INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA

MECANICA Y ELECTRICA

Unidad Profesional Azcapotzalco

CORRESPONDIENTE A LA MATERIA:

HUMANIDADES 1

INDICEPágina 1

TRABAJO:

METODO CIENTIFICO

Presenta

Han Mendez Kee YoungSaúl Pedraza Delgado

Eduardo Castañeda Valverde Yoltic Mixtecatl Ramírez

OcegueraLuis Armando Marez Buendía

Carrera Ing. Mecánica

Grupo 1MV6

1-Introducción………………………………………………3 2.-Anomalía………………………………………………….4 3.-Recolección de datos…………………………..5 - 20 4.-Análisis……………………………………………………21 5.-Hipótesis………………………………………….22 - 23 6.-Predicción de eventos futuros…………….24 - 26 7.-Elaboracion de experimentos……………..27 - 28 8.-Modificacion de la hipótesis……………… 29 - 30 9.-definicion del problema…………………………….31 10.-Conclusiones………………………………………….31

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11.-Referencias……………………………………………32

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INTRODUCCIONLa presente investigación está basada en una problemática análoga a la ingeniería mecánica y sus designios, los componentes vitales de la investigación en ingeniería estarán presentes.

En este trabajo se abordaran los aspectos técnicos del sistema de engranaje, en una caja de cambios a un automóvil, el trabajo y análisis realizado a su construcción, el trabajo que este tren de engranaje que desempeña en la caja de cambios de acuerdo a las características del automóvil.

El sistema de engranaje, de esta rama de muestreo, que hace referencia a las características de auto, son neófitas bajo la investigación documental previamente realizada, se propondrá un análisis de falla en el tren de engranaje de la caja de cambios y por consiguiente una propuesta experimental basada en el análisis geométrico de los engranes y el trabajo que estos desempeñan como un estudio de análisis de fuerzas aplicado a la dinámica del material contemplado en las condiciones que presenta el auto.

Identificar el engrane supuesto en la fractura, determina una guía de trabajos experimentales para el enfoque conciso y directo de la búsqueda a la razón por la cual el engrane se fracturo.

La suposición teórica del trabajo de engranaje, en una prueba experimental de manera real, podrá determinar, bajo la observación del trabajo que desempeña el tren de engranaje, que clase de falla existió y como se originó la fractura a la base del engrane.

Los conocimientos teóricos del trabajo de los engranes y su función otorga un parámetro de búsqueda ante la falla del engrane, esta suposición atiende a reducir de manera constante y simplificar el trabajo con un análisis previo de ¿Que buscar? y como prepararse para las pruebas experimentales.

Determinar el tiempo que tardo el engrane en fracturarse es una pista clave, como las condiciones de trabajo del mismo y saber el esfuerzo que realiza el tren de engranaje con 140 Hp.

Considerar las condiciones del material presenta, aún más reducido el campo de búsqueda, las condiciones al tomarse en cuenta, ante el tipo de material usado y más aún si el trabajo realizado por el tren de engranaje está contemplado en las características del material usado puede determinar el desempeño del tren de engranes. Cada uno de los pasos propuestos en el presente trabajo compete al método científico y la metodología de la investigación

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ANOMALIA

Ha ocurrido un problema en el funcionamiento de un Hyundai ATOS 2005. Ya que la caja de velocidades no responde adecuadamente a los cambios de velocidad. Esta falla ha consternado a los ingenieros de la empresa, debido a que es parte fundamental del automóvil y esto podría generar un accidente.

Para poder conocer el origen de este problema, será necesario recolectar la información suficiente respecto a los componentes de la caja para así llegar a conclusiones sólidas, y poder encontrar la casusa de la falla.

Regularizar las condiciones de fallo y solucionar los factores que hacen el sistema defectuoso para sustentar un desempeño eficiente en el automóvil, reducir defectos de trabajo y sintetizar los montos de errores previniéndolos en situaciones futuras

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RECOLECCION DE DATOSCaja de cambios: En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (también llamada simplemente caja) es el elemento encargado de obtener en las ruedas el par motor suficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado, y una vez en marcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las resistencias al avance, fundamentalmente las derivadas del perfil aerodinámico, de rozamiento con la rodadura y de pendiente en ascenso.

Engrane: Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina.

Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona y el menor piñón. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido. Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes.

La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la relación de transmisión.

CLASIFICACIÓN DE LOS ENGRANAJES

Ejes paralelos en un mismo plano. Engranajes cónico-rectos, cónico-helicoidales o espirales. Ejes que se cortan en un mismo plano. Engranajes cónico-rectos, y helicoidales y cónico-espirales. Ejes que se cruzan perpendicularmente. Engranajes de tornillo-sin-fin, helicoidales, cónico-hipoides Ejes que se cruzan a cualquier ángulo. Helicoidales.

Todos los tipos de engranajes citados, se resumen en las tres clases o tipos siguientes:

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Engranajes cilíndricos. Engranajes cónicos. Tornillo sin fin.

ENGRANAJES CILINDRICOS:

Se fabrican a partir de un disco cilíndrico cortado de una plancha o de un trozo de barra maciza redonda Este disco se lleva al proceso de fresado, en donde se retira material para formar los dientes. La fabricación de estos engranajes es más simple, por lo tanto reduce sus costos. Los engranajes cilíndricos se aplican en la transmisión entre ejes paralelos y que se cruzan.

Rectos exteriores o rectos. Es el engranaje más sencillo de fabricar y el más antiguo, generalmente, para velocidades medias.

A grandes velocidades si no son rectificados, producen ruido más o menos importante según la velocidad y la corrección de su tallado. Es el engranaje donde la sección de corte se mantiene constante con respecto al eje axial. En estos tiempos se utilizan poco, ya que generan mucho ruido. Se encuentran en las prensas de caña de azúcar, y prensas mecánicas.

Interiores. Pueden ser con dentado recto, helicoidal o doble-helicoidal. Engranajes de gran aplicación en los llamados “trenes epicicloidales o planetarios”.

Helicoidales: Más silenciosos que los rectos. Se emplean siempre que se trata de velocidades elevadas. Necesitan cojinetes de empuje para contrarrestar la presión axial que originan. Son aquellos en donde se forma un ángulo entre el recorrido del diente y el eje axial, con el fin de asegurar una entrada progresiva del contacto entre diente y diente. Estos engranajes se utilizan generalmente en las cajas reductoras, caja de velocidades de automóviles.

Doble-helicoidales: Para las mismas aplicaciones que los helicoidales, con la ventaja sobre éstos de no producir empuje axial, debido a la inclinación doble en sentido contrario de sus dientes. Se les denomina también por el galicismo “á chevron”, que debe evitarse. Cumplen la función de dos engranajes helicoidales. Poseen las ventajas de los cilíndricos helicoidales, o sea bajo ruido y alta resistencia. Al igual que los engranajes helicoidales se utilizan en las cajas de reducción donde se requiere bajo ruido. Ejemplo: reductores de plantas de procesamiento de cemento.

Helicoidales para ejes cruzados: Pueden transmitir rotaciones de ejes a cualquier ángulo, generalmente a 90°, para los cuales se emplean con ventaja los de tornillo-sin-fin, ya que los helicoidales tienen una capacidad de resistencia muy limitada y su aplicación se ciñe casi exclusivamente a transmisiones muy ligeras (reguladores, etc.).

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ENGRANAJES CONICOS:

Se fabrican a partir de un trozo de cono, formando los dientes por fresado de su superficie exterior. Los dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se cruzan. Los engranajes cónicos tienen sus dientes cortados sobre la superficie de un tronco de cono

Cónico-rectos: Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se cortan en un mismo plano, generalmente en ángulo recto, por medio de superficies cónicas dentadas. Los dientes convergen en el punto de intersección de los ejes. Son utilizados para efectuar reducción de velocidad con ejes en 90°. Estos engranajes generan más ruido que los engranajes cónicos helicoidales. Se utilizan en transmisiones antiguas en forma de reparación. En la actualidad se usan escasamente.

Cónico-helicoidales: Engranajes cónicos con dientes no rectos. Al igual que el anterior se utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90°. La diferencia con el cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un funcionamiento relativamente silencioso. Se utilizan en las transmisiones posteriores de camiones y automóviles de la actualidad.

Cónico-espirales: En los cónico-espirales, la curva del diente en la rueda-plana, depende del procedimiento o máquina de dentar, aplicándose en los casos de velocidades elevadas para evitar el ruido que producirían los cónico-rectos.

Cónico-hipoides: Para ejes que se cruzan, generalmente en ángulo recto, empleados principalmente en el puente trasero del automóvil y cuya situación de ejes permite la colocación de cojinetes en ambos lados del piñón. Parecidos a los cónicos helicoidales, se diferencian en que el piñón de ataque esta descentrado con respecto al eje de la corona. Esto permite que los engranajes sean más resistentes. Este efecto ayuda a reducir el ruido del funcionamiento. Se utilizan en máquinas industriales y embarcaciones, donde es necesario que los ejes no estén al mismo nivel por cuestiones de espacio.

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TORNILLO SIN FIN

Tornillo sin fin: Generalmente cilíndricos. Pueden considerarse derivados de los helicoidales para ejes cruzados, siendo el tornillo una rueda helicoidal de un solo diente (tornillo de un filete) o de varios (dos o más). La rueda puede ser helicoidal simple o especial para tornillo sin fin, en la que la superficie exterior y la de fondo del diente son concéntricas con las cilíndricas del tornillo. Generalmente, el ángulo de ejes es de 90º. Permiten la transmisión de potencia sobre ejes perpendiculares. Es un caso extremo de engranajes hipoidales, ya que esta descentrado al máximo. Se aplica para abrir puertas automáticas de casas y edificios Poseen además un bajo costo y son auto bloqueantes. Es decir que es imposible mover el eje de entrada a través del eje de salida

El piñón se convierte en tornillo sin fin y la rueda se denomina corona. El número de dientes del piñón es igual al número de dientes de entradas o hilos del tornillo.

El tornillo sin fin generalmente desempeña el papel de la rueda conducida. Se distinguen tres tipos:

Tornillo sin fin y corona cilíndricos: la rueda conducida es igual a la de los engranajes cilíndricos usuales, el contacto es puntual y por lo tanto el desgaste de ambos es rápido. Se utiliza en la transmisión de pequeños esfuerzos y a velocidades reducidas.

Tornillo sin fin y corona de dientes cóncavos: El tornillo mantiene su forma cilíndrica, con sus filetes helicoidales. La rueda está tallada de forma que sus dientes están curvados, con el centro de curvatura situado sobre el eje del tornillo sin fin. El contacto entre los dientes es lineal, lo que hace que se transmita mejor el esfuerzo y por tanto se produce menos desgaste. Se utiliza en mecanismos de reducción.

Tornillo sin fin y corona globoidal: El tornillos se adapta a la forma de la rueda, es poco frecuente, debido a su alto coste de fabricación. Se utiliza en las cajas de dirección de los automóviles.

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PARTES DE LA CAJA DE VELOCIDADES

1.-Piñón: es una de las piezas de ingeniería de mayor uso en mecánica automotriz. En la caja de velocidades es el encargado, junto con otros, de desmultiplicar la velocidad del motor para aprovechar plenamente su potencia sin importar si se trata de carreteras planas o de montaña. Modernamente son de dientes oblicuos o helicoidales. Tecnicismos

2.-Tren móvil: Es el eje interno de la caja por donde entra el movimiento circular del motor. En éste hay unos piñones flotantes (uno por cada cambio) con los que, gracias a la acción de unos sincronizadores de movimiento y otras piezas, se puede seleccionar una determinada marcha.

3.- Tren fijo: o eje intermediario, es un robusto eje interno de la caja en el que se han trabajado unos piñones para que, con el trabajo en equipo con el tren móvil, se transmita el movimiento del motor al diferencial y posteriormente a las ruedas. Los piñones del tren móvil y fijo permanecen en contacto constante.

4.- Sincronizador: son las piezas que se desplazan por sobre el tren móvil para enganchar silenciosamente las velocidades. Mediante unos bronces de forma cónica igualan las velocidades de los trenes para evitar que los dientes se estrellen y se rompan, y se pueda hacer el cambio suave y silenciosamente.

5.- Bronce: son unas piezas cónicas con dientes en su base cuya función es igualar las velocidades de los piñones.

6.-Horquillas: se encargan de desplazar al conjunto mecánico de los sincronizadores para elegir una velocidad determinada.

7.- Varilla selectora: sobre ella se instalan las horquillas que van a desplazar los sincronizadores. Las varillas se mueven gracias a la acción de la mano del conductor sobre la barra de cambios.

8.- Piñón loco: también se le conoce por el nombre de piñón de reversa, y tiene la función de cambiar el sentido de rotación proveniente del tren fijo al tren móvil para así poner en marcha atrás el automóvil.

9.- Pera de reversa: es un sensor eléctrico que cuando se aplica la marcha atrás, cierra un contacto para encender las luces de reversa.

10.- Rodamiento: sobre estas piezas se instalan y corren los trenes (fijo y móvil) y los piñones del tren móvil, entre otras piezas. Su desgaste produce incómodos ruidos (gemidos).

11.- Retenedor de bola: es una esfera empujada por un resorte helicoidal que se encarga de fijar en una determinada posición al sincronizador del cambio.

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12.- Retenedor de aceite: es un cuerpo cilíndrico delgado de caucho que evita la salida del infaltable aceite de lubricación de la caja mediante un labio de caucho especial que se posa sobre alguna pieza metálica en movimiento, tal como un eje de tracción.

Las siguientes piezas, aunque no hacen parte de la caja de velocidades, sí tienen mucho que ver con la correcta operación de la misma.

1.- Embrague: es el vínculo mecánico de unión entre el motor y la caja de velocidades que, cuando se opera mediante la aplicación del pedal, permite el cambio de las velocidades. Lo integran tres piezas fundamentales: la prensa, el disco y la balinera.

2.- Volante de inercia: dentro de las muchas funciones que tiene este pesado disco de acero está la de sostener todo el conjunto del embrague.

3.- Prensa: va unida al volante de inercia por medio de unos tornillos y es la que permite la desconexión del motor y de la caja, a través de la presión que ejerce la balinera al pisar el pedal, mediante la liberación del disco.

4.- Disco: se instala en medio de la prensa y el volante, para permitir que, según se pise o se libere el pedal, se haga del motor y de la caja un conjunto solidario o no. El disco, que viene recubierto de unos forros de asbesto, resbala unos momentos entre las piezas anotadas arriba, para procurar una firme suavidad en el cambio

5.- Balinera: unida por una guaya o un sistema hidráulico al pedal, es la que ejerce presión sobre la prensa para liberar el disco.

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CAJA DE CAMBIOS MANUAL

El cambio que vamos a estudiar ahora es una versión extremadamente ligera, dotada de dos árboles y 5 velocidades. Los componentes de la carcasa están fabricados en magnesio. El cambio puede transmitir pares de hasta 200 Nm. Este cambio se puede emplear en combinación con una gran cantidad de motorizaciones. Las relaciones de las marchas, los piñones y la relación de transmisión del eje han sido configurados por ello de modo flexible.

La 1ª y 2ª marchas tienen una doble sincronización. Todas las demás marchas adelante tienen sincronización simple. El dentado de trabajo de los piñones móviles (solidarios) y fijos (locos) es de tipo helicoidal y se hallan continuamente en ataque (engranados). Todos los piñones móviles (locos) están alojados en cojinetes de agujas y están repartidos en los árboles primario y secundario. Los piñones de 1ª y 2ª marcha se conectan sobre el árbol secundario; los de 3ª, 4ª y 5ª marchas se conectan sobre el árbol

primario.El piñón dé marcha atrás (16) tiene dentado recto. La inversión del sentido de giro sobre el árbol secundario se realiza con ayuda de un piñón intermediario (15), alojado con un eje aparte en la carcasa del cambio, que se conecta entre los árboles primario y secundario. Sobre el secundario se conecta sobre la corona dentada, tallada en el exterior del sincronizador de 1ª y 2ª.La transmisión del par de giro hacia el diferencial se realiza a través del piñón de ataque del árbol secundario contra la corona dentada del grupo diferencial.

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Cambio manual de 5 marchas

z2 z1 rt

1ª velocidad 38 11 3,455

2ª velocidad 44 21 2,095

3ª velocidad 43 31 1,387

4ª velocidad 40 39 1,026

5ª velocidad 39 48 0,813

Marcha atrás35 24

2411

3,182

Grupo diferencial

66 17 3,882

Velocímetro Electrónico

Carga de aceite 1,9 litros

Cambio de aceite Carga permanente

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z2.- nº de diente piñones del secundario

Z1.- nª de diente piñones del primario

Rt.- relación de transmisión (z2/z1)

 

CARCASALa carcasa del cambio consta de 2 piezas de magnesio (carcasa del cambio y carcasa de

embrague). Con una tapa específica se cierra la carcasa del cambio hacia fuera. Los componentes de la carcasa son de magnesio, para conseguir un conjunto más ligero

.

ARBOL PRIMARIO

El árbol primario está diseñado con el conjunto clásico de cojinetes fijo/móvil.

Está alojado:

mediante un cojinete de rodillos cilíndricos (móvil) en la carcasa del embrague,

mediante un rodamiento radial rígido (fijo) en una unidad de cojinetes, dentro de la carcasa del cambio.

Para reducir las masas se ha dotado el árbol primario de un taladro que lo atraviesa casi por completo.

El dentado para la 1ª, 2ª y marcha atrás forma parte del árbol primario. El cojinete de agujas para la 5ª marcha se aloja en un casquillo por el lado del árbol. Los cojinetes de agujas para los piñones de 3ª y 4ª marchas funcionan directamente sobre el árbol primario.

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Los sincronizadores de 3ª y 4ª marchas y 5 marcha van engranados mediante un dentado fino. Se mantienen en posición por medio de seguros.

 

ARBOL SECUNDARIO

También el árbol secundario está diseñado de acuerdo a los cojinetes clásicos fijo/móvil.

Igual que el árbol primario, está alojado:

mediante un cojinete de rodillos cilíndricos (móvil) en la carcasa del embrague

por medio de un rodamiento radial rígido de bolas (fijo), situado conjuntamente con el árbol primario en la unidad de cojinetes, en la carcasa del cambio.

Para reducir la masa se ha procedido a ahuecar el árbol secundario.

Los piñones de 3ª, 4ª y 5ª velocidad y el sincronizador para 1ª y 2ª velocidad están engranados por medio de

un dentado fino. Se mantienen en posición por medio de seguros. En el árbol secundario se encuentran los piñones móviles (locos) de 1ª y 2ª velocidad, alojados en cojinetes de agujas.

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GRUPO DIFERENCIA

El grupo diferencia constituye una unidad compartida con el cambio de marchas. Se apoya en dos cojinetes de rodillos cónicos, alojados en las carcasas de cambio y embrague.

Los retenes (de diferente tamaño para los lados izquierdo y derecho) sellan la carcasa hacia fuera.

La corona está remachada fijamente a la caja de satélites y hermanada con el árbol secundario (reduce la sonoridad de los engranajes).

La rueda generatriz de impulsos para el velocímetro forma parte integrante de la caja de satélites.

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DOBLE SINCRONIZACION

La 1ª y 2ª velocidad tienen una doble sincronización. Para estos efectos se emplea un segundo anillo sincronizador (interior) con un anillo exterior.

La doble sincronización viene a mejorar el confort de los cambios al reducir de 3ª a 2ª velocidad y de 2ª y a 1ª velocidad.

Debido a que las superficies friccionantes cónicas equivalen casi al doble de lo habitual, la capacidad de rendimiento de la sincronización aumenta en un 50 %, aproximadamente, reduciéndose a su vez la fuerza necesaria para realizar el cambio, aproximadamente a la mitad.

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FLUJO DE LAS FUERZAS EN EL CAMBIOEl par del motor se recibe en el cambio a través del árbol primario. Según la marcha que esté conectada, el par se transmite a través de la pareja correspondiente de piñones hacia el árbol secundario y,

desde éste, hacia la corona del grupo diferencial.

El par y el régimen actúan sobre las ruedas motrices en función de la marcha engranada.

 

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ALOJAMIENTO DE COJINETES

Los rodamientos radiales rígidos de bolas no se montan directamente en la carcasa del cambio, sino que se instalan en un alojamiento por separado para cojinetes. 

El paquete completo de los árboles primario y secundario con sus piñones se pre ensambla fuera de la carcasa del cambio, en el alojamiento de cojinetes, lo cual permite incorporarlo fácilmente en la carcasa del cambio.

Los rodamientos radiales rígidos se fijan en la posición prevista por medio de una arandela de geometría específica, que va soldada al alojamiento de cojinetes.Los rodamientos radiales rígidos poseen retenes radiales propios por ambos lados, para mantener alejadas de los cojinetes las partículas de desgaste que acompañan al aceite del cambio.

 

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Mando del cambio Los movimientos de cambio se reciben por arriba en la caja. El eje de selección va guiado en la tapa. Para movimientos de selección se desplaza en dirección axial. Dos bolas, sometidas a fuerza de muelle, impiden que el eje de selección pueda ser extraído involuntariamente de la posición seleccionada.

Las horquillas para 1ª/2ª y 3ª/4ª velocidad se alojan en cojinetes de bolas de contacto oblicuo. Contribuyen a la suavidad de mando del cambio. La horquilla de 5ª marcha tiene un cojinete de deslizamiento.

Las horquillas y los patines de cambio van acoplados entre sí de forma no fija. Al seleccionar una marcha, el eje de selección desplaza con su dedillo fijo el patín de cambio, el cual mueve entonces la horquilla. Los sectores postizos de las horquillas se alojan en las gargantas de los manguitos de empuje correspondientes a la pareja de piñones en cuestión.

Sensores y actuadores

Indicador de la velocidad de marcha La señal de velocidad que se envía al velocímetro se realiza sin sistemas mecánicos intermedios (como el cable o sirga utilizada en los cambios antiguos). La información necesaria para la velocidad de marcha se capta en forma de régimen de revoluciones, directamente en la caja de satélites, empleando para ello el transmisor electrónico de velocidad de marcha. La caja de satélites posee marcas de referencia para la exploración: son 7 segmentos realzados y 7 rebajados.

El transmisor trabaja según el principio de Hall. La señal PWM (modulada en achura de los impulsos) se transmite al procesador combinado en el cuadro de instrumentos

Conmutador para luces de marcha atrás: El conmutador para las luces de marcha atrás va enroscado lateralmente en la carcasa del cambio. Al engranar la marcha atrás, un plano de ataque en el patín de cambio para la marcha atrás acciona el conmutador con un recorrido específico. El circuito de corriente se cierra, encendiéndose las luces de marcha atrás.

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ACEROS PARA LA FABRICACION DE UN ENGRANE

Las ruedas dentadas pueden fabricarse de una gran variedad muy extensa para obtener las propiedades adecuadas según el uso que se les va a dar. Desde este punto de vista el diseño mecánico, la resistencia y la durabilidad, es decir resistencia al desgaste, son las propiedades más importantes.

Los aceros para elementos de herramientas mecánicas y muchos reductores de velocidad y transmisión de movimiento para trabajo entremedio y pesado, por lo regular, se fabrican de acero al medio carbono. Entre la amplia gama de aceros al carbono y aceros que se utilizan se pueden mencionar.

La carburizaciòn produce una dureza superficial de 55ª 64 HRC y da por resultado una de las durezas más considerables de uso común para los engranajes. Mediante la nitración se obtiene una superficie muy dura pero muy delgada. Se especifica para las aplicaciones en las que las cargas son ligeras y se conocen bien

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ANALISISSe mostró una sobrecarga producida por una desalineación de los engranajes. En estos casos la fractura se origina en un extremo del diente y ocurre en línea diagonal. La desalineación es una causa común de dientes rotos en engranajes rectos, helicoidales, y cónicos. A veces la desalineación se debe a cojinetes flojos o averiados.

Los cojinetes flojos causaran la deflexión del eje y finalmente una fractura del diente debido a cargas en sus extremos. En todos los casos de fracturas se debe hacer un determinado análisis para encontrar las causas que la originaron y aplicar los correctivos del caso.

Fallas combinadas.

En general las fallas no ocurren separadamente en la forma descrita hasta ahora, sino que existen otros factores que hacen que se presenten dos o más fallas al mismo tiempo o que haya una cadena de fallas que conduzcan a la rotura o movilización del engranaje. En la figura siguiente se puede ver un ejemplo de este tipo de fallas. Se presenta el desgaste por escoriado, el desconchado, el picado en la línea primitiva y el flujo plástico en forma de escamas de pescado.

Como conclusión se puede analizar la figura donde se muestra la influencia de la velocidad y la carga de operación sobre los cuatro tipos de tallas que gobiernan la capacidad de operación de un tren de engranajes. Desgaste, escoriado, picado y rotura de los dientes

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HIPOTESIS

De Acuerdo al Fenómeno observado y en base a la información recolectada esto conduce a la rotura de una pieza mecánica a causa de solicitaciones repetidas. Puede comprobarse con facilidad doblando alternativamente un alambre en un sentido y en otro. En un instante determinado la rotura se produce incluso con esfuerzos muy pequeños. En la práctica esto que ocurre con los metales es semejante a lo que sucede con el hombre: la repetición de un esfuerzo incluso débil produce un estado de fatiga.

El tipo de curvas de Wohler, aun siendo semejantes, varía de unos metales a otros. Analizando la curva de Wohler para un acero con bajo contenido dhe carbono se deduce que: hasta 2.000-3.000 ciclos la carga de rotura coincide con la carga de rotura estática; desde 2.000-3.000 hasta 5-6 millones de ciclos la carga de rotura decrece notablemente al aumentar las repeticiones y se obtiene la zona llamada resistencia variable; superando el límite crítico de 5-6 millones de ciclos la carga de rotura permanece invariable.El efecto del fenómeno de la fatiga sobre la resistencia de los metales es notable; téngase en cuenta que el 38NiCrMo4, un acero ampliamente empleado en las construcciones automovilísticas, posee un límite de resistencia a la fatiga de 45 kg/mm2, mientras que la carga de rotura es de 115 kg/mm2.

La rotura por fatiga se inicia con una fractura muy pequeña, generalmente en correspondencia con grietas superficiales o con irregularidades de la pieza, y se extiende progresivamente de ciclo en ciclo al resto de la sección hasta que, al reducirse de manera notable la sección resistente, se produce la rotura de golpe.

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Junto con el límite de fatiga alternativa, puede calcularse también el límite de fatiga pulsante (es decir, oscilante desde cero a una carga máxima) en los casos de flexión, tracción, compresión o torsión.

La resistencia a la fatiga de un órgano mecánico puede aumentarse estudiando cuidadosamente la forma y eliminando los agujeros, fisuras, grietas, variaciones de sección bruscas (se recurre a amplios radios de acorde) y esmerando el acabado superficial de la pieza (considérese, por ejemplo, el pulido de las bielas en los motores de competición que tiene precisamente el objeto de elevar el límite de resistencia a la fatiga, eliminando las grietas superficiales, puntos de partida de las fracturas por fatiga). La corrosión disminuye la resistencia a la fatiga. La aplicación prolongada de cargas próximas a la de resistencia a la fatiga provoca un asentamiento del material, con el consiguiente aumento del límite de fatiga; es decir, se produce una especie de entrenamiento del material. El número de ciclos después del cual se produce la rotura puede ser aumentado, realizando períodos de reposo seguidos de períodos de solicitación. También la frecuencia de las solicitaciones tiene influencia en el límite de resistencia a la fatiga: frecuencias inferiores a 5.000 ciclos/mn no alteran el límite de resistencia a la fatiga; para frecuencias superiores a dicho valor se produce un calentamiento excesivo, debido a la histéresis del material, que influye negativamente sobre el límite de resistencia a la fatiga.

En el automóvil existen numerosos órganos que se proyectan teniendo en cuenta el fenómeno de la fatiga, es decir, de manera que lleguen a la rotura después de la aplicación de una determinada carga durante un número de veces tal, que no pueda ser alcanzado en la duración prevista para el órgano en cuestión; por ejemplo, el cigüeñal, las bielas, los muelles de las válvulas y las suspensiones.

En las construcciones aeronáuticas y en los vehículos de competición se proyectan los órganos mecánicos en la zona de la resistencia variable para que puedan representar una apreciable reducción de peso, dado que después de breve tiempo se hará necesaria la substitución de las diferentes piezas para evitar la rotura total.

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PREDICCION DE EVENTOS FUTUROS

En la exposición anterior se desarrolló un criterio para la propagación de una grieta en un material frágil que contiene un defecto; la fractura ocurre cuando el nivel de tensión aplicada excede un valor crítico σc (Ec.3). Análogamente, puesto que las tensiones en el entorno del fondo de la grieta quedan definidas en términos del factor de intensidad de tensiones, debe existir un valor crítico de este parámetro, el cual puede utilizarse para especificar las condiciones de fractura frágil; este valor crítico se denomina tenacidad a la fractura, Kc. En general, puede ser expresado en la forma:

(Ec.7)

Donde Y es un parámetro sin dimensiones que depende de la geometría de la pieza y de la grieta. Por ejemplo, para placa plana de anchura infinita Y=1,0; o bien, para una placa plana de anchura semiinfinita que contiene una grieta en el borde de longitud a, Y=1,1. Ver siguiente figura:

Fig.5.- Tipos de grietas según la geometría del problema.

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Por definición, la tenacidad a la fractura es una propiedad que es una medida de la resistencia del material a la fractura frágil cuando una grieta está presente. Debe notarse que la tenacidad de fractura tiene las unidades inusuales de MPa·m^1/2.

Para probetas relativamente delgadas, el valor Kc dependerá del espesor de las probetas, B, y disminuirá al aumentar éste, tal como está indicado en la figura de abajo. Eventualmente, Kc se hace independiente de B, cuando existen condiciones de deformación plana. El valor del constante Kc para probetas más gruesas se denomina tenacidad a la fractura en deformación plana K1c, la cual también se define mediante:

(Ec. 8)

Fig. 6.- Influencia del espesor de la placa sobre la tenacidad a la fractura.

Esta es la tenacidad a la fractura normalmente citada puesto que su valor es siempre inferior a Kc. El subíndice 1 de K1c indica que este valor crítico de K es para el modo I de desplazamiento de la grieta. Los materiales frágiles, para los cuales no es posible que ocurra apreciable deformación plástica en frente de la grieta, tienen valores pequeños de K1c y son vulnerables a la rotura catastrófica. Además, los valores de K1c son relativamente grandes para materiales dúctiles. La mecánica de la fractura es especialmente útil para predecir la rotura catastrófica en materiales que tienen ductilidades intermedias. Las tenacidades a la fractura en deformación plana para diferentes materiales se presentan en la siguiente tabla:

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Tabla 1.- Datos típicos para materiales normalmente empleados en ingeniería.

El factor de intensidad de tensiones K en las ecuaciones 4, 5 y 6 y la tenacidad a la fractura en deformación plana K1c están relacionados de una forma similar a como lo están las tensiones y el límite elástico. Un material puede estar sometido a muchos valores distintos de tensión; sin embargo, existe un nivel de tensión, es decir el límite elástico, bajo el cual el material se deforma plásticamente. De la misma manera, K puede tomar muchos valores, mientras que K1c es único para un material determinado.

Existen diferentes técnicas de ensayo para medir K1c. Virtualmente cualquier tamaño y forma de probeta consistente con desplazamiento en modo I puede ser utilizada, y se pueden obtener valores precisos con tal que el parámetro Y de la Ecuación 8 haya sido determinado correctamente.

La tenacidad de fractura en deformación plana K1c de un material es una propiedad fundamental que depende de muchos factores, entre los cuales los más influyentes son la temperatura, la velocidad de deformación y la microestructura. La magnitud de K1c disminuye al aumentar la velocidad de deformación y al disminuir la temperatura. Además, un aumento en el límite elástico mediante disolución sólida, por dispersión de una segunda fase, o por refuerzo por deformación, produce también una disminución correspondiente en K1c. Además, K1c normalmente aumenta con la reducción en el tamaño de grano siempre que las otras variables micro estructurales se mantengan constantes.

ELABORACION DE EXPERIMENTOSPágina 27

Los primeros pasos ante la experimentación de esta falla mecánica están propuestos de acuerdo a principios básicos, aumentando su grado de complejidad y de tratamiento como de ensayo.

Se debe determinar el engrane que se fracturo y su funcionamiento, planteando lo siguiente:

1. ¿A qué tren de engranaje le pertenece el engrane fracturado?2. ¿De cuántos ejes es el sistema de engranaje?3. ¿De qué tipo de caja de velocidades se trata y de que auto?4. Rendimiento del sistema de engranajes ante una prueba normal simulada de trabajo

en engranajes.5. Determinación del diseño del tren de engranaje.6. Pruebas químicas para determinar el tipo de materia utilizado.7. ¿Recibió tratamiento térmico el tren de engranajes?8. Revisión de reportes de manufactura del tren de engranaje9. Observación del trabajo de los trenes de engranaje y revisar el mecanizado este

correcto en el sistema adjunto de la caja de cambios.10. Revisión del montaje en operación de los trenes de engranaje.11. Condición de uso del mecanismo.12. Ensayo no destructivo del engranaje y el trabajo desempeñado en el sistema de la

caja de cambios.13. Ensayo de tensión en trabajo, coeficiente de flexión bajo el teorema expuesto en el

marco teórico y observación del impacto (cálculo de la fuerza ejercida por el tren de engranaje en un análisis geométrico dinámico.

14. Descripción de la ruptura del engrane y características de la fractura de acuerdo al marco teórico.

15. Examen macroscópico de la superficie de la fractura aunado al paso anterior son un análisis en desgaste causado por un cálculo de inserción de engranes cosiste maticos, utilizar el Microscopio Electrónico de Barrido.

16. Examen microscópico de la fractura con cualquiera delos siguientes microscopios.

Microscopio óptico. Microscopio electrónico de barrido Microscopio Electrónico de Trasmisión.

17. Examen de fractografia, determinar el tipo de fractura encontrada bajo las careticas de lo observado en los ensayos de microscopia y microscopia, si es una falla frágil, dúctil, combinada, de torsión o morfológica de fatiga.

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18. Análisis de composición mediante diversos métodos, Métodos espectograficos, de espectro fotometría de absorción atómica, colorimetría y fluorescencia de rayos X.

De dichos ensayos, se debe determinar bajo los cálculos dinámicos de los engranes helicoidales si el material usado era el correcto y si la aleación de carbono con hierro erala proporción correcta para alcanzar la dureza necesaria en el engrane.

Los ensayos químicos convenciones, como la obtención de porcentaje en carbono del material darán los resultados para poder determinar si el material era el correcto y con los cálculos de dinámica determinar el mejor material, en caso de que el material sea el correcto, determinar la razón por la cual el engrane sufrió fatiga según se cree en la revisión de la literatura previa.

Las características que poseen el tipo de fractura y el tiempo que tardo en suceder la fractura con un análisis de dinámica.

Las características de la ruptura podrán determinar el tipo de fractura causada y las razones que las ocasionaron, realizar pruebas de servicio para determinar la causa de la fatiga.

Considerar las características del material y su coeficiente de fractura, en relación a una calorimetría realizada en el momento del trabajo realizado por los engranes en la prueba de servicio.

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ANALISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS

Bajo el análisis de los resultados obtenidos en la revisión de la literatura previa, se puede determinar que la fractura fue causada por fatiga ya que se presenta la ruptura del engrane en la base de este, y por lo tanto la revisión de las características al momento de el examen óptico a nivel micro y macro determinan el tipo de fractura inclinando por una fractura por fatiga en el engranaje.

Ya que la fatiga es causada por una carga mayor a la soportada en un coeficiente de fricción y soporte de fuerza dinámica al empuje de los engranes, se puede determinar también que el material utilizado no es el adecuado y se requiere de mayor dureza y resistencia.

El análisis geométrico del sistema de engranado helicoidal resume que la flexión causada por el engrane continuo al fracturado indica que existió una fatiga ya que solo uno delos engranes se rompió desde su base, si hubiese sido una fractura por choque y fuerza excesiva del engranaje continuo consecuente al fracturado, no solo se hubiese presentado la fractura en un engrane, si no en varios ya que al romperse uno de manera, en la que pareciese que fue arrancado, los demás engranes seguirían son ello, recibiendo un impacto con mayor aceleración por el desfasamiento del tren contra el otro.

Un desbaste inmediato se presentaría en el tren fracturado inicialmente desfasando el sistema. Ya que el tipo de engranaje es helicoidal, las posibilidades de que eso suceda son pocas por el tipo de corte que tiene.

El contacto del engranaje a una alta velocidad pudo causar la fractura en el engrane debido a un desfasamiento cuando el tren de engranaje móvil se encontraba suelto y a punto de hacer trasmisión de fuerza con el tren de engranaje sujeto.

Se debe determinar que engrane fue y que acción realiza, mas sin olvidar a que tren de engranaje pertenece.

Las pruebas de servicio son primordiales para determinar el tipo de defecto encontrado en el tren fracturado lo que causo la factura en el engrane propuesto.

Determinar el correcto trabajo del engranaje y fabricar en caso de ser un error de manufactura, trenes de engranaje con mayor resistencia, así mejorando los costos de reposición de las piezas dañas y generando eficiencia en el producto como calidad de trabajo.

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MODIFICACION DE LA HIPOTESIS.

Debido al gran esfuerzo que se debe llevar a cabo en la caja de velocidades, se puede decir que la fractura del diente del engrane se debe mayormente a la fatiga sufrida por este, tal es posible por su elaboración con materiales poco resistentes, ya que el engrane necesita ser elaborado con materiales más resistentes para poder llevar a cabo el trabajo sin problema alguno.

Bajo el análisis de los resultados obtenidos en la revisión de la literatura previa, se puede determinar que la fractura fue causada por fatiga ya que se presenta la ruptura del engrane en la base de este, y por lo tanto la revisión de las características al momento de el examen óptico a nivel micro y macro determinan el tipo de fractura inclinando por una fractura por fatiga en el engranaje.

Ya que la fatiga es causada por una carga mayor a la soportada en un coeficiente de fricción y soporte de fuerza dinámica al empuje de los engranes, se puede determinar también que el material utilizado no es el adecuado y se requiere de mayor dureza y resistencia.

El análisis geométrico del sistema de engranado helicoidal resume que la flexión causada por el engrane continuo al fracturado indica que existió una fatiga ya que solo uno delos engranes se rompió desde su base, si hubiese sido una fractura por choque y fuerza excesiva del engranaje continuo consecuente al fracturado, no solo se hubiese presentado la fractura en un engrane, si no en varios ya que al romperse uno de manera, en la que pareciese que fue arrancado, los demás engranes seguirían son ello, recibiendo un impacto con mayor aceleración por el desfasamiento del tren contra el otro.

Un desbaste inmediato se presentaría en el tren fracturado inicialmente desfasando el sistema. Ya que el tipo de engranaje es helicoidal, las posibilidades de que eso suceda son pocas por el tipo de corte que tiene.

El contacto del engranaje a una alta velocidad pudo causar la fractura en el engrane debido a un desfasamiento cuando el tren de engranaje móvil se encontraba suelto y a punto de hacer trasmisión de fuerza con el tren de engranaje sujeto.

Determinar el correcto trabajo del engranaje y fabricar en caso de ser un error de manufactura, trenes de engranaje con mayor resistencia, así mejorando los costos de reposición de las piezas dañas y generando eficiencia en el producto como calidad de trabajo.

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DEFINICION DEL PROBLEMA.

Debido a la fractura de un engrane, se cuenta con el mal funcionamiento de una caja de velocidades de un auto Hyundai ATOS 2005.

Por ello se puede decir que para poder solucionar el problema se pueden recurrir a las siguientes medidas:

1.- cambiar de proveedor de engranes.

2.- cambiar el diseño de la caja de velocidad de tal forma que ese engrane pueda ser inutilizado a tanto esfuerzo.

3.- solicitar al proveedor de engranes que cambie el material con el que este realiza sus engranes.

4.- dejar de producir este tipo de autos

5.- sustituir el engrane por uno que resista ese tipo de esfuerzos.

CONCLUSION

1. El esfuerzo geométrico debe ser correctamente calculado para determinar el material a utilizar, y contemplar las cargas que el engrane como el tren de engranaje soportaran dadas las características del motor de 140 hp.

2. Un correcto diseño y evaluación del mismo podrían evitar tales fracturas causadas por errores en la fabricación y el cálculo dinámico a enfrentar.

3. El análisis de los materiales a utilizar generan una margen de resistencia entre el trabajo a realizar.

4. El análisis de las condiciones encontradas, como los factores que propician la fractura del engrane helicoidal es tratado clave para su correcta solución.

5. La clave está en la observación del tipo de fractura y sus determinadas características generales.

6. Se debe esperar a las pruebas espectrografías y químicas para comprender las cualidades del material con el cual está construido el tren de engranajes. Determinar si el engrane estaba mal manufacturado o si es propiedad del material. Un ultrasonido y análisis espectral podrá determinar la causa de la ruptura.

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BIBLIOGRAFIA

1. http://es.wikipedia.org/wiki/Caja_de_cambios2. http://www.idr.mx/idr7374/index.php/nuestroscursos2/40-

conceptoscategoria/33-que-es-un-engrane3. http://html.rincondelvago.com/engranajes_5.html4. http://www.eltiempo.com/archivo/documento-2013/MAM-6120885. http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios4.htm6. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez, Engranes, historia, fabricación y

fallas, Lecturas de Ing. 22, 22, pág. 29.7. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez, Engranes, historia, fabricación y

fallas, Lecturas de Ing. 22, 22, pág. 66-88.8. http://www.monografias.com/trabajos98/comprobacion-capacidad-

carga-engranajes-cilindricos-y-su-automatizacion/comprobacion-capacidad-carga-engranajes-cilindricos-y-su-automatizacion.shtml

9. http://www.vibratec.net/pages/servicios2_baldinamico.html10.http://www.skf.com/uy/industry-solutions/marine/ship-life-cycle/

maintain-and-repair/static-and-dynamic-alignment/index.html11.http://diccionario.motorgiga.com/diccionario/fatiga-de-los-metales-

definicion-significado/gmx-niv15-con194122.htm12.http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2012/05/29/principios-de-

la-mecanica-de-la-fractura/

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