica de Slidos la cual se cursa en el sexto semestre
de la carrera de Ingeniera Mecnica. La idea de tal proyecto es presentar una
alternativa para permitir la demostracin de los fenmenos estudiados en dicha
materia de manera visual.
Este trabajo especial de grado presenta una opcin verstil para realizar
mltiples ensayos a las probetas pues presenta la ventaja de permitir la lectura de los
resultados obtenidos directamente en una pantalla, disminuyendo as los errores de
medicin.
14
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En los ltimos aos se han recibido solicitudes por parte de personas e
instituciones tanto internas como externas para realizar ensayos de torsin esttica
con fines investigativos en la mquina destinada para tal fin ubicada en el Laboratorio
de Diseo de la Escuela de Ingeniera Mecnica de la Universidad Central de
Venezuela.
En muchas oportunidades dicha mquina no puede cumplir con esas
solicitudes ya que los elementos a ensayar sobrepasan los limites de carga o las
especificaciones dimensinales para la cual la maquina fue diseada tenindose que
adaptar los diferentes elementos estructurales a las mordazas existentes en la mquina
y as obtener un ensayo aproximado pero no el ms adecuado.
Dicha problemtica nos hace proponer el diseo y la construccin de una
nueva mquina para realizar ensayos, capaz de suministrar mayores cargas, que
maneje diversas posibilidades de agarre del elemento a ensayar y que posea mordazas
de mayores dimensiones que las que maneja actualmente la maquina del laboratorio.
Figura1.1 Mquina actual para Ensayos de Torsin Esttica ubicada en el Laboratorio de
Diseo de la Escuela de Ingeniera Mecnica de la Universidad Central de
Venezuela.
15
1.4 OBJETIVOS.
1.4.1 OBJETIVO GENERAL.
Diseo y construccin de una mquina de ensayos de torsin esttica para el
Laboratorio de Diseo de la Escuela Ingeniera Mecnica de la Universidad Central
de Venezuela.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS.
- Investigar cuales son los parmetros y propiedades de los elementos
sometidos a torsin que se determinarn experimentalmente en el ensayo.
- Anlisis de las diferentes tecnologas de mquinas de ensayo de torsin
esttica existentes en el mercado.
- Anlisis del equipo que actualmente funciona en el Laboratorio de Diseo.
- Determinar cuales son las necesidades del Laboratorio en relacin con la
mquina de ensayo de torsin esttica, con el fin de determinar la carga
mxima de operacin y las dimensiones de los elementos a ensayar.
- Identificacin e investigacin de usuarios y anlisis de los parmetros
ergonmicos involucrados en el problema.
- Establecer las especificaciones tcnicas de la mquina de torsin esttica.
- Proponer diferentes conceptos solucin, utilizando tcnicas de creatividad, tal
como tormenta de ideas, anlisis morfolgico, analogas, inversin, etc.,
seleccionando la mejor solucin sobre la base de criterios previamente
establecidos.
- Seleccin de la forma final de los diferentes elementos estructurales de la
mquina y clculo de esfuerzos a los cuales estarn sometidos.
16
- Seleccin de materiales para la construccin de la mquina de torsin
esttica, considerando las condiciones de carga a las cuales estar sometida,
as como los acabados superficiales.
- Seleccin de los equipos de instrumentacin para la adquisicin de datos en
los ensayos.
- Elaboracin de los planos de la mquina.
- Construccin de la mquina de ensayo de torsin esttica.
- Elaboracin de manuales de operacin y mantenimiento.
1.5 RECURSOS DISPONIBLES.
RECURSOS BIBLIOGRFICOS.
- Biblioteca Central de la Universidad Central de Venezuela.
- Biblioteca de la Facultad de Ingeniera de la U.C.V.
- Biblioteca de la Escuela de Ingeniera Mecnica de la U.C.V.
RECURSOS COMPUTACIONALES
- Paquetes computacionales para el diseo en ingeniera como Autocad 2004,
SolidWorks, Inventor, Mechanicals Desktop, etc.
RECURSOS TCNICOS Y CONTRUCTIVOS.
- Diversas mquinas-herramientas de los laboratorios de Diseo y Tecnologa
Mecnica de la Escuela de Ingeniera Mecnica.
RECURSOS MONETARIOS.
- Aportados por la Direccin de la Escuela de Ingeniera Mecnica.
17
1.6 ALCANCES
- Analizar los aspectos ergonmicos, tecnolgicos y de usuarios con el fin de
establecer las especificaciones de la mquina de torsin esttica a disear.
- Establecer las especificaciones tcnicas de la mquina de torsin esttica.
- Proponer diferentes conceptos solucin, utilizando tcnicas de creatividad, y
seleccionar la mejor solucin sobre la base de criterios previamente
establecidos.
- Seleccin de la forma final de los diferentes elementos estructurales de la
mquina y clculo de esfuerzos a los cuales estarn sometidos.
- Seleccin de materiales para la construccin de la mquina de torsin
esttica, considerando las condiciones de carga a las cuales estar sometida,
as como los acabados superficiales.
- Seleccin de los equipos de instrumentacin para la adquisicin de datos en
los ensayos.
- Elaboracin de los planos de la mquina.
- Construccin de la mquina de ensayo de torsin esttica.
- Elaboracin de manuales de operacin y mantenimiento.
18
CAPTULO II
ENSAYO DE TORSIN ESTTICA.
2.1 INTRODUCCIN.
Es importante al realizar la construccin de una mquina, revisar los aspectos
tericos relacionados con las tareas que va a ejecutar dicho equipo. En este captulo
se muestran los aspectos tericos sobre Torsin, de manera de tener claro el
fenmeno que se va medir con la mquina que se pretende construir.
2.2 TORSIN ESTTICA.(1)
La torsin se refiere a la deformacin que aparece en un slido cuando una
parte de l es sometida a un movimiento de rotacin, en tanto que el resto permanece
fijo. Los elementos sometidos a torsin se encuentran en muchas situaciones y en
diversos tipos de mquinas. La aplicacin ms comn se observa en los ejes de
transmisin que se usan para transferir potencia de un punto a otro.
Si se supone un eje circular unido a un soporte fijo en un extremo, y se le
aplica un torque T en el otro extremo, el eje queda sometido a torsin y su extremo
libre rota un ngulo llamado ngulo de torsin. Dentro de ciertos lmites, el ngulo
de torsin es proporcional a T. Generalmente cuando se estudia la Torsin los
propsitos son: encontrar una relacin entre , la longitud del elemento L y el torque
aplicado T, y determinar la distribucin de esfuerzos cortantes en el elemento, en este
caso de supuesto, el eje.
19
Figura 2.1 Eje sometido a torsin.
En la figura 2.1 se observa un eje circular de de longitud L y radio c que se ha
sometido a un ngulo de torsin , si se extrae de l un cilindro de radio y se
considera un elemento cuadrado formado por dos crculos adyacentes y dos rectas
adyacentes en la superficie del cilindro. Se observa que al someter ese eje a torsin, el
elemento se transforma en un rombo. La deformacin cortante a la cual est sometido
ese elemento se mide en los ngulos formados por los lados del elemento, por
consiguiente el valor de la deformacin cortante ser:
L = Ecuacin 2.1
Donde los valores de y se expresan en radianes. La ecuacin 2.1
demuestra que la deformacin cortante en un punto dado de un eje sometido a
torsin es proporcional al ngulo de torsin . Tambin demuestra que es
proporcional a la distancia desde el eje hasta el punto considerado. Finalmente se
puede concluir que la deformacin cortante en un eje circular vara linealmente con la
distancia al centro del eje. Por lo tanto si se considera que la deformacin cortante
mxima se presenta en la superficie de dicho eje y que a partir de eso = c.
Lc =max Ecuacin 2.2
20
Esfuerzos en el Rango Elstico.
Si se considera el caso en el cual el torque T es tal que todos los esfuerzos
cortantes permanecen por debajo del lmite de fluencia, se sabe entonces que los
esfuerzos en el eje permanecern por debajo del lmite proporcionalidad y del lmite
elstico tambin. Aplicando la Ley de Hooke y sin la existencia de deformaciones
permanentes.
Ley de Hooke. = G Ecuacin 2.3
Donde G es el Mdulo de Rigidez del material, si se considera la ecuacin 2.2 se
tiene que:
)( max = Gc
G Ecuacin 2.4
Finalmente,
max =c
Ecuacin 2.5
La ecuacin muestra que mientras no se exceda el lmite de de fluencia en
alguna parte del eje circular, el esfuerzo cortante en el eje vara linealmente con la
distancia al centro del eje. Si se considera la distribucin de la fuerza internamente
en el eje, se debe tomar en cuenta el momento polar de inercia J de la seccin
transversal con respecto al centro del eje. Tal situacin hace que la expresin del
esfuerzo cortante a cualquier distancia del centro del eje se exprese como:
JcT )( =
Los materiales dctiles fallan generalmente por un esfuerzo cortante. Por
21
consiguiente cuando se somete una probeta hecha con un material dctil, se rompe en
el plano perpendicular a su eje longitudinal; en cambio los materiales frgiles son ms
dbiles a tensin que a esfuerzo cortante. Por lo tanto al someter una probeta
construida de un material frgil, tiende a fallar en las superficies perpendiculares a la
direccin en que la tensin es mxima, es decir, en las superficies que forman 45 con
el eje longitudinal de la probeta.
ngulo de Torsin en el Rango Elstico
Si se mantienen las mismas suposiciones hechas en los prrafos anteriores, la
Ley de Hooke es vlida, por lo tanto la expresin de la deformacin cortante ser:
GJcT
G == maxmax Ecuacin 2.6
Entonces la ecuacin que describe el ngulo de Torsin queda:
GJcT
= Ecuacin 2.7
Donde est en radianes. Dicha relacin muestra que dentro del rango
elstico, el ngulo de torsin es proporcional al torque T aplicado. Con la ecuacin
2.7 se puede determinar el mdulo de rigidez de un material, utilizando una mquina
para prueba de Torsin, pues sobre una probeta cilndrica se aplica un torque T de
magnitud creciente, y se registran los valores correspondientes del ngulo de torsin
en una longitud L. Mientras no se exceda el esfuerzo de fluencia del material, los
puntos obtenidos al trazar T vs. se localizarn en una lnea recta. La pendiente de
esta lnea representa la cantidad J*G/ L, de la cual puede calcularse el mdulo de
rigidez G.
22
MTODO DE ENSAYO DE TORSIN ESTTICA.
El Mtodo de Ensayo de Torsin Esttica consiste en la obtencin del mdulo
de corte o mdulo de rigidez experimental de un material siempre que sea ensayado
en su rango elstico por medio de la aplicacin de un momento torsor en una mquina
diseada para tal fin. El ensayo de torsin se logra aplicando un par de fuerzas o
momento de torsin a extremo de una probeta circular en un plano perpendicular al
eje de la misma, esta aplicacin del momento se realiza en un extremo de la probeta
mientras el otro extremo se mantiene fijo o empotrado.
La mquina general de ensayo de torsin consta de una base rgida que puede
ser de forma circular o romboidal que hace de bancada para la mquina en general,
sobre ella se encuentran varios dispositivos como lo son: una caja reductora, dos
mordazas para la sujecin de la probetas, el instrumento de medicin del torque
aplicado, el instrumento de medicin para el ngulo de torsin, un contador de vueltas
para el eje de entrada de la caja reductora y niveladores de burbuja para equilibrar la
mquina antes y despus del ser aplicadas las fuerzas de torsin.
El cabezal donde esta montada la caja reductora se mueve a todo lo largo de la
bancada de la mquina, esto es para fijar la posicin necesaria del cabezal segn el
largo de la probeta a ensayar. La aplicacin de la fuerza se logra bsicamente por
medio de una caja reductora de fuerzas que generalmente es de tornillo sin fin con
relacin de transmisin de 60:1, esto quiere decir que por cada sesenta vueltas
completas del eje de entrada de la caja el eje de salida da una vuelta completa. Este
tipo de caja reductora tiene la ventaja de que solo pueden ser aplicados giros desde su
eje de entrada puesto que la operacin inversa no puede realizarse ya que la
configuracin del tornillo sin fin no permite el movimiento de reversa desde el eje de
salida de la caja, lo que la hace perfecta para la aplicacin del torque a la probeta.
23
Figura 2.2 Caja reductora de tornillo sin fin
Una vez sujeta la probeta entre las dos mordazas y sin aplicar ninguna fuerza
se nivela o equilibra la maquina horizontalmente por medio de los niveladores de
burbuja, tambin se debe poner en cero el instrumento medidor de torque as como el
medidor de ngulo. Se hace girar la probeta con el volante de entrada de la caja
reductora, los dos extremos de la probeta giran obtenindose as en ngulo de torsin
al cual se esta sometiendo el material, este ngulo es ledo directamente del
instrumento que esta fijado a el eje de salida de la caja reductora y a la mordaza,
luego por medio de un dispositivo que consta de un volante, un tornillo sin fin y el
instrumento de medicin de torque se realiza la torsin de la probeta haciendo girar
en sentido contrario al inicial suministrado por la caja reductora, este movimiento de
giro inverso es el que hace registrar la cantidad de torque aplicado a la probeta puesto
que la mordaza empotrada en la caja reductora no gira por efecto del tornillo sin fin
mientras el otro extremo de la probeta si, all es tomada la lectura del torque aplicado
a la probeta.
Una vez obtenidos los valores del ngulo de torsin y sus respectivos valores
de momento torsor se puede graficar la curva caracterstica del material de la probeta,
as como tambin por las ecuaciones antes mencionadas se puede obtener el modulo
rigidez o modulo corte del material.
24
CAPTULO III
ESTUDIO DE LAS TECNOLOGIAS DE MQUINAS DE ENSAYO
DE TORSIN ESTTICA EXISTENTES.
3.1 INTRODUCCIN.
Hoy en da para la fabricacin de muchos elementos de mquinas, para
servicios de pruebas a elementos de mquinas o con intenciones meramente
acadmicas, se realizan ensayos de torsin a piezas y/o probetas. Existen diversas
empresas a nivel mundial que se encargan de fabricar y comercializar mquinas de
ensayo de torsin esttica, dichas marcas poseen diversos modelos para diferentes
capacidades o aplicaciones del ensayo. El objetivo de este captulo es realizar un
estudio de las tecnologas existentes actualmente en el mercado de las mquinas de
ensayo de torsin esttica, esto con el fin de realizar un diseo actualizado y acorde
con las exigencias de hoy en da.
3.2 FICHAS TECNOLGICAS.
La mejor manera de hacer un anlisis ordenado de un producto, es elaborar
una ficha de anlisis tecnolgico donde se coloquen los aspectos ms resaltantes de la
mquina que puedan ayudar en el diseo. A continuacin se presentan las fichas de
los equipos analizados segn los datos que comercialmente son aportados por las casa
fabricantes.
25
Tabla 3.1 Tecquipment Mquina para Ensayo de Torsin SM1.
Autor Tecquipment Dimensiones 1550 x 360 x 400 mm
33 Kg. Peso Bruto. 0,3 m2
Material Acero Aluminio - Plstico Apariencia La mquina est pintada de negro y algunos de sus
acabados son con la apariencia del metal. Manufactura Acabados hechos con mquinas herramientas, y
con equipos de produccin en serie. Funcionamiento Se opera manualmente, al girar un volante se le
aplica torque a la probeta que por el otro extremo se encuentra sujetada por una mordaza que est unida a un volante de calibracin, el cual al nivelar el brazo mvil hace que se registre en un medidor de aguja la torsin, el ngulo y la deformacin se miden en discos graduados. Tambin posee un sistema donde se pueden colgar pesas de calibracin, en el caso que se desee sustituir el efecto del volante de calibracin. Acepta probetas hasta de 750 mm. Capacidad 30 N*m.
Vida Diseada bajo vida infinita, pero con 2 aos de garanta.
Acabados Posee acabados de calidad, pintada con pistola neumtica y con distintivos y calcomanas
Mantenimiento Posee un manual de mantenimiento que se suministra con la compra.
Confiabilidad Puede ser utilizada hasta que la probeta rompa, realizando una medicin precisa.
Embalaje Es desarmable y se embala en una caja de aprox. 60 Kg.
Ergonoma Buen diseo ergonmico con todos los controles en buena ubicacin. Se pueden aadir medidores de torsin digital.
Patentes Cumple con las directivas de seguridad de EEC. Todos los derechos de Tecquipment- England. Certificada con la ISO 9001
Ruido Produce menos de 70 dB. durante su operacin Historia Es la continuacin de los modelos fabricados
anteriormente (uno de sus predecesores es la mquina presente en el laboratorio de diseo)
26
Tabla 3.2 TERCO AB. - MT3005 Mquina para Ensayo de Torsin y Flexin.
Autor TERCO AB Dimensiones 790 x 225 x 345 mm
13 Kg. Bruto. Material Acero Aluminio Plstico.
Apariencia Sus acabados son con la apariencia del metal. Manufactura Acabados bastante sencillos, mquina carece de
robustez. Las piezas son de geometra sencilla. Funcionamiento La mquina puede ser usada para ensayos de
torsin y ensayos de flexin. Consta de dos mordazas que deslizan sobre un par de rieles, la torsin se aplica colocando pesos a un extremo de un volante, en el cual se encuentra un torsiometro el cual registra la medicin. Distancia mxima entre soportes 600 mm. Su uso es meramente acadmico. Se suministran pesos variados para realizar el ensayo de torsin.
Vida Bajo vida infinita. Acabados Piezas pulidas y pintadas.
Mantenimiento El mantenimiento se limita a la limpieza de las partes.
Confiabilidad Precisin de 0.01 grados (para la torsin) Embalaje Desarmable y puede colocarse en una caja
relativamente pequea. Costos No suministrados
Ergonoma El diseo no muestra mucha dedicacin a la ergonoma, pero es de un uso sencillo para el operador.
Patentes TERCO AB Estocolmo, Suecia. Esttica Sus acabados son bsicos, lo que le da sencillez al
modelo. Historia No se suministran datos, pero la casa fabricante
es especialista en equipos para laboratorio, por lo tanto con seguridad deben haber modelos predecesores fabricados para el mismo fin por esa empresa.
Moda Posee un diseo sencillo.
27
Tabla 3.3 Cooper Instrument and Systems. - TSTMH
Autor Cooper Instrument and Systems Dimensiones 30,4 x 5,95 x 10
Material Acero - Plstico Apariencia Acabados industriales de pocos detalles.
Manufactura Las piezas del equipo estn elaboradas con mquinas herramientas, como taladros y fresadoras.
Funcionamiento Se ajusta la probeta en los mandriles del equipo, al ser ajustada un motor elctrico aplica la fuerza de torsin, dicha fuerza es registrada en un medidor digital que a su vez da el valor de la deformacin. Capacidad 11.3 N*m. Mxima apertura entre mandriles 394 mm.
Vida Infinita. Acabados Los acabados son rectos, propios de los hechos
por una mquina fresadora. Est pintada en dos colores (Gris y Negro)
Mantenimiento Limpieza y lubricacin de los elementos. El cuidado respectivo al motor elctrico.
Confiabilidad La apreciacin de la deformacin es de 2 Embalaje Totalmente desarmable
Costos No suministrados Ergonoma La realizacin del ensayo es bastante sencilla, el
operador prcticamente se limita a colocar la probeta y leer la medicin en el equipo digital.
Patentes Cooper Instrument and System.- USA Esttica Sin grandes detalles estticos pero de apariencia
agradable. Historia Pertenece a una lnea de equipos de medicin de
propiedades de materiales para laboratorio. Existe tambin en el mercado una compaera con las mismas capacidades pero con disposicin vertical la TSTM.
Moda El diseo es moderno, tiende a ser como las mquinas industriales, pero de un tamao pequeo.
28
3.3 ANLISIS DE LA INFORMACIN RECOPILADA.
Luego de haber hecho la investigacin tecnolgica notamos que existen
variadas opciones en el mercado al momento de comprar una mquina de ensayo de
torsin. Se hallan diferencias notables entre las mquinas dependiendo del uso al que
se les vaya a someter. Existen los equipos con fines demostrativos o acadmicos,
donde se busca mostrar el fenmeno de la torsin en una probeta, estos equipos son
bastante sencillos, algunos no aplican gran carga a las probetas o usan probetas
bastante pequeas para provocar la ruptura con poca carga, tal como se nota en la
mquina fabricada por TERCO AB. Hay un segundo grupo donde se encuentran
mquinas que pueden ser usadas tanto para fines acadmicos, como para la
investigacin o el estudio de materiales para los fabricantes de piezas, la mquina de
TECQUIPMENT es una mquina de una capacidad apreciable, con un tamao
adecuado para ensayar probetas pequeas y relativamente grandes; hace las medicin
con bastante exactitud y posee elementos de diseo que considera adaptaciones
ergonmicas importantes con respecto a sus predecesoras con capacidades similares
(incluyendo la mquina de la misma marca presente en laboratorio). Finalmente se
consigui un grupo de pequeas mquinas para medir torsin donde un pequeo
motor elctrico es el que aplica la fuerza y donde generalmente la medicin se realiza
a travs de un equipo digital, representada en este caso por la mquina de COOPER
INSTRUMENT, dicha mquina tambin tiene la posibilidad de aplicar el torque
manualmente, su capacidad es algo baja con respecto a las estudiadas anteriormente
11.3 N*m, pero en cuanto a la medicin del torque se obtiene un poco ms de
presicin que las otras, lo desfavorable es su pequeo tamao, prcticamente la mitad
de las otras dos.
Se observ que las tecnologas existentes actualmente con respecto a este tipo
de mquinas tiene cuidado en la precisin de los elementos de la mquina, para evitar
que se aumente la incertidumbre en la medicin. Tambin se not que existe cuidado
por dar los detalles de los elementos de las mquinas y su mantenimiento, adems de
las capacidades y los tipos de probetas que se pueden ensayar con las mismas.
29
CAPTULO IV
ESTUDIO DE USUARIOS E INVESTIGACIN ERGONMICA.
4.1 INTRODUCCIN.
En este captulo se expondrn los resultados obtenidos de la investigacin de
usuarios as como de los parmetros ergonmicos que se deben tomar en cuenta al
disear una mquina de ensayo de torsin esttica. Los pasos a seguir sern:
identificar el universo de personas que son usuarios de la mquina de ensayo de
torsin esttica que actualmente se encuentra en el laboratorio, con el fin de descubrir
sus necesidades con respecto a la mquina y luego determinar la interrelacin entre el
operador y la mquina, para establecer los nuevos parmetros ergonmicos necesarios
en el diseo.
4.2 INVESTIGACION DE USUARIOS.
La mquina de ensayo de torsin esttica est ubicada en el Laboratorio de
Diseo, el universo de usuarios lo comprenden principalmente los profesores del
departamento de diseo, los preparadores de cada ctedra que poseen horas de
laboratorio. La mquina es usada especficamente para demostrar el efecto de la
torsin sobre una probeta cuando esta falla debido a la fatiga producida por la carga
de torsin. Los diferentes materiales de las probetas permiten estudiar el efecto de la
torsin en cada uno de ellos independientemente. En base a los usuarios citados
anteriormente se realizaron entrevistas con la finalidad de obtener las impresiones de
ellos acerca de la mquina que funciona actualmente, y lo que esperaran de una
nueva mquina. Se establecieron los siguientes criterios:
30
4.2.1 DESEMPEO FUNCIONAL
La mquina de torsin esttica requiere de una transmisin de fuerza por parte
del operador, hacia el volante de la mquina, dicha fuerza es transformada y
transmitida a la probeta. Para los usuarios actuales de la mquina esta fuerza no
representa un esfuerzo de gran cuanta, por lo tanto pueden realizar los ensayos con
comodidad por lo menos en lo que se refiere a dicho aspecto. Se conoci que la
fuerza mxima recomendada al momento de realizar este tipo de esfuerzos, va
depender de los grados de inclinacin del brazo y el tipo de movimiento que se hace
(4), lo cual nos permite establecer un parmetro en el punto de partida de aplicacin de
la fuerza con respecto a la capacidad de torque de la mquina a disear.
Por otra parte la lectura de la informacin que entrega la mquina si fue un
punto de mayor discusin. Se conoci que existen ensayos en los cuales el material
alcanza su deformacin plstica a niveles bastante bajos de deformacin, es decir que
es probable hacer un ensayo en el cual la probeta se deforme plsticamente al girar
apenas uno de sus extremos en grado. Dicha situacin aade incertidumbre a la
medicin y no permite establecer con exactitud el punto de transicin de deformacin
elstica a plstica de dichos materiales. Esa situacin despert la inquietud en los
usuarios entrevistados sobre lo que se podra hacer para dar una mayor exactitud a la
lectura de la deformacin que se hace en grados.
Finalmente para el aspecto del desempeo funcional, no se tuvieron
comentarios en cuanto a la dificultad de colocar la probeta en las mordazas del
equipo, inclusive usuarios zurdos no reportaron incomodidad para realizar dicha
operacin. Los pasos que se requieren para realizar el ensayo con la mquina de
torsin esttica son los siguientes:
1._ Fijar la probeta a ensayar en los cabezales por medio de las mordazas.
2._ Fijar el cabezal mvil.
3._ Colocar la balanza sin la carga y el contador de vueltas ambos calibrados en cero.
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4._ Ajustar en cero los diales de los ngulos de manera que el nivel est centrado sin
ninguna carga.
5._ Girar la probeta con la mquina un cierto ngulo.
6._ Se nivela el brazo mvil a travs del volante que sostiene la balanza.
7._ Se procede a tomar las mediciones de ngulo y torque.
4.2.2 REQUERIMIENTOS FSICOS.
La estacin de trabajo debe ser un espacio en el cual el operador pueda
realizar cmodamente su trabajo. Esto se refiere a que el operador posea un espacio lo
suficientemente grande para desplazarse libremente, el equipo y los controles del
mismo deben encontrarse a una altura adecuada, para evitar incomodidad al momento
de operar la mquina o al realizar alguna lectura de datos. La posicin en la que se
realiza el ensayo es tal que los brazos forman un ngulo entre 120 y 150 con
respecto a la cabeza, y el movimiento de las manos puede hacerse se arriba hacia
abajo, o hacia delante y hacia atrs (4). Tales movimientos limitan los valores de
fuerza que un individuo debe aplicar al operar una mquina, para este caso especfico
se observan los valores en la tabla siguiente.
Tabla 4.1 Fuerzas permisibles a aplicar por un individuo con el brazo. (4)
ngulo del
Brazo
Brazo
Izquierdo
Brazo
Derecho
Brazo
Izquierdo
Brazo
Derecho
Subir Bajar
150 231 N. 249 N. 182 N. 209 N.
120 240 N. 266 N. 226 N. 257 N.
Halar Empujar
150 498 N. 542 N. 493 N. 547 N.
120 418 N. 462 N. 440 N. 458 N.
32
4.2.3 FACTORES HUMANOS.
Los factores humanos estn relacionados con la percepcin que tiene el
usuario de dicha mquina, la coincidencia en las opiniones de los entrevistados gir
en torno a la apariencia de la mquina. La mquina que est actualmente en
funcionamiento tiene bastante tiempo de haber sido construida, inclusive aparece data
de esta mquina en un trabajo de grado hecho en 1969, por lo tanto su apariencia en
cuanto a los acabados se ha deteriorado con el paso de los aos, adems su diseo que
probablemente fue bastante moderno en la poca de su construccin actualmente no
resulta muy atractivo a los usuarios de hoy en da.
Probablemente en esa poca no existan instrumentos de medicin que
pudieran hacerse de un tamao pequeo y ser confiables, o hacerlos de un tamao
menor hubiese aumentado mucho el costo del equipo. Para los usuarios actuales las
dimensiones del medidor de torsin resultan incomodas no solo a la vista por su
semejanza con un peso de mercado, sino porque hacen la medicin incomoda al
obligar al operador a mantener sus brazos elevados mientras gira el volante de
calibracin que acta sobre dicho medidor para arrojar una lectura de torque.
Una apariencia limpia en la mquina y un buen acabado entre las partes
mviles que estn en contacto en la mquina, son requerimientos indispensables para
que el cabezal mvil de la mquina se desplace con libertad sobre el carril.
El equipar la mquina con controles y medidores con cierto grado de automatizacin
aadira confianza en la medicin. Los usuarios manifestaron su incertidumbre en
cuanto al funcionamiento de elementos como el contador de revoluciones, sobretodo
en los momentos en los cuales ni siquiera se llega a dar una vuelta al volante de
carga.
Otro deseo de los usuarios es contar con una mquina que le permita realizar
la mayor cantidad de ensayos posible relacionados con torsin, de manera tal de
contar con un mquina que ofrezca versatilidad al momento de ser utilizada. El
mantenimiento de la mquina tambin es un punto importante, en el cual la persona
que est en contacto con dicho equipo, desea que se pueda realizar con facilidad y
33
evitando en lo posible procedimientos engorrosos, adems el contar con rutinas de
mantenimiento y una tabla de posibles problemas con sus respectivas soluciones son
valiosas para reducir el tiempo de mantenimiento y de parada del quipo.
4.3 ERGONOMA
La ergonoma trata de los factores existentes en la relacin hombre-mquina-
entorno que conlleven a una operacin bien ordenada y que no presente ningn
problema hacia la integridad fsica o psicolgica del operador de un equipo o del
trabajador en una estacin de trabajo. Entindanse como factores todos aquellos con
los que tiene contacto directo el trabajador, sean estos tangibles o intangibles. Como
tangibles se pueden distinguir las caractersticas fsicas de la mquina y su
adaptabilidad a las dimensiones y formas del trabajador; las intangibles estn
relacionadas con la mente, con lo que este siente, percibe, etc. La ergonoma sirve
para que todos los factores en juego dentro de una actividad estn presentes de tal
manera que el operador y la mquina desempeen funciones en un ambiente de
acuerdo a sus necesidades. Por otro lado, la mquina tambin debe estar acorde a las
caractersticas y dimensiones fsicas del trabajador tanto como a sus movimientos,
por lo que esta tambin tiene que ser adaptada ya sea por modificaciones en su
estructura o en la forma en la que funciona.
El uso de la ergonoma en el diseo de un equipo est estrechamente ligado a
la consideracin de la antropometra. Al disear cualquier mquina que va a ser
utilizada por una persona debe considerarse la ocupacin fsica del cuerpo sobre
dicha mquina. El estudio de la medida de las partes del cuerpo es tarea de la
antropometra, la cual parte de la antropologa fsica. Bien se sabe que no todas las
personas cuentan con las mismas dimensiones, todos somos diferentes, ms cuando se
comparan personas de sexos distintos, razas y edades distintas. Tener en cuenta estas
dimensiones abre ms posibilidades a la adaptabilidad y a la ergonoma enfocada
hacia la persona.
34
Tabla 4.2 Algunas dimensiones estructurales combinadas del cuerpo humano(10)
Hombres Mujeres 95 % 5% 95% 5%
Alc
ance
punt
a de
Man
o 35,0 pulg.
88,9 cm.
29,7 pulg.
75,4 cm.
31,7 pulg.
80,5 cm.
26,6 pulg.
67,6 cm.
Alc
ance
Late
ral 39 pulg.
99,6 cm.
29,0 pulg.
73,7 cm.
38 pulg.
96,5 cm.
27 pulg.
68,6 cm.
Alc
ance
Ver
tical
88,5 pulg.
224,8 cm.
76,8 pulg.
195,1 cm.
80 pulg.
213,4 cm.
72,9 pulg.
185,2 cm.
A
ltura
de
Cod
o
47,3 pulg.
120,1 cm.
41,3 pulg.
104,9 cm.
43,6 pulg.
110,7 cm.
38,6 pulg.
98 cm.
A
ltura
de
los
ojos
68,6 pulg. 174,2 cm.
60,8 pulg.
154,4 cm.
64,1 pulg.
162,8 cm.
56,3 pulg.
143 cm.
La consideracin de la antropometra da respuestas y sugerencias de lo que se
debe hacer cuando se est en el proceso de toma de decisiones al momento de realizar
el diseo de aparatos o mquinas usadas por hombres y mujeres, inclusive nios o
discapacitados. Ciertas posiciones del cuerpo pueden hacer que el cansancio sea
menor o sea nulo si se hacen trabajar los msculos correctos para realizar una
actividad.
35
En el caso de este trabajo especial se grado se va a desarrollar el diseo de una
mquina para ensayos de Torsin Esttica, en el diseo de la mquina desde el punto
de vista ergonmico debe tomarse en cuenta hasta la posicin que el operador adopta
durante el ensayo, pues dependiendo de sta se deben seguir ciertos factores
recomendados:
- Los paneles de control deben estar situados entre los hombros y la cintura.
- Hay que evitar colocar por encima de los hombros objetos o controles que se
utilicen a menudo. Es decir a una altura promedio menor a 1,60 m.
- Los objetos deben estar situados lo ms cerca posible al alcance del brazo para
evitar tener que extender demasiado los brazos para alcanzarlos o sacarlos.
- Se debe que mantener los materiales y herramientas de uso frecuente cerca del
cuerpo y frente a l.
- Hay que ajustar la superficie de trabajo para que est a la altura del codo para la
mayora de las tareas generales. La altura mxima que se suele considerar del suelo al
codo para un hombre suele ser 1,20 m. y para una mujer 1,10 m.
- Cuidar de que los objetos que haya que levantar estn a una altura situada entre la
mano y los hombros. Entre 1,60 y 0,91 m.
- Las asas, las agarraderas y los mangos deben ajustarse a las manos. Hacen falta asas
pequeas para manos pequeas y mayores para manos mayores.
- Hay que dejar espacio de trabajo bastante para las manos ms grandes.
- El operador no debe tener que estirarse para realizar sus tareas. As pues, el trabajo
deber ser realizado a una distancia de 20 a 30 centmetros frente al cuerpo.
4.3.1 ERGONOMA DE LOS CONTROLES Y MANDOS DE LA MQUINA.
El sistema hombre - mquina es una combinacin de uno o ms seres
humanos y uno o ms componentes fsicos, que actan recprocamente para efectuar,
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a partir de unas entradas de energa e informacin determinadas, una tarea. Esta
interrelacin implica un circuito de comunicacin en el que la persona ocupa una
posicin clave: a ella lo corresponde tomar las decisiones.
Figura 4.1 Sistema de Comunicacin Individuo-Mquina.
Cuando se hace el estudio ergonmico de estas comunicaciones se debe
buscar los datos que permitan la mejor adaptacin posible de los dos componentes del
sistema, evitando los errores en la transmisin y la interpretacin de la informacin.
Los mandos representan el ltimo eslabn en este circuito de informaciones; unos
mandos mal diseados pueden ocasionar distorsiones en el sistema.
En la mayora de los casos las posibles limitaciones para un trabajo eficiente
del sistema hombre-mquina residen en la capacidad de la persona para utilizar el
cuerpo de manera adecuada. La antropometra aporta los datos necesarios en ese
aspecto para adaptar la mquina al individuo con el fin de disear un sistema que
respete las capacidades fsicas de la persona, en cuanto a tipo de mandos, tamao y
ubicacin de los mismos, ya que el alcance, la velocidad, la precisin y la fuerza del
movimiento dependen de la parte del cuerpo utilizada. La ergonoma utiliza los datos
de la antropometra para adaptar las mquinas y el entorno a las personas, basndose
en la parte del cuerpo que va a ser utilizada.
37
Tipos de mandos.
Mandos utilizados en momentos concretos.
- Activacin.
- Entrada de datos.
- Seleccin (de un punto determinado).
Mandos utilizados en acciones continuas.
- Seleccin continua.
- Control continuo (intervencin continua en la mquina).
Para la seleccin del tipo de mando segn el uso del mismo, se cuentan con tablas
Tabla 4.3 Clasificacin de los tipos del tipo de control segn su accionamiento (10).
Accionamiento Puntual Accionamiento Continuo Tipo de control
Activacin Entrada de datos Seleccin Seleccin continua
Control continuo
Pulsador manual Excelente Bueno Malo
No aplicable
No aplicable
Pulsador de palanca Bueno
No aplicable Malo
No aplicable
No aplicable
Pulsador de pie
Posible activacin accidental
No aplicable Bueno
No aplicable
No aplicable
Interruptor giratorio
Pueden confundirse
sus posiciones
No aplicable Excelente
No aplicable
No aplicable
Botn No aplicable No aplicable Pobre Bueno Regular
Manivela Solo en caso
de aplicar mucha fuerza
No aplicable
No aplicable Regular Bueno
Volante No aplicable No aplicable No
aplicable Bueno Excelente
Palanca Buena No aplicable Buena Buena Buena
Pedal Regular No aplicable No
aplicable Bueno Regular
38
Existe tambin otra clasificacin de los mandos, pero esta est basada en el
esfuerzo que debe realizar el operador:
Mandos que exigen un esfuerzo muscular pequeo.
- Botones.
- Teclas.
- Interruptores.
Mandos que exigen un cierto esfuerzo muscular. (Haciendo intervenir grupos
importantes de msculos de brazos y piernas)
- Palancas.
- Manivelas.
- Volantes
- Pedales.
La recomendacin de la respuesta de cada tipo de mando segn la rapidez de
respuesta, la precisin y la fuerza exigida se recoge en la siguiente tabla:
Tabla 4.4 Cualidades de los tipos de controles.
Tipo de Control Rapidez Precisin Fuerza Manivela: Pequea Grande
Buena Pobre
Pobre No adecuada
No adecuada Buena
Volante Pobre Bueno Utilizable Botn No utilizable Regular No utilizable
Palanca: Horizontal Vertical (perpendicular al cuerpo) Vertical (siguiendo el cuerpo) Joystick
Buena
Buena
Regular Bueno
Pobre
Regular
Regular Regular
Pobre Corta: Pobre Larga: Buena
Regular Pobre
Pedal Bueno Pobre Bueno Pulsador Bueno No utilizable No utilizable
Interruptor Giratorio Bueno Bueno No utilizable Interruptor de Palanca Bueno Bueno Pobre
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Estas dos variables, accin requerida y funcin que cumple el mando,
determinarn el mando a utilizar as como el tamao y dimensiones del mismo, que
evidentemente debern corresponderse con los datos antropomtricos de los
miembros del cuerpo a utilizar. En el momento del diseo, y haciendo referencia al
tamao, hay que considerar si se utilizan o no prendas de proteccin personal,
principalmente guantes o botas de seguridad, en cuyo caso deber preverse una mayor
holgura que permita el manejo del mando.
Diferenciacin
Las mquinas que son utilizadas en las aplicaciones de ingeniera suelen estar
provistos de numerosos mandos, cada uno de los cuales cumple una funcin distinta.
Es importante pues que los mandos puedan ser identificados y diferenciados sin
dificultad. Para ello existen distintos criterios:
La estructura o el material; la textura del material empleado, o del propio mando (liso, estriado, rugoso) puede ayudar a identificarlo, especialmente
cuando una operacin se realiza "a ciegas", sin fijar la vista en el mando.
(Figura 4.2)
El color est indicado cuando se encuentra en el campo visual; si la iluminacin es tenue deber disponerse de iluminacin localizada.
El tamao: Da informacin visual y tctil aunque generalmente, por s mismo, no es tan fiable como la forma o el color. La diferencia de tamao ha de ser tal
que puedan distinguirse fcilmente unos de otros, lo que puede resultar en un
tamao inadecuado para el movimiento requerido.
33
Figura 4.2 Diferenciacin de los mandos segn su estructura (10).
Posicin de los controles.
La posicin de los controles es de suma importancia. Un espacio demasiado
amplio entre ellos obligar a movimientos innecesarios, mientras que un espacio
reducido puede provocar errores. El espacio mnimo depende del tipo de mandos, y
por tanto, de la parte del cuerpo utilizado; de cmo deber ser accionado
(sucesivamente, simultneamente, rara vez) y de si se utiliza o no proteccin
personal.
Tabla 4.5 Distancias deseables entre mandos en centmetros (10).
Tipo de accin requerida Dedo Mano Pie
Sucesivamente
2,5
2,5
12,5 12,5 12,5 10 20
Espordicamente 5 5 10 10 10 15 25
Ms de un dedo 1 1,5
34
El diseo racional de un panel de mandos facilita su control, reduciendo la
fatiga y el riesgo de error debido a una lectura equivocada. Para ello es til atenerse a
los siguientes principios:
El mando y el indicador correspondiente deben estar situados lo ms cerca posible, estando el mando encima o a la izquierda del indicador.
Si han de estar en dos paneles distintos ha de haber una correspondencia evidente segn la situacin de cada uno en el panel.
Cuando una serie de mandos corresponden a una secuencia de operaciones, su situacin debe respetar el orden de la secuencia, de izquierda a derecha.
Si no existe una secuencia temporal se ordenarn siguiendo criterios de frecuencia de uso o importancia, colocando los ms utilizados delante del
trabajador, y de lado los de uso menos frecuente.
35
CAPTULO V
GENERACIN DE SOLUCIONES
5.1 INTRODUCCIN
Una vez que se han analizado todos los factores correspondientes a los
usuarios y a los aspectos ergonmicos, se ha llegado a la instancia de creacin. Este
captulo describe el procedimiento usado para conseguir una solucin cnsona, con
los aspectos antes analizados en los captulos anteriores. Se especifican que mtodos
creativos se utilizaron, y las estrategias de diseo en cuanto a los objetivos planteados
y las funciones a realizar por la mquina.
5.2 MTODO DE DISEO.
En la actualidad existen variados mtodos de diseo, todos tienen la intencin
de introducir en el diseo procedimientos que tengan una base lgica. Las
bibliografas consultadas describen una amplia gama de mtodos de diseo, pero
estos pueden clasificarse en cuatro grandes grupos (2):
Mtodos para explorar las situaciones de diseo: Son los utilizados en las fases
investigativas, su principal objetivo es recopilar la mayor cantidad de informacin
til, haciendo entrevistas, revisando bibliografas y planteando los objetivos
primarios.
Mtodos de bsqueda de ideas: Representan la fase creativa bsica al momento de
disear, sus objetivos son estimular a los diseadores a expresar sus ideas y a ampliar
36
el rea de bsqueda de soluciones a un problema, as como despejar los caminos
aparentemente cerrados al disear.
Mtodos de exploracin de la estructura del problema: Con estos se realiza una
bsqueda sistemtica de las conexiones entre los elementos de un problema, tambin
buscan dividir el problema de diseo en varias partes para facilitar su solucin.
Inclusive con estos mtodos se trata de transformar las propuestas iniciales para
eliminar sus posibles fallas.
Mtodos de evaluacin: Finalmente se debe dar una ponderacin a las alternativas
que se generaron gracias a los mtodos anteriores. En este caso se usan los mtodos
de evaluacin, con ellos se establecen los criterios para comparar las alternativas y
decidir el criterio que decidir si un diseo es aceptable o no.
Es evidente que a esta altura del trabajo se han usado los mtodos para
explorar las situaciones de diseo, especficamente el planteamiento de objetivos, las
consultas bibliogrficas, la entrevista de usuarios, el estudio del comportamiento de
los usuarios y el estudio de los factores ergonmicos que se deben considerar al
disear una mquina de este estilo. Esta etapa del diseo requiere ahora bsqueda de
ideas para disear la nueva mquina de ensayo de torsin esttica, se utilizar la
tcnica de la Tormenta de Ideas (Brain Storming). Dicha tcnica ser til al momento
de crear tanto la forma de la mquina como un conjunto as como para cada uno de
los elementos que compondrn a la mquina.
5.3 CLARIFICACION DE OBJETIVOS.
El proceso de diseo llega ahora al nivel donde los mtodos creativos deben
coexistir con los mtodos de diseo con un marco de referencia lgico. Estos ltimos
son mtodos sistemticos que pretenden mejorar la calidad de las decisiones de
37
diseo, tomando en cuenta los aspectos relativos a las condiciones de uso del
producto final. Estos tienen como punto de partida la clarificacin de objetivos,
momento en el cual se van a especificar los objetivos de diseo y los sub-objetivos,
as como las relaciones entre ellos. Para dicha clarificacin se utiliz el mtodo del
rbol de objetivos, cada uno de los pasos que se usaron para armar el rbol de
objetivos se describen a continuacin (2).
Mtodo del rbol de Objetivos.
Paso 1
Lista de objetivos del diseo.
Cumplir con todos los requerimientos del ensayo de torsin esttico. Hacer una mquina que considere la ergonoma. La operacin de la mquina debe ser lo ms sencilla posible. La capacidad de torque de la mquina debe ser mayor a 30 N*m Debe ser fcil de armar y desarmar. Deben considerarse rutinas de mantenimiento Tratar de reducir los posibles errores de medicin al mnimo posible. Las piezas deben ser hechas con materiales y elementos fciles de
conseguir en el mercado, en caso que deban ser cambiados.
Una apariencia agradable de la mquina para la vista del usuario. El operador no debe realizar una fuerza mayor de 25 Kg. Versatilidad al momento de hacer el ensayo. Obtener una buena relacin costo-calidad. Considerar mejoras futuras. Asegurar que la transmisin de fuerza en los elementos sea la adecuada.
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Paso 2
Ordenar la lista en conjuntos de objetivos de mayor y menor nivel.
Nivel A
- Cumplir con todos los requerimientos del ensayo de torsin esttico.
Nivel B
- La capacidad de torque debe ser mayor a 30 N*m
- El operador no debe realizar una fuerza mayor a 25 Kg.
- La operacin de la mquina debe ser lo ms sencilla posible.
Nivel C
- Asegurar que la transmisin de fuerza en los elementos sea la adecuada.
- Tratar de reducir los errores de medicin al mnimo posible.
- Hacer una mquina que considere la ergonoma.
- Deben considerarse las rutinas de mantenimiento.
- Obtener una buena relacin costo-calidad
Nivel D
- Versatilidad al momento del ensayo.
- Las piezas deben ser hechas con materiales y elementos fciles de conseguir en el
mercado, en caso que deban ser cambiados.
- Una apariencia agradable de la mquina para la vista del usuario.
- Considerar mejoras futuras.
- Debe ser fcil de armar y desarmar.
39
Paso 3 Dibujar un diagrama del rbol de objetivos jerarquizados.
Figura 5.1 rbol de objetivos del diseo de la Mquina de Ensayo de Torsin.
5.4 ESTABLECIMIENTO DE FUNCIONES.
En la clarificacin de objetivos se jerarquizaron tareas dependiendo de su
importancia, pero con un alto contenido de generalidad. La idea ahora es establecer
las funciones del diseo, para considerar el nivel del problema o los problemas que
deben resolverse. Como herramienta para este fin se utiliza el mtodo del Anlisis de
Funciones, con l se establecen las funciones esenciales y el nivel del problema.
La capacidad de torque deber ser mayor a 30 N*m
El operador no debe realizar una fuerza
mayor a 25 Kg
La operacin de la mquina debe ser lo ms sencilla posible
Las piezas deben conseguirse en el mercado en caso de necesidad de
cambio
Versatilidad al momento del
ensayo.
Fcil de armar y
desarmar
Considerar mejoras futuras
Debe tener rutinas de
mantenimiento Reducir los errores de medicin al
mnimo
Cumplir con todos los requerimientos del Ensayo de
Torsin Esttico.
Buena relacin costo
Considerar la
ergonoma. Asegurar la transmisin de fuerzas adecuadas
en el sistema
40
Entindase como funciones esenciales las que la mquina a disear debe satisfacer, y
nivel como los lmites del diseo dentro de las consideraciones de las funciones a
realizar por la nueva mquina de ensayo de torsin (2).
Mtodo de Anlisis de Funciones.
Paso 1 Expresar la funcin general del diseo en trminos de la conversin de
entradas y salidas.
Figura 5.2 Modelo de la caja negra del diseo
Paso 2 Descomponer la funcin general en un conjunto de funciones
secundarias esenciales.
Figura 5.3 La caja negra ahora se hace transparente develando las funciones.
Verificar si las dimensiones del
elemento permiten el uso de la mquina
Colocar adecuadamente
dicho elemento en la mquina
Calibrar los elementos de
medicin.
Proporcionar torque a la pieza. Deformar y/o
fracturar la pieza
Registrar los valores
arrojados por la mquina
Mquina de Ensayo de Torsin Esttica
Traer probetas de un material y forma
determinada
Traer piezas o elementos mecnicos
Determinar las caractersticas asociadas a la torsin para las
piezas o materiales
suministrados
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Paso 3 Dibujar un diagrama de bloques que muestre las interacciones entre las
funciones secundarias con los lmites del sistema.
Figura 5.4 Ampliacin de las funciones como consecuencia del paso 3.
Elemento
Caractersticas relativas a la
torsin Lmites del sistema
Flujo de Tareas
Funcin principal
Funcin secundaria
Verificar la pieza
Medir el elemento
Colocar el elemento en la
mquina.
Calibrar los elementos de medicin
Proporcionar el torque
Deformar y/o Fracturar la pieza
Registrar resultados
Fijar el elemento en las
mordazas
Adaptar los elementos mviles de la mquina.
Encerar medidores y nivelar piezas
Maniobrar la caja
Maniobrar las piezas que producen la deformacin
Mantenimiento peridico
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Paso 5 Buscar componentes apropiados para realizar las funciones
secundarias y sus interacciones.
Tabla 5.1 Soluciones a las funciones secundarias
Funciones Secundarias Medios para cumplirlas
Medir el elemento * Se deben tener a la mano equipos de medicin Fijar el elemento en las mordazas * De ser necesario, maquinar los extremos
Adaptar los elementos mviles de la mquina
* Disponer de correderas y un carril de largo adecuado
Encerar medidores y nivelar piezas
* Disponer de equipos que permitan su calibracin, aadir piezas que puedan facilitar la nivelacin de la mquina e inclusive de alguna de sus piezas de manera independiente.
Maniobrar la caja reductora.
* Definir los controles adecuados ergonmicamente para que el operador haga un manejo preciso, como volantes o palancas. Aadir diales o escalas para que el usuario conozca siempre cuando se ha desplazado el eje que aplica el torque.
Maniobrar las piezas que producen deformacin
* Tornillos de potencia o palancas mecnicas pueden usarse para asegurar la deformacin del elemento ensayado, con el cuidado de ser suficientemente precisas para no perder lecturas importantes en los lmites de deformacin elstico-plstico.
5.5 REQUERIMIENTOS.
Dependiendo de las funciones a cumplir por el diseo, se pueden establecer
lmites subsiguientes relacionados con la exactitud, tamao, maniobrabilidad y
apariencia. Un mtodo til para la identificacin y desarrollo de esos requerimientos
es el de La Especificacin del Rendimiento. Con este mtodo se busca que las
especificaciones definan un rendimiento requerido, por consiguiente se hace nfasis
en el rendimiento que debe alcanzar una solucin de diseo y no en un componente
43
en particular (2). En fin se va a hacer una especificacin exacta del rendimiento
requerido de la solucin del diseo.
Mtodo de la Especificacin del Rendimiento.
Paso 1 Considerar los diferentes niveles de generalidad de solucin a aplicar.
Nivel de generalidad bajo: considera un diseo de una mquina de ensayo de torsin
esttica de gran exactitud; tanto en los medidores de deformacin y torque, como en
el acabado y fabricacin de cada una de sus piezas. La capacidad de realizar una
gama extensa de ensayos de torsin para validar valores tericos, o determinar
valores exactos de esfuerzos, mdulos y fuerzas.
Nivel de generalidad intermedio: la mquina a disear posee todos los elementos
bsicos para realizar el ensayo de torsin esttica, con una exactitud y precisin que
permita convalidar con cierto margen de error los resultados tericos que se puedan
esperar de un material. Un diseo que consideres factores ergonmicos.
Nivel de generalidad alto: un diseo en el cual se planteen la mquina
con sus elementos bsicos, con alguna mejora de forma o alguna alternativa para la
medicin de los parmetros.
Paso 2 Determinar el nivel de generalidad en el cual se va a trabajar.
Se escogi trabajar en el nivel de generalidad intermedio, enfocados en la
bsqueda de una alternativa que tome en cuenta mejoras ergonmicas con respecto a
la mquina de ensayo de torsin esttica que funciona actualmente en el laboratorio.
Se buscar lograr construir una mquina que permita hacer las mediciones con una
precisin aceptable, debido a que los factores de disponibilidad de herramientas
hacen que la exactitud de la fabricacin, vare con respecto a lo calculado.
44
Paso 3 Identificar los atributos de rendimiento requeridos.
La mquina debe tener una capacidad mayor a la actual en el laboratorio. Asegurar que la transmisin de fuerza en los elementos sea la adecuada. Partes que permitan adaptar con facilidad los elementos que vayan a ser
ensayados en la mquina.
El usuario no debe realizar una fuerza exagerada para torsionar el elemento.
Suministrar los detalles para su mantenimiento y operacin. Considerar detalles de ergonoma. Poseer elementos de medicin con cierto grado de precisin.
Paso 4 Establecer requerimientos de rendimiento precisos para cada atributo.
Tabla 5.2 Establecimiento de los requerimientos.
Atributos de Rendimiento
Requerimientos de rendimiento precisos
Capacidad mayor a la maquina actual del laboratorio.
* Proporcionar un torque mayor a 30 N*m. * Dimensiones mayores, para permitir el ensayo en probetas de ms de 350 mm de longitud
Asegurar que la transmisin de fuerza en los elementos sea la
adecuada
* Disear una caja reductora que satisfaga las condiciones de torque y relacin de vueltas que se establezcan. * Definir la forma de las piezas de la mquina, y en funcin a las fuerzas que se deban aplicar, calcular los esfuerzos en las mismas y el tipo de material a usar para que soporten esas cargas.
Partes que permitan adaptar con facilidad los elementos que vayan
a ser ensayados en la mquina.
*Disear mordazas con tamaos adecuados, que permitan sostener una variedad de elementos, sin alterar la lnea imaginaria que comprende el eje entre mordazas. * Disear una o varias partes mviles con las cuales se pueda adaptar la separacin de las mordazas y representen un soporte rgido sobre el carril de la mquina.
45
El usuario no debe realizar una fuerza exagerada para torsionar el
elemento.
* La fuerza mxima que debe ejercer el usuario no debe ser mayor a 25 Kg. * El tamao del volante o palanca que se use para accionar la caja reductora debe ser lo suficientemente grande, para transmitir bastante torque con poca fuerza.
Suministrar los detalles para su mantenimiento y operacin
* Recomendar las rutinas de operacin y de mantenimiento.
Considerar detalles de ergonoma.
* Considerar en el diseo parmetros de ergonoma como: -Distancia entre mandos. -Altura y ubicacin de los mandos. -Posiciones de operacin que tenga que adoptar el usuario. -Apariencia final de la mquina.
Poseer elementos de medicin con cierto grado de precisin.
* Balanzas de torque o peso, segn el torque de salida que se escoja. * Disear ubicacin y forma de 2 transportadores con los cuales se conozca, primero cuanto se ha girado el volante de la caja reductora y segundo la deformacin del elemento ensayado. *Contador de revoluciones para el volante de la caja. * Niveladores de burbuja o de mejor precisin para nivelar la mquina y/o algunos elementos independientes en la mquina
5.6 GENERACION Y EVALUACION DE ALTERNATIVAS.
A estas alturas el diseo llega a la etapa creativa combinada con las etapas de
razonamiento lgico. En todo diseo la fase creativa es vital, pero se pueden
conseguir mejores resultados si se utiliza un ordenamiento creativo. Ese
ordenamiento creativo se hace a travs del mtodo de diagrama morfolgico. El
propsito de este mtodo es ampliar la bsqueda de soluciones posibles a travs del
estudio de la forma, para ello se hacen arreglos o tablas donde se puedan combinar las
opciones que van saltando a la imaginacin con la tormenta de ideas.
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Mtodo del Diagrama Morfolgico.
Aplicado al diseo de la forma de la mquina de torsin esttica.
Paso 1 Lista de funciones o caractersticas esenciales.
Paso 2 Mencionar los medios con los cuales se puede solucionar.
1._ Proporcionar un torque determinado al elemento a ensayar.
Para solucionar este aspecto se debe utilizar un elemento mecnico que
transforme la fuerza del usuario en torque sobre la pieza. Generalmente este tipo de
mecanismo es una caja reductora, donde a travs del uso de un engrane y un tornillo
sin fin se transmite fuerza a otro extremo. Dicha fuerza depende en un principio de
las caractersticas geomtricas de ambos elementos. La colocacin de dicha caja es
vital en la forma final de la mquina, pues define el eje de trabajo.
Es posible que para asegurar la torsin en el elemento a ensayar, sea necesario
adaptar sistemas que garanticen que el elemento se mantiene fijo en un extremo
mientras se mueve por el otro, ya sea con la caja reductora o con otro elemento que
aplique carga.
2._ La mquina debe contar con un diseo ergonmico, para facilitar el manejo al
operador.
Este tpico es muy importante debido a que la mquina se construye para ser
utilizada por un individuo que requiere de ciertas condiciones, que van a facilitar y
optimizar el desempeo del mismo. Un diseo ergonmico debe considerar que el
usuario tenga suficiente espacio para maniobrar, que no tenga que doblarse o
encorvarse para ejecutar la operacin, que no realice operaciones con las manos a una
altura mayor a sus hombros, si hace un trabajo manual sus muecas no estn dobladas
por mucho tiempo. Existen parmetros y tablas que recomiendan dimensiones
aceptadas como ergonmicas al momento de disear mandos o equipos.
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La apariencia del equipo es importante pues permite que el usuario afronte la
operacin sin prejuicios, es decir, que no piense que se va a lastimar, o que la
mquina se va a daar en medio de su uso.
3._ Exactitud aceptable en la medicin de las variables relativas a la torsin.
El usar elementos que transmitan fuerzas o que la alteren de alguna manera
crea distorsiones en los resultados que se esperaban obtener. Al realizar los clculos
se espera trabajar en un rango de posibilidades debido a esas distorsiones, por lo
tanto se debe hacer un diseo en el cual las piezas transmitan de la manera ms
fidedigna las fuerzas en el sistema. La escogencia de los materiales de fabricacin y
las dimensiones de las piezas son fundamentales para el xito de esta premisa.
Es importante predecir como se har la calibracin del diseo final, pues en el
caso del ensayo de torsin es importante mantener el eje de la pieza coincidente con
el eje de la mquina. Se deben entonces considerar aadir medidores que reduzcan al
mnimo desalineamientos en la mquina.
Los instrumentos de medicin son tambin importantsimos, debido a que la
apreciacin de los mismos limitar la exactitud de la medicin del proceso que se
hace. En el caso del ensayo de torsin se tienen 3 alternativas: usar una balanza que
mida fuerza y establecer el brazo, usar una balanza que mida directamente el torque o
utilizar una galga la cual transmita informacin a un sistema integrado que presente la
medicin de torque en una pantalla.
Paso 3 Hacer el diagrama morfolgico con las soluciones.
El proceso de diseo de la mquina hace necesario la elaboracin de varios
diagramas morfolgicos, pues cada pieza de la misma representa un proceso de
generacin de alternativas, evaluacin y toma de decisiones. El hecho de haber
realizado una lista de funciones y sus posibles mtodos de solucin facilita la
creacin del dicho diagrama. A continuacin se presenta la figura del diagrama
morfolgico que se gener para la obtencin de la solucin con respecto a la
48
configuracin de los elementos bsicos de la mquina. Entendindose esto como el
tipo de sistema y la disposicin de la caja reductora (elemento a travs del cual se
aplica el torque), la configuracin de la bancada de la mquina y la distribucin del
sistema de medicin del equipo, al igual que un accesorio ligado directamente al
usuario y a la ergonoma como es el volante de aplicacin de fuerza.
Figura 5.5a Diagrama morfolgico para el diseo de la mquina.
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Figura 5.5b Diagrama morfolgico para el diseo de la mquina.
En la figura anterior se observa el diagrama que se gener para la solucin del
problema. Ahora toca explicar cual se escogi y el porque de la escogencia. Se ver
ms adelante como estas decisiones tomarn forma gracias a los requerimientos que
50
se van planteando, a medida que se realizan los clculos que aseguran el correcto
funcionamiento de la mquina. Pero gracias a este diagrama se establecen las
directrices fundamentales del diseo.
Caja Reductora.
La caja reductora es el elemento que va transformar la fuerza aplicada por el
usuario en torque a la pieza. Para este tipo de aplicacin la caja reductora apropiada
es la caja de tornillo sin fin, pues esta no permite que el eje de salida se devuelva o
gire en direccin contraria al giro que se aplique. La disposicin de dicha caja en la
mquina es importante pues es uno de los elementos ligados directamente con el
usuario, en el diagrama se observan las tres soluciones generadas en apariencia la
solucin A y B son similares pero si se observa con atencin la altura del eje de salida
es diferente, la solucin C plantea un cambio en cuanto a la aplicacin de la fuerza
debido a la posicin del volante.
Se escogi la opcin B, primero porque la ubicacin del volante permite al
operador usar las dos manos dndole precisin al movimiento y disminuyendo la
fuerza por brazo que se debe aplicar, con la opcin c se obliga a utilizar una sola por
lo tanto se debe aplicar toda la fuerza con un brazo. Y segundo, porque una altura
mayor del eje de salida disminuye el riesgo de que la pieza en caso de no ser una
probeta normalizada, tropiece con la bancada y adems facilita el montaje de las
misma al usuario.
El sistema interno de transmisin de una caja de este tipo puede ser de dos
maneras, un engranaje contiguo al tornillo sin fin (opcin A) un conjunto de
engranajes cnicos y rectos que transmitan la fuerza al tornillo sin fin. Con ambos se
obtiene los resultados deseados, pero el de mayor difusin comercial y de fabricacin
ms sencilla por la menor cantidad de piezas es representado por la opcin A.
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Disposicin de la mquina.
Horizontalmente o verticalmente son las maneras en la cual se puede colocar
la mquina, adicionalmente a esto se puede colocar el volante de frente al usuario o
vertical a este. La opcin C se distingui sobre las dems debido a que se disminuyen
al mnimo los movimientos de las piezas por el efecto de la gravedad o por el hecho
de tropezar a la mquina, se conserva el volante frente al usuario para que pueda
utilizar las dos manos.
Volantes.
La opcin A de un volante convencional, permite al operador mantener el
control y estar en contacto en todo momento con el mismo. La posicin que adoptan
las muecas es la adecuada, pues se evitan que estas estn dobladas mientras se aplica
la fuerza.
Bancada.
La bancada presenta una variedad de alternativas tiles tanto de manera
vertical como horizontal, como de uno o ms elementos de la bancada (opciones A,
E1 y E2). Todas las opciones planteadas son usadas comnmente en equipos de
medicin y en mquinas herramientas, por lo tanto en la escogencia va a pesar la
facilidad de fabricacin y las garantas de rigidez que cada sistema ofrezca. En este
orden de ideas es importante el material que se escoja, pero es importante tambin el
rea de contacto entre la bancada y los soportes de los elementos de la mquina. Un
rea de contacto mayor disminuye los movimientos relativos entre las piezas pues
descansan con mayor seguridad sobre la bancada. La geometra es importante pues
puede facilitar o complicar la construccin de dichos soportes. Un elemento nico en
la bancada junta ambas cualidades (opciones B, C y D) y de las opciones generadas la
opcin C posee la ventaja de tener 4 caras de contacto que pueden ser mayores a las
52
de B y D, pues en la B debera hacerse una cua la cual da una pequea rea de
contacto y en la D debera usarse una bancada mas gruesa y pesada.
Sistema de Medicin.
El elemento de medicin es parte fundamental de la construccin de una
mquina de ensayos mecnicos, pues nos traduce el fenmeno en valores numricos
que permiten establecer que est sucediendo. La apreciacin y capacidad son
importantes, pero la ubicacin del equipo tambin lo es pues facilita su lectura al
operador. La ubicacin del aparato deber ser en lo posible de frente al operador, en
el caso de este diseo debe ser paralelo al volante de la caja reductora, pues en ese
lado estar el o los operadores de la mquina.
Por supuesto su ubicacin depende de la ubicacin del brazo de torsin, para
lo cual se plantean 3 opciones. La opcin A y B con los volantes para equilibrar el
brazo montados sobre un bastidor y la opcin C con ese volante a una altura menor.
La ventaja fundamental de la opcin C es que garantiza que el usuario har la
operacin a una altura por debajo de sus hombros, lo cual es ergonmicamente
correcto; pues no se recomienda aplicar fuerza a la altura de los hombros, pues
pueden ocasionar lesiones que quizs se manifiesten en el momento o al hacer varias
acciones de ese estilo.
En resumen las opciones que se escogen para el diseo de La Mquina de
Ensayo de Torsin Esttica, mediante el diagrama morfolgico (Figura 5.5) son:
Caja Reductora: Opcin B. Sistema interno de transmisin de la caja: Opcin A. Disposicin de la Mquina: Opcin C. Volantes: Opcin A. Bancada: Opcin C. Sistema de Medicin: Opcin C.
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CAPTULO VI
DESARROLLO DEL DISEO
6.1 INTRODUCCIN
Luego de haber descrito que herramientas se utilizaron en el proceso creativo
de generar las soluciones, toca ahora realizar el trabajo de diseo un poco ms al
detalle. Para ello se utilizarn las herramientas matemticas y cientficas que se
adquieren durante la carrera de ingeniera. En este captulo se describen los
procedimientos y clculos referentes a cada una de las piezas que componen la
mquina. Todas estas piezas pasaron primero por el proceso del diseo creativo y
luego fueron modificadas o confirmadas de su forma inicial a travs de los clculos
que garantizan su funcionamiento correcto.
6.2 APARIENCIA INICIAL DE LA MQUINA DE ENSAYO DE TORSIN ESTATICA PROPUESTA.
Toda mquina usada para una tarea posee partes primordiales para su
funcionamiento, en este caso especfico se hizo la ejemplificacin de cmo se lleg a
la solucin de las partes fundamentales bsicas de este diseo en el captulo anterior.
Ese procedimiento se repiti en cada pieza que se fue integrando a la mquina a
medida que se avanz en el diseo.
Se lleg entonces a lo que sera el primer prototipo ideal de la mquina. La
intencin era dar la forma inicial para encaminar el aspecto y las funciones de cada
pieza. Como se observa en la figura 6.1 el prototipo tiene dimensiones e inclusive
piezas que a medida que se desarrollen el clculo y la ingeniera de detalle,
cambiaran debido a los requerimientos tanto de las cargas en el sistema como por las
tareas que la mquina debe realizar. El prototipo inicial se sienta en las bases
creativas y ser moldeado hacia su forma final por las herramientas de la ingeniera.
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Figura 6.1 Prototipo inicial del diseo propuesto.
La mquina consta de tres partes fundamentales: La Caja Reductora, El
Sistema de Retorno y La Bancada. La mquina contar con un par de mordazas las
cuales estarn una en la caja reductora y otra en el sistema de retorno. El
procedimiento de operacin de la mquina consiste en fijar la probeta entre las dos
55
mordazas, asegurarse de que todos los elementos mviles de la mquina se
encuentren a nivel. Luego se aplica la fuerza a la probeta a travs de una caja
reductora de tornillo sin fin. Este tipo de caja reductora no permite que es el eje de
salida se devuelva, por lo tanto una vez aplicado el torque sobre la probeta entonces
con el sistema de retorno que sostiene la probeta del otro extremo se aplica una fuerza
en el sentido contrario a la que produjo la caja. La fuerza se aplica a travs de un
sistema de tornillo de potencia, que se observa unido a la lmina B de la figura 6.1.
Al extremo de la lmina A de la misma figura se coloca el elemento mecnico de
medicin de torque, o un elemento que mida fuerza y como el brazo sera una
dimensin conocida en la mquina entonces se tendr