DISEÑO DE CAJA DE VELOCIDADES

CARLOS ARTURO CABRA SÁNCHEZ

ADALBERTO MONTENEGRO CORAL

JOSÉ GABRIEL TORTELLO NIETO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOMECÁNICAS

INGENIERÍA MECÁNICA

BUCARAMANGA

2014

DISEÑO DE CAJA DE VELOCIDADES

CARLOS ARTURO CABRA SÁNCHEZ

ADALBERTO MONTENEGRO CORAL

JOSÉ GABRIEL TORTELLO NIETO

ENTREGA FINAL

INGENIERO GILBERTO PARRA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOMECÁNICAS

INGENIERÍA MECÁNICA

BUCARAMANGA

2014

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CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCION 4

OBJETIVOS 5

Objetivo General 5

Objetivos específicos 5

MARCO TEORICO 6

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 9

FUERZAS ENGRANAJES 10CALCULO DE SINCRONIZADORES 11FUERZAS SOBRE EJES 13CALCULO DE EJES 26

CONCLUSIONES 29

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INTRODUCCION

Cuando inició la revolución industrial, la humanidad empezó a usar máquinas de vapor para suplir las necesidades que se presentaran a nivel de manufactura, esto con la gran demanda de productos que se presentó en la época, pero con esta necesidad se fueron presentando inconvenientes para manejar las velocidades necesarias para un proceso en específico, este problema se debe a que ciertos materiales no resisten una velocidad angular elevada debido a la generación de esfuerzos mayores que sus esfuerzos admisibles, en busca de solucionar estos inconvenientes en tornos, fresadoras, ejes u otro elemento, se recurrió a un sistema de engranajes basado en el diseño antiguo de Leonardo Da Vinci y de esta manera surge la primera caja de cambios, en la actualidad existen variaciones de este modelo, llegando a pasar por cajas de cambios sincrónicas, automáticas y las más recientes las mixtas que combinan las ventajas que cada una de las anteriores mencionadas, tienen es de resaltar que se suele presentar un mal entendido en la realidad sobre la utilización de las cajas de transmisión y gran parte de la población cree que estas solo se utilizan en los vehículos, pero esto no es así existen numerosas maquinas que utilizan este mecanismo como lo son: tornos, algunos taladros industriales entre otras máquinas encontradas en la industria.

En la actualidad la importancia de este sistema es alta, gracias a esta es fácil el torneado de algunas piezas de construcción o de herramientas, es de saber que también gracias a este sistema de transmisión se ha facilitado el transporte de elementos con mayor rapidez y con mayor seguridad, por este motivo se puede decir que la creación de cajas de cambios o de transmisión ha colaborado con el desarrollo de la humanidad.

Con el presente trabajo se concluirá el diseño de una caja de cambios para una potencia y relación de engranajes requeridos, se planea la entrega de los planos de cada elemento con sus respectivas características para la fabricación de esta en cualquier momento que se requiera.

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OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERAL

Culminar el diseño de una caja de cambios o de transmisión para unos parámetros (potencia y relación de engranajes) dados anteriormente por nuestro docente, el Ingeniero Mecánico Gilberto Parra en el curso de Diseño de Maquinas II del semestre en curso.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diseñar los elementos faltantes de la caja de cambios como son los ejes, los sincronizadores, etc.

Esbozar el eje, los acoples y demás elementos en un asistente de diseño asistido por computadora (SolidWorks).

Ensamblar las piezas previamente diseñadas. Acotar los elementos construidos.

Analizar los beneficios obtenidos por el diseño de la caja de cambios.

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MARCO TEORICO

Para empezar la teoría necesaria para el entendimiento de este trabajo se definirán los términos necesarios para su mejor comprensión como también las recomendaciones que se deben tener en cuenta al momento de diseñar una caja de transmisión, dentro de estos términos se destacan los ejes, los acoples, los rodamientos, entre otros.

EJESUn eje es un elemento constructivo destinado a guiar el movimiento de rotación a una pieza o de un conjunto de piezas, como una rueda o un engranaje. Un eje se aloja por un diámetro exterior al diámetro interior de un agujero, como el de cojinete o un cubo, con el cual tiene un determinado tipo de ajuste, este tipo e ajuste puede ser forzado, incierto o simplemente deslizante.

En algunos casos el eje es fijo es decir no gira y un sistema de rodamientos o de bujes insertos en el centro de la pieza permiten que ésta gire alrededor del eje. En otros casos, la rueda gira solidariamente al eje y el sistema de guiado se encuentra en la superficie que soporta el eje.

En la caja de cambios seleccionada se presentan un solo tipo de eje (el que gira solidariamente a los engranajes) y de dos clases, uno liso es decir que no tiene protuberancias y otro que tiene estrías para transmitir mejor el movimiento de los engranajes.

Los ejes estriados son simplemente ejes que se les mecanizan unas ranuras en la zona que tiene para acoplarse con un engranaje u otros componentes para dar mayor rigidez al acoplamiento que la que produce un simple chavetero. Estos ejes estriados no son en sí un engranaje pero la forma de mecanizarlos es similar a la que se utilizan para mecanizar engranajes.

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RODAMIENTOSUn rodamiento es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento.

El elemento rotativo que puede emplearse en la fabricación del rodamiento, pueden ser: de bolas, de rodillos o de agujas.

En los rodamientos el movimiento rotativo, según el sentido del esfuerzo que soporta, pueden ser axiales, radiales y axiales-radiales.

Se debe tener en cuenta que al momento de diseñar o seleccionar un tipo de rodamientos se debe conocer previamente la fuerza que actúan sobre ellos, para así seleccionar el rodamiento con mayor eficiencia, otro factor que se debe tener en cuenta es el costo de estos y el tipo de carga que se aplicara, debido a que cada tipo de rodamiento tiene una aplicación en especifica cómo se citaran a continuación.

Rodamiento de bolasSon usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables, capaces de operar en altas e incluso muy altas velocidades y requieren poca atención o mantenimiento en servicio. Estas características, unidas a su ventaja de precio, hacen a estos rodamientos los más populares de todos los rodamientos.

Rodamientos de rodillos cilíndricos de empuje

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Son apropiados para aplicaciones que deben soportar pesadas cargas axiales. Además, son insensibles a los choques, son fuertes y requieren poco espacio axial. Son rodamientos de una sola dirección y solamente pueden aceptar cargas axiales en una dirección. Su uso principal es en aplicaciones donde la capacidad de carga de los rodamientos de bolas de empuje es inadecuada.

Rodamientos de agujasSon rodamientos con rodillos cilíndricos muy

delgados y largos en relación con su menor diámetro. A pesar de su pequeña sección, estos rodamientos tienen una gran capacidad de carga y son eminentemente apropiados para las aplicaciones donde el espacio radial es limitado. Este tipo de rodamientos es comúnmente muy utilizado en los pedales para bicicletas.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

PROBLEMA GENERAL

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Se desea diseñar una caja de velocidades que cumpla con los siguientes requerimientos:

POT=100 [kW ]

N=3500 [rpm ]

Relaciones de velocidades:

1a :m1=

nens

=21

2a :m2=nens

=1,71

3a :m3=nens

=1,251

4a :m4=nens

=11

Ra :mR=nens

=2,51

Los cálculos obtenidos por los datos anteriores deben estar contenidos en las dimensiones de la caja que se especifican de la manera siguiente:

CORRECCIÓN DEL ANCHO DE DIENTE b.NOTA ACLARATIVA:Teniendo en cuenta las condiciones de diseño para la caja de velocidades como que la potencia de 100 Kw y las revoluciones por minuto son 3500, los cuales son

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35 cm

30 cm

40 cm

valores muy altos para una caja con las medidas de 30x35x40 cm. De acuerdo a lo anterior y como una forma de criterio de diseño se decide asumir un ancho de cara de los engranajes de 5,00 [cm]

bw= 5,00 [cm]

DATOS DE FUERZAS

Para el cálculo de las fuerzas tangenciales:PotDiseño=F t∗V t

F t1=12.41kN Ft2=10.11 kN F t3=6.85kNF t4=5.13kN Ftr=8,95kN

Fuerzas normales de engranajes helicoidales:

F=Ft

cos (φn )∗cos (ψ ); φn=18,77 ° ;ψ=21°

F1=13,95KNF2=11,36KN

F3=7,7KNF4=5,77KN

Fuerzas axiales de engranajes helicoidales:

Fa=F t∗tan (ψ ) ;ψ=21°

Fa1=4,764KN Fa2=3,881KN

Fa3=2,629KNFa4=1,969KN

Fuerzas radiales de engranajes helicoidales:

F r=F t∗tan (ψ )

F r1=4,517KN F r2=3,68KN

F r3=2,493KNF r4=1,867KN

SINCRONIZADORES

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Para el cálculo de los sincronizadores se basara en la selección de sincronizadores que se encuentren en el mercado y cumplan con las condiciones requeridas .

Figura N. Sincronizadores

Para nuestra caja de cambios usaremos dos sincronizadores, para la transmisión de las velocidades de primera y segunda, y otra para transmisión de la tercera velocidad.

EJES

Engranajes de entrada:

Izquierda

Derecha

Engranajes primera velocidad:

11

FtFt

Fr

Fr

Fa Fa

Eje Eje 1

Izquierda

Derecha

Engranajes segunda velocidad:

Izquierda

Derecha

Engranajes tercera velocidad:

Izquierda

Derecha

DETERMINACIÓN DE LA FUERZA SOBRE LOS ENGRANAJES A Y B

DA;m = DA

1000

VA = 11,28 [m/s]

A = nA ·

2 ·

60

VA = A ·

DA;m

2

12

Ft

Fr

Fr

FaFa

Ft

FtFt

Fr

Fr

FaFa

FtFt

Fr

Fr

FaFa

Ft;A = Potdis

VA Fa;A = F t;A · tan

Fr;A = Ft;A · tan

n

cos

EJE PRIMARIO

Cuarta Velocidad

Tabla de Resultados

PLANO Y-Z

13

PLANO X-Z

14

EJE SECUNDARIO

PRIMERA VELOCIDAD

DATOS

TABLA DE RESULTADOS

15

PLANO Y-Z

PLANO X-Z

SEGUNDA VELOCIDADDATOS

TABLA DE RESULTADOS

16

PLANO Y-Z

PLANO X-Z

17

TERCERA VELOCIDADDATOSTABLA DE RESULTADOS

PLANO Y-Z

18

PLANO X-Z

EJE TERCIARIO

19

PRIMERA VELOCIDADDATOS

TABLA DE RESULTADOS

20

PLANO Y-Z

PLANO X-Z

21

SEGUNDA VELOCIDADDATOS

TABLA DE RESULTADOS

22

PLANO Y-Z

PLANO X-Z

23

TERCERA VELOCIDADDATOSTABLA DE RESULTADOS

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PLANO Y-Z

PLANO X-Z

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CÁLCULOS DE DIAMETROS DE LOS EJES

De la página 70 del libro de Alfredo Parada se selecciona un material para ejes, en este caso un material para ejes de carros y camiones el cual es acero SAE-AISI 4340.

De la tabla AT 7 del libro de Alfredo Parada, pagina 69 se extraen las propiedades del acero.Su_t= 122[ksi] S_us=91[ksi] S_yt=105[ksi]

1. EJE PRIMARIO

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El anterior cálculo da como resultado un diámetro normalizado de d= 33 [mm]

2. EJE SECUNDARIO

Se obtienen los momentos que están ubicados en este eje, los de los engranajes B, D, F, H.

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Calculando con la sección crítica por momento flector se tiene que:

El anterior cálculo da como resultado un diámetro normalizado de d= 20 [mm]

3. EJE TERCIARIOSe obtienen los momentos que están ubicados en este eje, los de los engranajes C, E, G.

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Calculando con la sección crítica por momento flector se tiene que:

El anterior cálculo da como resultado un diámetro normalizado de d= 33 [mm]

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ELEMENTOS ESTANDARIZADOS RESPECTO A SUS REQUERIMIENTOS

SELLOS

Hay numerosos puntos en la caja de cambios que necesitan de sellos, tales como salida del eje, entrada del eje y uniones con la carcasa etc.

Escogemos los sellos dependiendo del tipo de uso que le vamos a dar.

Sellos para componentes estáticos

Sellos para componentes giratorios

Para los componentes estáticos escogimos sellos tipos O-rings ya que son los más usuales en la industria del automóvil que son usualmente hechos de caucho nitrilo (NBR).

Para los componentes giratorios utilizamos sellos de eje (rotary shaft

seal) en la figura de abajo se pueden ver los diferentes tipos.

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CARCASA

Al momento de escoger el tipo de carcasa para la caja de cambios se deben tener en cuenta los siguientes requerimientos

Absorción de fuerzas y momentos de operación Garantizar la posición exacta de los ejes y posiciones relativas

de los engranajes en cada etapa Garantizar buena conducción de calor y radiación Aislar y atenuar el ruido de los engranajes Facilidad de ensamble Buena relación peso resistencia

De acuerdo a las diferentes características que necesitamos en nuestra caja de cambios decidimos colocar una carcasa tipo end-loaded ya que sus principales características son buena rigidez, fácil ensamblaje ya que este puede hacerse automatizado de aluminio fundido a alta presión.

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CONCLUSIONES

Se han reforzado los conocimientos previamente adquiridos en los cursos de diseño, resistencia de materiales, materiales y otros afines con el diseño de elementos mecánicos, se resalta que los elementos que se encuentran en el mercado están normalizados y el diseñador debe tener esto en cuenta al momento de crear sus elementos y sus piezas.

Se han diseñado los ejes correspondientes a la caja de cambios, esto se realizo con el fin de corregir errores que se presentaron en la entrega anterior.

Se ha logrado esbozar los engranajes y los ejes mediante un asistente de diseño, y se ha logrado la correcta acotación de los elementos.

Gracias a la retroalimentación que se fue presentando en el semestre se pudo arreglar poco a poco los pequeños errores que se fueron cometiendo en el desarrollo del proyecto.

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