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.

3

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.

31

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,

36

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

32

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.

38

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

41

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

42

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.

46

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.

47

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.

49

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.

51

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.

53

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.

54

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