Diseño y fabricación de una máquina para realizar ensayos de torsión a probetas de acero con propiedades mecánicas iguales o inferiores al acero 4140 normalizado
El presente trabajo de grado se desarrolló con el propósito de suplir una necesidad de dotar al laboratorio de materiales de la Universidad ECCI; el cual no cuenta con una máquina de ensayos de torsión que permitirá afianzar los conocimientos de los estudiantes de la facultad de ingeniería en temas...
- Autores:
-
Guaca Trujillo, Yeison Jair
Aparicio García, Sebastian
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad ECCI
- Repositorio:
- Repositorio Institucional ECCI
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- https://repositorio.ecci.edu.co/handle/001/3032
- Palabra clave:
- Máquina de ensayos de torsión
Materiales metálicos
Torsion testing machine
Metallic materials
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- openAccess
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- Derechos Reservados - Universidad ECCI, 2022
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El presente trabajo de grado se desarrolló con el propósito de suplir una necesidad de dotar al laboratorio de materiales de la Universidad ECCI; el cual no cuenta con una máquina de ensayos de torsión que permitirá afianzar los conocimientos de los estudiantes de la facultad de ingeniería en temas de diseño y materiales. |
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Descripción del problema.30 1.1.2. Formulación del problema30 1.2. Objetivos de la investigación30 1.2.1. Objetivo general .30 1.2.2. Objetivos específicos31 1.3. Justificación y delimitación de la investigación 31 1.3.1. Justificación 31 1.3.2. Delimitación 32 CAPITULO II 33 2. Introducción 33 2.1. Norma técnica colombiana NTC 3995:2014 materiales metálicos ensayo de torsión simple .33 2.2. Norma técnica ASTM A938-18 Método de prueba estándar para pruebas de torsión de alambre35 2.2.1. Longitud libre nominal entre las mordazas del alambre redondo 35 2.2.2. Velocidad nominal para ensayo .35 2.2.3. Número de vueltas .36 2.3. Esfuerzo torsional.36 2.4. Relación de transmisión .38 2.4.1. Transmisión por correa y poleas 38 2.4.2. Fuerzas involucradas en correas tipo en V40 2.5. Reductor de transmisión de potencia.41 2.5.1. Engranajes de dientes rectos.42 2.5.2. Dirección de fuerzas sobre engranajes de dientes rectos .42 2.5.3. Fuerzas involucradas en engranajes de dientes rectos.44 2.5.4. Parámetros para el cálculo de la potencia de diseño 45 2.5.5. Cálculo de la potencia 46 2.5.6. Cálculo de potencia de diseño .46 2.5.7. Relación de transmisión de potencia .48 2.6. Diseño de ejes51 2.6.1. Procedimiento para el diseño de ejes 51 2.6.2. Concentradores de esfuerzos presentes en los ejes .53 2.6.2.1. Escalones .53 2.6.2.2. Chaflanes y radios en escalones .54 GUÍA PARA PRESENTACIÓN DE ANTEPROYECTO DE INVESTIGACIÓN Código: IN-IN-001 Versión:01 Proceso: Investigación Fecha de emisión: 22-Nov-2009 Fecha de versión: 22-Nov-2009 Página 22 de 310 2.6.2.3. Cuñas .55 2.6.2.3.1. Cuñero, asiento de cuña o chavetero 55 2.6.2.3.2. Cuñas cuadradas y rectangulares56 2.6.2.3.3. Selección e instalación de cuñas .56 2.7. Factor de diseño o seguridad.59 2.8. Fatiga en los materiales .61 2.8.1. Diagrama de esfuerzo Vs Número de ciclos (S-N) o diagrama de Wöhler62 2.8.2. Límite de resistencia a la fatiga64 2.8.3. Resistencia a la fatiga 64 2.8.4. Factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga.65 2.8.4.1. Factor de superficie ka66 2.8.4.2. Factor de tamaño kb .67 2.8.4.3. Factor de carga kc 67 2.8.4.4. Factor de temperatura kd68 2.8.4.5. Factor de confiabilidad ke .69 2.8.4.6. Factor de efectos varios kf69 2.8.5. Factor de concentración de esfuerzo por fatiga y sensibilidad a la muesca70 2.8.6. Criterios de falla72 2.9. Rodamientos 74 2.9.1. Selección de rodamientos 74 2.9.2. Cargas en rodamientos 75 2.10. Diseño caja reductora.77 2.10.1. Diseño caja reductora fabricada bajo unión soldada .77 2.10.2. Diseño caja reductora fabricada en fundición 78 2.11. Lubricación en cajas reductoras.80 2.11.1. Lubricación en baño de aceite .80 2.11.2. Lubricación por salpicadura .80 2.11.3. Lubricación por chorro81 2.12. Análisis de elementos finitos 82 2.12.1. Análisis de fatiga a través de elementos finitos, método del esfuerzo-vida o número de ciclos 83 2.12.2. Geometrías en análisis de elementos finitos83 2.13. Planteamiento para el sistema de control 85 2.13.1. Galgas extensiométricas: .85 2.13.2. Codificadores rotatorios87 2.13.3. Transductores de torque de reacción.88 CAPITULO III .92 3. Diseño en ejes92 3.1. Cálculo para la potencia de diseño 92 3.2. Transmisión de potencia 96 3.2.1. Relación de transmisión total .96 3.2.1.1. Selección y cálculo sistema de transmisión de potencia .99 3.2.1.1.1. Selección del tipo o perfil de la correa .99 3.2.1.1.2. Selección de la polea conductora 99 3.2.1.1.3. Selección de canales en la polea conductora101 3.2.1.1.4. Selección de la polea conducida101 3.2.1.1.5. Cálculo distancia entre centros 102 3.2.1.1.6. Cálculo para la longitud de la correa103 3.2.1.1.7. Cálculo para las revoluciones y el torque en cada una de las etapas del sistema de transmisión de potencia.104 GUÍA PARA PRESENTACIÓN DE ANTEPROYECTO DE INVESTIGACIÓN Código: IN-IN-001 Versión:01 Proceso: Investigación Fecha de emisión: 22-Nov-2009 Fecha de versión: 22-Nov-2009 Página 23 de 310 3.2.1.1.7.1. Relación de transmisión – Velocidad angular 104 3.2.1.1.7.2. Relación de transmisión – Torques105 3.2.1.1.8. Cálculo de fuerzas involucradas en correas tipo en V.106 3.2.1.1.9. Especificaciones geométricas en engranajes de dientes rectos .108 3.3. Selección de materiales .110 3.3.1. Materiales para el diseño de ejes.111 3.4. Estimación del Factor de seguridad .111 3.5. Esfuerzo cortante permisible114 3.6. Cálculo en ejes .115 3.6.1. Diámetro mínimo 115 3.6.2. Análisis de fatiga en cada uno de los ejes .117 3.6.2.1. Cálculo de la fuerza tangencial y la fuerza radial en cada uno de los ejes .117 3.6.2.2. Especificaciones y diagrama de cuerpo libre - Eje 1 .120 3.6.2.2.1. Cálculos en relación al diagrama de cuerpo libre - Eje 1.121 3.6.2.2.2. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector - Eje 1.122 3.6.2.2.3. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza radial – Eje 1 .122 3.6.2.2.4. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza tangencial123 Eje 1.123 3.6.2.2.5. Cálculo fuerza resultante de los momentos – Eje 1.124 3.6.2.2.6. Cálculo del sigma nominal – Eje 1 .124 3.6.2.2.7. Cálculo del sigma alternante – Eje 1125 3.6.2.2.8. Análisis de fatiga – Eje 1 – Punto T .129 3.6.2.2.9. Validación del factor de seguridad por fatiga utilizando el .134 Criterio de falla de ED Soderberg – Eje 1 – Punto T.134 3.6.2.2.9.1. Cálculo criterio de falla por fatiga ED Soderberg .135 3.6.2.3. Especificaciones y diagrama de cuerpo libre - Eje 2 .136 3.6.2.3.1. Cálculos en relación al diagrama de cuerpo libre - Eje 2.136 3.6.2.3.2. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector - Eje 2.137 3.6.2.3.3. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza radial – Eje 2 .137 3.6.2.3.4. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza tangencial138 Eje 2.138 3.6.2.3.5. Cálculo fuerza resultante de los momentos – Eje 2.139 3.6.2.3.6. Cálculo del sigma nominal – Eje 2 .140 3.6.2.3.7. Cálculo del sigma alternante – Eje 2140 3.6.2.3.8. Análisis de fatiga – Eje 2 – Punto E .142 3.6.2.3.9. Validación del factor de seguridad por fatiga utilizando el .145 Criterio de falla de ED Soderberg – Eje 2 – Punto E 145 3.6.2.3.9.1. Cálculo criterio de falla por fatiga ED Soderberg .145 3.6.2.4. Especificaciones y diagrama de cuerpo libre - Eje 3 .146 3.6.2.4.1. Cálculos en relación al diagrama de cuerpo libre - Eje 3.147 3.6.2.4.2. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector - Eje 3.148 3.6.2.4.3. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza radial – Eje 3 .148 3.6.2.4.4. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza tangencial Eje 3.149 3.6.2.4.5. Cálculo fuerza resultante de los momentos – Eje 3.150 3.6.2.4.6. Cálculo del sigma nominal – Eje 3 .150 3.6.2.4.7. Cálculo del sigma alternante – Eje 3151 3.6.2.4.8. Análisis de fatiga – Eje 3 – Punto E .153 3.6.2.4.9. Validación del factor de seguridad por fatiga utilizando el criterio de falla de ED Soderberg – Eje 3 – Punto E.156 3.6.2.4.9.1. Cálculo criterio de falla por fatiga ED Soderberg .157 3.6.2.5. Especificaciones y diagrama de cuerpo libre - Eje 4 .158 3.6.2.5.1. Cálculos en relación al diagrama de cuerpo libre - Eje 4.158 GUÍA PARA PRESENTACIÓN DE ANTEPROYECTO DE INVESTIGACIÓN Código: IN-IN-001 Versión:01 Proceso: Investigación Fecha de emisión: 22-Nov-2009 Fecha de versión: 22-Nov-2009 Página 24 de 310 3.6.2.5.2. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector - Eje 4.159 3.6.2.5.3. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza radial – Eje 4 .159 3.6.2.5.4. Esfuerzo cortante y momento flector – fuerza tangencial Eje 4.160 3.6.2.5.5. Cálculo fuerza resultante de los momentos – Eje 4.161 3.6.2.5.6. Cálculo del sigma nominal – Eje 4 .162 3.6.2.5.7. Cálculo del sigma alternante – Eje 4162 3.6.2.5.8. Análisis de fatiga – Eje 4 – Punto E .163 3.6.2.5.9. Validación del factor de seguridad por fatiga utilizando el .166 Criterio de falla de ED Soderberg – Eje 4 – Punto E 166 3.6.2.5.9.1. Cálculo criterio de falla por fatiga ED Soderberg 3.7. Validación Ejes - Software ANSYS Workbench 3.7.1. Procedimiento de análisis Eje 1 3.7.2. Procedimiento de análisis Eje 2 3.7.3. Procedimiento de análisis Eje 3 3.7.4. Procedimiento de análisis Eje 4 3.8. Cálculo en cuñas CAPITULO IV 4. Pruebas y análisis de resultados 4.1. Metodología para la realización del ensayo de probetas a torsión 4.2. Metodología para la obtención de resultados, correspondientes al ensayo de probetas a torsión184 4.2.1. Obtención de resultados.185 4.3. Análisis de resultados.205 4.4. Análisis de fractura .212 4.4.1. Análisis de fractura probetas Acero AISI 1020 HR 212 4.4.2. Análisis de fractura probetas Acero AISI 4140 Normalizado .214 CAPITULO V216 5. Conclusiones 216 CAPITULO VI.220 Apéndice: Registro fotográfico fabricación máquina para realizar ensayos de torsión a probetas de acero con propiedades mecánicas iguales o inferiores al acero 4140 normalizado .220 CAPITULO VII224 7. Anexos224 CAPITULO VIII.305 8. Referencias bibliográficas y cibergraficas .PregradoIngeniero en MecánicaIngeniería Mecánica310 p.application/pdfspaUniversidad ECCIFacultad de IngenieríasDerechos Reservados - Universidad ECCI, 2022info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño y fabricación de una máquina para realizar ensayos de torsión a probetas de acero con propiedades mecánicas iguales o inferiores al acero 4140 normalizadoTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/redcol/resource_type/TPhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85http://purl.org/coar/version/c_dc82b40f9837b551al., M. e. (2006). Diseño y Construcción de una Máquina Básica de Ensayos Destructivos de Tracción y Torsión. Bogota, D.C.: Universidad de San Buenaventura. Recuperado el 06 de Junio de 2021, de http://biblioteca.usbbog.edu.co:8080/Biblioteca/BDigital/37959.pdfAlarcon, B. (25 de Mayo de 2015). Instituto Técnico Gral. 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detallada.pdfapplication/pdf615547https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/4/Acta%20de%20sustentaci%c3%b3n%20detallada.pdf65bf84f1c90d483f9368aa8628f3b727MD54Anexo 1.pdfAnexo 1.pdfapplication/pdf3187850https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/5/Anexo%201.pdf5772d3e4785194e2449ab04c7b853966MD55Anexos 2.pdfAnexos 2.pdfapplication/pdf5229844https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/6/Anexos%202.pdfe327b1991f420464e59a543fc69d04afMD56LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-814798https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/7/license.txt88794144ff048353b359a3174871b0d5MD57TEXTTrabajo de grado.pdf.txtTrabajo de grado.pdf.txtExtracted texttext/plain420482https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/10/Trabajo%20de%20grado.pdf.txt71e001c1a207d14dc51ab7304a93ee3aMD510Cesión de derechos.pdf.txtCesión de derechos.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/12/Cesi%c3%b3n%20de%20derechos.pdf.txt68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD512Acta de opción de grado.pdf.txtActa de opción de grado.pdf.txtExtracted texttext/plain1381https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/14/Acta%20de%20opci%c3%b3n%20de%20grado.pdf.txt8201adbc05e7dad1f05333a03b9c273cMD514Acta de sustentación detallada.pdf.txtActa de sustentación detallada.pdf.txtExtracted texttext/plain44https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/16/Acta%20de%20sustentaci%c3%b3n%20detallada.pdf.txt5ff256ef20b414a489be3811c49f8bd5MD516Anexo 1.pdf.txtAnexo 1.pdf.txtExtracted texttext/plain39057https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/18/Anexo%201.pdf.txt06d040b568b06d3d9f1f1abca2afe937MD518Anexos 2.pdf.txtAnexos 2.pdf.txtExtracted texttext/plain16239https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/20/Anexos%202.pdf.txt702307578256878164270b030d4352ddMD520TEXTTHUMBNAILTrabajo de grado.pdf.jpgTrabajo de 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Thumbnailimage/jpeg7089https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/19/Anexo%201.pdf.jpg6f7a2598181404aca303bf31a357be44MD519Anexos 2.pdf.jpgAnexos 2.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg11235https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/3032/21/Anexos%202.pdf.jpg38d9805c18258f72a8a37686885d0eaaMD521THUMBNAIL001/3032oai:repositorio.ecci.edu.co:001/30322024-07-24 16:14:43.86Repositorio Digital Universidad 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