UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA
“PROYECTO DE CATEDRA”
Catedrático: Ing. Carlos Azucena Alumnos: Chanchan Meléndez, Meléndez, Rubén Alfonso Alfonso CM110039 Rivas López, Walter José RL110013 Flores Godoy, Oscar Fernando FG110882 Argueta Moran, Ricardo Alexander AG110038 Estrada Torres, Ernesto ET100429
Asignatura: Teoría de Mecanismos y Maquinas Soyapango, 20 de febrero del 2014
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INDICE INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................iii
OBJETIVOS ........................................................................................................................................... iv
ANTECEDENTES ................................................................................................................................... 5
PROPUESTA DE DISEÑO ....................................................................................................................... 7
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................. 11
ALCANCES .......................................................................................................................................... 12
LIMITANTES Y DELIMITANTES ........................................................................................................... 13
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ......................................................................................................... 14
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INTRODUCCIÓN En la ingeniería es de vital importancia estudiar el movimiento de los cuerpos (cinemática y dinámica) ya que esto, estudiado desde distintas perspectivas juega un papel importantísimo a la hora de diseñar o analizar algún mecanismo, maquinaria, estructura, etc. El diseño es un componente universal en la práctica de la ingeniería, es por esto que para la materia de Teoría de Mecanismos y Máquinas de la Universidad Don Bosco, se nos ha propuesto a los estudiantes la elaboración de un proyecto de diseño, donde podamos aplicar los conocimientos adquiridos en la materia. Dicha materia explora temas de cinemática y dinámica de maquinarias en relación con la síntesis de mecanismos con objeto de lograr tareas o movimientos deseados, y también estudiar el análisis de mecanismos para determinar su comportamiento dinámico de cuerpo rígido. El primer paso para el proceso de un diseño, es la identificación de la necesidad, este paso con frecuencia lo hace otra persona, un cliente un jefe o alguien que necesita resolver algún problema. De manera general esto es un enunciado breve y carente de detalles, sin embargo, por para propósitos didácticos se nos ha brindado un enunciado más elaborado con algunos requerimientos técnicos de funcionamiento. El segundo paso es la investigación preliminar. Este documento es un primer avance investigativo, en el cual se incluyen generalidades acerca del proyecto, incluye una recopilación histórica, patente de apoyo, describimos además nuestra propuesta a desarrollar en la cual tomaremos como base un mecanismo llamado mecanismo de Stephenson. El documento incluye también una justificación del porque consideramos que es importante el proyecto a desarrollar, nuestros alcance o meta hasta donde pretendemos llegar y las limitaciones de proyecto. Sabemos que por la naturaleza del proceso de diseño no existe una respuesta correcta única para un problema de diseño. Hay tantas soluciones potenciales como diseñadores deseosos de aplicarlas, por eso como grupo planteamos una propuesta de solución y la única manera de verificar el éxito o fracaso de nuestra propuesta será mediante el análisis con el prototipo construido.
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OBJETIVOS Objetivo general
Aplicar los conocimientos adquiridos en el diseño de un mecanismo para un juego para niños que genere novedosos movimientos, que sea seguro para el usuario y que sea lo suficientemente pequeño para que pueda ser transportado por un camión de reparto.
Objetivos específicos
Obtener el mecanismo más adecuado para mover a un niño en un juego Investigar sobre mecanismos ya existentes para tomarlos como ejemplo en la elaboración de nuestro mecanismo Delimitar por medio de cálculos, las dimensiones necesarias para la elaboración de un prototipo. Implementar medidas de seguridad para evitar acciden tes
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ANTECEDENTES Los juegos mecánicos para niños conocidos comúnmente como Kiddie Ride, han estado presentes durante mucho tiempo ya sea supermercados, centros comerciales, almacenes entre muchos otros. Estos dispositivos se presentan como una forma sencilla de entretener a los niños después de una larga sesión de comprar o como un incentivo por buen comportamiento, también han existido ocasiones en las que se han empleado exitosamente para labores de marketing como el caso de la compañía “Well Fargo”.
Entrando de lleno a la parte estructural de estos dispositivos poseen tres secciones importantes, el sistema de control que se acciona por lo general al insertar una moneda. Se encuentra constituido por un motor que al accionarse el sistema pone en marcha el mecanismo. El mecanismo en si es un arreglo mecánico que permite movientes oscilatorios y por último se encuentra la carcasa, que usualmente posee dibujos llamativos y asemeja a barcos, aviones o similares para atraer la atención de los infantes a los que está destinado el juego. Un detalle que usualmente se encuentra presente, pero que no es un requisito para estos dispositivos es la inclusión de música para hacer más grata la experiencia, así como luces o cualquier otro detalle que pueda servir para llamar la atención.
En lo referido al mecanismo, se espera que sea uno de cuando menos 4 barras, Esto con la finalidad que la estructura logre mantener los movimientos oscilatorios y que a su vez logre sostener la “cabina” donde estaría el niño a la hora que se accione el mismo. A su vez proporcione un movimiento “llamativo” manteniendo la seguridad para el ocupante. Lo anterior implica que el mecanismo tiene ciertos movimientos restringidos, tales como golpes bruscos y giros de más de 90 grados entre otros que podrían terminar en lesiones para el ocupante. Como último detalle debe ser capaz de montarse en la caja de un camión de reparto.
Existe una diversidad de mecanismo que se podrían tomarse como base para generar los movimientos solicitados. Entre los que se pueden mencionar se encuentran el mecanismo de Kann, los tres mecanismos de Stephenson y el mecanismo de Watt. De estos se podría apreciar que algunos de ellos no cumplen los requisitos ya sea del movimiento “llamativo” o de la seguridad por lo que se irán descartando acorde se hagan las evaluaciones respectivas.
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Además de mecanismo, existen patentes de todo la estructura del Kiddie Ride que pueden dar una idea clara de cómo pueden ser ejecutado este proyecto. Un ejemplo se muestra continuación:
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PROPUESTA DE DISEÑO Para denotar una buena propuesta de diseño se debe replantear el problema propuesto el cual es el siguiente: "Las máquinas mecedoras de niños operadas con monedas que se encuentran afuera de los supermercados por lo general proporcionan al ocupante un movimiento oscilante mecánico. Se requiere una mecedora superior que produzca movimiento más interesantes al mismo tiempo o que sea segura para los niños diseñe un dispositivo para montarlo sobre la caja de un camión de reparto mantenga las fuerzas de sacudimiento al mínimo y la curva par de torsión/tiempo tan uniformé como sea posible” Ahora se desglosara el problema para poder dar una propuesta lo más efectiva posible primeramente dice que el movimiento debe ser oscilante mecánico y movimiento interesante, en segunda instancia que sea segura para los niños, tercero que pueda ser montado sobre un camión, cuarto que las fuerzas de sacudimiento deben ser mínimas y la curva de torsión/ tiempo uniforme.
Movimiento oscilatorio e interesante: Debido a que el movimiento debe ser de una manera oscilatoria parcial y no completa para que el niño no pueda dar vueltas, se baso en un mecanismo ya existente que cumple con las necesidades de la estructura a diseñar el cual se llama “Mecanismo de stephenson 1”. El mecanismo de stephenson es un mecanismo que cuenta con 6 eslabones unidos por articulaciones y fueron descubiertos George Stephenson (1781-1848). Los mecanismos de Stephenson se caracterizan por que los dos eslabones ternarios (eslabones con 3 articulaciones) no están conectados directamente uno al otro (es decir, no poseen una articulación en común).
Fig. 1 Diseño estándar del mecanismo de stephenson 1 Posteriormente se mostrara mediante una serie de imágenes el movimiento de este mecanismo y se explicara el porqué de su elección entre tantos mecanismos existentes en la actualidad.
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Fig. 2 Descripción de movimiento del mecanismo de stephenson 1 Como se puede observar el movimiento del mecanismo de stephenson genera un movimiento oscilatorio un poco complejo en sus eslabones superiores, debido a ese movimiento particular es que se decidió por este mecanismo ya que simula en primera instancia un movimiento hacia atrás con una decaída, posteriormente un acenso no muy pronunciado hacia adelante y volviendo luego a su posición media y de esta manera cíclicamente. El movimiento generado al ser similar a la montura de un animal generara satisfacción y una buena sensación por el usuario.
Seguridad para los niños: Actualmente este factor debe ser muy tomado en cuenta ya que es el que define la calidad de nuestra maquina y la apertura en el mercado para la obtención del producto y su fabricación en masa por ende se ha pensado en los siguientes parámetros para su seguridad:
Posición del asiento
Velocidad Máxima de movimiento
Dimensión adecuada de eslabones
Materiales del mecanismo
Posición del asiento: El asiento debe ser colocado estratégicamente de tal manera que los movimientos del mecanismo no le permitan volcar, o las fuerzas y velocidades en el mismo no sean capaces de dañar o asustar al niño por lo que se decidió colocarse en la siguiente posición:
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Velocidad de movimiento: La velocidad de movimiento no debe ejercer una mayor a la norma que los rige su velocidad debe oscilar entre los 5 a 10 km/h sin sufrir sanción debido a que el usuario puede salir gravemente lastimado por lo que nuestro mecanismo se espera que no llegue a trabajar a mas de las velocidades premeditadas. Dimensión de los eslabones: Los eslabones deben estar diseñados de tal manera que al hacer el movimiento deseado el torque de los eslabones donde reposa el asiento no sean muy abruptos es más que sean pequeños de tal manera que las probabilidades de volcar o de generar movimientos con pendientes muy grandes sean nulas. Materiales de mecanismo: El material propuesto debe cumplir con ciertas características básicas, como poder soportar el peso de una persona ubicada sobre el asiento, ser de un material que su fatiga no sea muy grande para usos prolongados y que sea aislante térmico y eléctrico para que si sucede algún desperfecto de carácter mecánico o eléctrico el usuario no se vea lastimado y pueda salir del mecanismo sin problema alguno.
Espacio físico: Debido a que lo que se desea es que pueda ser ubicado de manera fácil sobre un camión se debe tomar en cuenta las medidas estándares de los mismos las cuales son:
Fig.4 dimensiones de camión de carga Notando las dimensiones de los camiones estándar sabemos que nuestro mecanismo no debe sobrepasar los 4.38m de altura y los 2.07 metros de largo, debido a que el aguante de los camiones es de toneladas el peso no es un factor relevante a la hora de montarlo pero se espera diseñarlo de la manera más liviana posible.
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Fuerzas de sacudimiento y la curva de torsión/ tiempo . Debido a que las fuerzas de sacudimiento de nuestro mecanismo no deben ser muy grandes se deben delimitar los parámetros que permiten la manipulación de estas fuerzas las cuales son el peso del mecanismo ya considerando el peso promedio de los usuarios, la velocidad de movimiento y los eslabones que funcionan como brazos de palanca para ciertos momentos de torsión, por ende a menor velocidad y a materiales más ligeros pero consistentes se reducirán estas fuerzas pero no podrán eliminarse ya que son fuerzas incentricas en este tipo de mecanismo. Para que la curva de torsión y tiempo se mantenga homogénea que es lo que deseamos en este caso ya que no se busca en ningún momento aumentar o disminuir la velocidad del mismo la relación de oscilación de los puntos de apoyos deben ser tal que uno gire completamente con una velocidad uniforme y el otro oscile en un intervalo que no pueda generar cambios y por ende un movimiento brusco que desequilibre su velocidad nominal.
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JUSTIFICACIÓN Primeramente creemos que para fines didácticos nuestro proyecto tiene mucha importancia, a través de este proyecto vamos a poder aplicar los temas que se analicen en clase, desde aplicar los pasos para un proceso de diseño hasta llegar a un análisis de velocidades y de aceleraciones en nuestro mecanismo. Será de mucha utilidad el analizar movimientos que queramos obtener para el mecanismo ya que ampliará nuestros conocimientos a través de la investigación y el descubrimiento de mecanismos que normalmente se utilizan para aplicaciones variadas. Este proyecto pondrá a prueba nuestro ingenio como estudiantes, para que a la hora de tener un problema real en nuestro ámbito laboral sea más fácil diseñar o crear un mecanismo con cierto movimiento requerido. El diseño de un mecanismo podría ser la solución a un problema de producción en una empresa donde se necesite desplazar o levantar cargas. Esta teoría sobre mecanismos es aplicable en muchos casos como podría ser locomoción de robots, maquinas con movimientos muy sincronizados, procesos de producción repetitivos y otros casos. En la medida que logremos diversidad de movimientos con mecanismos simples de pocos eslabones, será un aporte también a la sociedad de la optimización de recursos en un proceso y de la importancia de la ingeniería en la industria que se pueda traducir en una reducción de costos.
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ALCANCES Nuestro proyecto está basado en un mecanismo de 6 barras el cual generara un movimiento plano general en el eslabón donde el usuario estará sobre el mecanismo, este movimiento será generado por la rotación continua de un eslabón ternario y este a su vez será movido por un motor eléctrico. El usuario estará sentado sobre una silla unida con el eslabón con movimiento plano general siendo esta silla estática la velocidad de este eslabón será pequeña por seguridad. Para propósitos de aprendizaje el mecanismo será fabricado de eslabones de madera ya que solo desea demostrar el movimiento que tendrá e l usuario al momento de usar el juego y del mismo modo se realizara en una escala menor lo suficientemente grande para que se pueda montar sobre una mesa o escritorio
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LIMITANTES Y DELIMITANTES Como todo proyecto en etapa de pre diseño no se tienen todos los recursos necesario en primera instancia para decir que el diseño es perfecto, es mas se denomina un prototipo en primer lugar que pese a ser un primer bosquejo del mecanismo está lejos de ser el final y por ello posee una serie de limitantes que de momento no tienen solución inmediata. Las limitantes se reflejan en nuestros objetivos y metas ya que son los que deseamos alcanzar y los cuales son los siguientes:
Primeramente ya que se necesita un mecanismo adecuado para el movimiento del niño mientras esta en el juego optamos por el mecanismo de stephenson el cual si resuelve nuestro problema de un movimiento no es el más eficiente entre los mecanismos pero mediante una serie de mas investigaciones se espera mejorar este mecanismo o sustituirlo por uno más eficiente. Debido a que los cálculos hechos en primera instancia son 100% teóricos con ciertas idealizaciones y parámetros aunque son verídicos no se sabe si el comportamiento real será el mismo por lo que el primer prototipo no se espera que su movimiento sea el deseado sin embargo se espera que sea aceptable, se espera que durante el desarrollo de pruebas podamos obtener mejores dimensiones y tener buenos resultados. Otra limitante presente es el material a utilizar, pues idealmente debe ser una construcción de algún acero resistente a la intemperie, sin embargo lo difícil que es conseguir las herramientas para manipular el acero, se decidió hacerlo de madera. Se han implementado una serie de medidas de seguridad preliminares que fueron las consideradas básicas para la realización del mecanismo no obstante hasta realizar las pruebas básicas se sabrá si nuestro prototipo es seguro y confiable, por el momento no se da una veracidad total sino parcial de la seguridad del mecanismo hasta haber hecho pruebas con el prototipo armado.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS http://fundamaqi.blogspot.com/2010/08/fuerzas-continuacion.html
http://www.mecapedia.uji.es/mecanismo_de_6_barras_de_Stephenson.htm
https://patentimages.storage.googleapis.com/pages/US3173686-0.png
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