Este documento describe el desarrollo de un dispositivo llamado GOM (Gear's Operation Meter) para medir las condiciones de operación de engranes. El GOM permitirá medir vibraciones y cargas en engranes durante pruebas en el laboratorio de la Universidad Nacional de Colombia. El documento incluye un análisis de requerimientos, generación de conceptos, selección de un diseño y descripción del funcionamiento del dispositivo. El GOM proveerá una herramienta útil para investigación y desarrollo en el laboratorio de la univers

1. Oscar Javier Roncancio Valbuena
Alex Andrés Villa Redondo
Larry Mc.Lean Diaz Ardila
Bogotá D.C. Diciembre de 2009
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS
GOM
DISPOSITIVO MEDIDOR DE CONDICIONES DE OPERACIÓN DE
ENGRANES

2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
•La Universidad necesita equipos que fomenten el afianzamiento de
conocimiento, El banco para la realización de pruebas de fallas en engranajes
es una ayuda importante para la Universidad, ya que es una herramienta
de investigación y desarrollo en laboratorio
•El proyecto financiado por el departamento de Ingeniería Mecánica y
Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia.
•El valor esperado del proyecto es de aproximadamente $900.000, esto es
sin contar el sistema de adquisición e datos (proporcionado por la
Universidad)
•El tiempo estimado para el desarrollo del proyecto es de 4 meses, esto
incluye el tiempo de diseño, construcción y pruebas del producto.

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Asociar de una manera clara y sencilla las distintas
condiciones de falla de engranajes rectos en
operación bajo carga dinámica en la transmisión de
potencia con los patrones de vibraciones registrados
en los apoyos del montaje

4. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
1. La maquina no esta construida.
2. La maquina debe ceñirse a la disposición espacial de un banco de trabajo
ya establecido con 4 ranuras tipo T.
3. Los apoyos a diseñar deben censar cargas, vibraciones y deformaciones
dispuestas sobre el eje.
4. Los apoyos a diseñar deben ser móviles sobre las ranuras y con la
capacidad y facilidad de desmontar el eje para adecuarlo a diferentes tipos
de pruebas.
5. Debe tener una vida útil razonable para frecuencias de trabajo variables.
6. Debe soportar cambios bruscos de cargas, vibraciones y velocidades
debido a la ruptura de los engranes en los ensayos.
7. Debe proporcionar confiabilidad en los datos, tener robustez de diseño.

5. ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)
•Existen equipos que pueden medir vibraciones , o equipos de laboratorio
para medir cargas , pero no se encontró un producto que pueda ejecutar estas
dos funciones al mismo tiempo como el GOM.
•Los equipos encontrados para medir cargas no presentan versatilidad en
montaje, ya que se usan especialmente para ensayos de tracción o compresión
de probetas con geometrías determinadas.
•Los equipos no relacionan las cargas presentes en los puntos de medición con
las cargas producidas en la transmisión de potencia por engranajes.
•En resumen, no se encontró equipo que cumpla con las especificaciones que
se plantean para el GOM.

6. ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)
•Velocidades de funcionamiento.
•Disposición espacial del montaje.
•Uso de partes estandarizadas.
•Geometría de los ejes.
•Tamaños mínimos de engranajes.
•Resistencia de los ejes.
•Deformaciones de las celdas de carga.
•Peso y volumen.
•Estabilidad de los componentes.
•Mantenimiento.

7. FUNCIONES:
DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN
FUNCIONAL
GOM
(Gear’s Operation Meter)
Disposición Mecánica
Configuración del set up
Posicionamiento del eje
Establecer
Características del
montaje
Configuración
Particular de cada
ensayo
Ajuste de
Parámetros de
Funcionamiento
Velocidad del Motor
Carga del Freno
Transmisión Par
Torsional
Ubicar en cojinetes y
Apoyos
Ubicar Cojinetes
Ubicar sensores
Posicionamiento de los
engranajes
Ajustar Disposición del
montaje
Ubicación de Engranes
Fijación de engranes
Transmisión del Par
torsional
Soportar Cargas
Soportar el peso del montaje
Soportar pesos de
elementos fijos
Soportar pesos de
elementos
intercambiables
Proteger integridad de
elementos fijos
Soportar cargas dinámicas
Soportar Sobrecargas
Soportar Cambios
Bruscos
Proteger integridad de
elementos fijos
Transmitir Potencia
Transmitir
Potencia
Arranque
Recoge Potencia del
motor
Velocidad del Motor
Carga del Freno
Alcanzar Velocidad de
Prueba
Detener el movimiento
Inmovilizar en parada
Frenar cuando este en
movimiento
Control
Interfaz con el Usuario

8. GOM (Gear’s
Operation Meter)
Disposición
Mecánica
Control
Señales análogas
(AC)
Control Alimentación
Encender/ Apagar
Ordenador
Máquina
Motor
Freno
Sensores
STOP de
emergencia
Establecer
condiciones iníciales
de operación
Señales digitales
(DC)
Envió de señales
Control operación
Iniciar ensayo
Terminar ensayo
Visualizar resultados
Adquisición de
señales
Tarjetas de
adquisición
Sensores
Sensar cargas
Sensar Vibraciones
Comprobar
condiciones iniciales
de operación
Comprobar Conexión
PC – maquina Bus de control
Maquina – PC
Tarjetas de
adquisicion
Sensores
Software
Interfaz con el
usuario

9. GOM (Gear`s
operation
Meter)
Disposición
mecánica
Control
Interfaz con el
usuario
Estado de
maquina y PC
Ordenador
Comandos
Encender/
Apagar PC
Iniciar Software
Iniciar ensayo
Detener ensayo
Resultados
Comunicación
PC-maquina
Interpretación
de resultados
Visualización
de resultados
Maquina
Control
Alimentacion
Encender/
apagar
STOP de
emergencia
Montaje
disposicion
mecanica
Seguridad
Protección
integridad del
usuario
Protección
integridad de la
maquina
Filtrador de
errores
STOP de
emergencia

10. GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN GENERADAS

11. Valor de los conceptos de las ideas
• Se hizo una tabla para evaluar los conceptos y escoger el mejor, obteniendo:
Concepto 1 Concepto 2 Concepto 3 Concepto 4
Criterios de
Evaluación
Pond. Calif.
Calif
Ponder.
Calif.
Calif
Ponder.
Calif.
Calif
Ponder.
Calif.
Calif
Ponder.
Construcción 3,5 3,0 10,5 4,0 14,0 1,0 3,5 1,8 6,3
Disposición
Espacial
2,0 3,0 6,0 2,5 5,0 2,0 4,0 2,5 5,0
Sensar cargas y
vibraciones
5,0 3,0 15,0 3,0 15,0 4,5 22,5 3,0 15,0
Versatilidad del
montaje
3,5 3,0 10,5 2,0 7,0 3,5 12,3 2,0 7,0
Baja Robustez y
poco peso
1,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,5 2,5
Grados de
Libertad
4,0 3,0 12,0 2,3 9,2 3,0 12,0 2,5 10,0
Vida Útil 3,0 3,0 9,0 3,0 9,0 2,0 6,0 3,0 9,0
Resistencia a
trabajo
discontinuo
4,5 3,0 13,5 2,5 11,3 3,0 13,5 2,5 11,3
Visualización de
datos
4,0 3,0 12,0 3,0 12,0 3,0 12,0 3,0 12,0
Costo 5,0 3,0 15,0 4,0 20,0 1,0 5,0 4,0 20,0
Total 35,5 30,0 106,5 28,3 104,5 25,0 92,8 26,8 98,1
Resultado 3,0 2,9 2,6 2,8

12. PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
Después e realizar la tabla de ponderación, la alternativa ganadora fuel la numero 1, la cual reúne
las características mas importantes en el diseño como lo son la sencillez, versatilidad para ajustar
la distancia entre los ejes, el costo de fabricación y de material y los grados de libertad.
Chumacera Móvil.
Celda de carga en
“I” para obtener
unos mejores
datos de
deformaciones
Platina móvil para
ajustar distancia
entre ejes
Chumacera Fija
Platina fina a la
mesa

13. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO
El material a usar se selecciono de acuerdo a las
solicitudes mecánicas y ambientales de cada parte y
teniendo en cuenta los materiales disponibles en el país,
su manufacturabilidad y su costo llegando a las siguientes
conclusiones:
Componentes estandarizados: se usaron componentes
como tornillos, arandelas y chavetas.
Para el diseño de las piezas, se usaron varias
herramientas de diseño asistido por computador como
ANSIS y Solid Edge que facilitaron algunos cálculos.
Además permitieron la optimización de material en
algunas piezas, caso de la celda de carga, la cual debe
tener una deformación especifica para que pueda ser
registrada por las galgas extensiométricas . Para este
caso, se ingresa la geometría aproximada al programa,
después se selecciona el elemento de calculo a usar, se
establecen las propiedades del material (AlumOLD), luego
es ingresan datos de restricciones espaciales y las cargas
aplicadas, se escoge la intensidad de malla y se soluciona
la geometría.

14. Diseño Final

15. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
MODO DE FUNCIONAMIENTO
El GOM funciona a partir de los principios de análisis de falla a través del estudio de
vibraciones y medición indirecta de las fuerzas sometidas.
El montaje está cuidadosamente pensado para Detectar las vibraciones producidas
en la transmisión de potencia a través de un juego de engranajes rectos . Las
lecturas son tomadas en los apoyos de los cojinetes, los cuales soportan las
reacciones producidas por el acople, generando una deformación en los mismos,
estas deformaciones son traducidas en deformaciones de galgas extensiométricas
dispuestas en cada uno de los apoyos.

16. Adquisición de datos
• La adquisición de datos por medio de los sensores instalados en el
dispositivo se divide en dos partes : la primera consiste en la manipulación
de los datos tomados por las galgas extensiométricas, estas varían su
resistencia según la deformación que sufre, esto debido a las fuerzas
sometidas. Estos datos son capturados por medio de una tarjeta de
adquisición de datos y un software especializado para garantizar la
exactitud de dichas mediciones. El segundo procedimiento consiste en
adquirir las medidas de vibración de los cojinetes, esto se logra a través de
dos acelerómetros en cada uno de ellos los cuales nos permiten
identificar las vibraciones y manipular estas medidas en el software
especializado para tal función. El software por el cuál se realizará la
adquisición y manipulación de los datos, tanto de fuerzas como de
vibraciones, es LabVIEW, producido y distribuido por la NATIONAL
INSTRUMENTS

17. Disposición de los sensores

18. ASPECTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL DE LA MÁQUINA
En cuanto la seguridad y control, hay que tener en cuenta que este es un equipo que
funciona a una elevada velocidad y que a pesar que transmite una potencia relativamente
baja, hay que tomar las medidas de prevención adecuadas, como mantener las
extremidades lejos de los ejes o no manipular la maquina mientras este encendida, para
tratar de garantizar la seguridad del operario, la maquina cuenta con un botón de parada
inmediata dispuesto en uno de sus costados para facilitar su accesibilidad.
ASPECTOS DE ERGONOMÍA CONSIDERADOS.
La ergonomía de la maquina viene determinada por la banca de ensayo, la cual es una mesa
ranurada de 50 x 80 cm que permite la manipulación de los componentes desde cualquier
lado, se trataron de diseñar piezas con formas básicas para una mejor manipulacion,
también se rebajaron bordes que pudieran lesionar al operario.

19. PARTES PRINCIPALES DEL GOM

20. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
Este proyecto, al ser esencialmente académico, es una herramienta que permite
a la comunidad universitaria la posibilidad de generar conocimiento a través de la
experimentación, es un proyecto de gran beneficio tecnológico para la
universidad, el cual otorga originalidad y calidad en los ensayos de laboratorio.
Adicionalmente la industria interesada en el producto goza de beneficios como
reducción de costos y control preventivo cuanto a mantenimiento de equipos.
Los costos de diseño y producción del equipo se ven remunerados en que una vez
entra en funcionamiento, se puede usar no solo como herramienta de desarrollo
e investigación, también permite ser usado como un equipo que ayude a
planificar el mantenimiento preventivo en una empresa o como un equipo para
evaluar las condiciones de falla para diferentes perfiles de engranes y ayude a
seleccionar el perfil mas adecuado para determinado uso.

21. ANÁLISIS ECONÓMICO
•COSTOS ASOCIADOS CON EL PROCESO
DE DISEÑO
•Los costos totales del proyecto, no solo
incluyen aquellos de partes tangibles,
también incluyen los costos de desarrollo
de la idea como diseño, mercadeo y
diseño de experimentos, se hace una
tabla resumen de todos estos costos
asociados al desarrollo del producto.
•DESPERDICIOS (EXPERIENCIAS Y
RECOMENDACIONES)
•En cuanto a manejo de desperdicios, los
flujos de material que salen como
desecho del equipo son básicamente los
engranajes que fallan y el lubricante
usado en el proceso, estos dos factores
de contaminación son, afortunadamente
altamente reciclables, el material de los
engranajes se puede usar como chatarra
o re-manufacturar y el lubricante se
puede reutilizar para productos con baja
solicitud de calidad en lubricación.
PIEZA MATERIAL PROCESO DE
MANUFACTURA
ADICIONAL PRECIO TOTAL
$(Pesos)
Ejes Acero AISI 4140 Torneado convencional T.T. de Nitrurado 150.000
Apoyos Fijos Acero AISI 4140 Fresado convencional 60.000
Ap. Móviles Acero AISI 4140 Mecanizado convencional 40.000
Celdas de
Carga
AlumOLD Negro Mecanizado Convencional 40.000
Platinas Fijas Acero AISI 1045 Mecanizado convencional 30.000
Platinas
Móviles
Acero AISI 1045 Mecanizado convencional 40.000
Caja de
Lubricación
Acrílico Corte Convencional 50.000
Engranajes de
prueba
Acero AISI 1020 Negro Fresado Convencional 70.000
Soporte para
Motor
Acero Estructural Mecanizado convencional 80.000
Fuente de
poder ATX
40.000
Micro-
controlador
18.000
Sensor Óptico 10.000
Componentes
varios
10.000
Marketing 50.000
Costos de
Diseño, y exp.
700.000
GRAN TOTAL 1’388.000

22. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Logramos calcular esfuerzos en los diferentes dispositivos de la maquina, con software
especializado para tal fin; esto hizo que el diseño y construcción del proyecto se realizara de
manera optima al estar calculadas todas y cada una de las piezas que hacen parte de nuestro
dispositivo. Diseñamos de manera eficiente y estética cada uno de los elementos de la máquina,
todas y cada una de las piezas tienen su justificación basada en cálculos de elementos de
máquinas.
Aprendimos y adquirimos destreza en el manejo de diferentes herramientas y maquinas para la
construcción de elementos mecánicos: segueta, lima, Torno, Fresadora, clibrador, taladro, macho y
terraja, entre otros.
Nuestro mayor problema radicó en el tiempo de fabricación de la maquina, que aunque bien, el
proyecto es desarrollado durante todas las semanas de clase progresivamente, los cambios y
requerimientos a deshora, involucra una nueva fase de diseño y construcción respectivamente;
aumentando así, el tiempo de desarrollo del proyecto.

23. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Con el desarrollo de este proyecto logramos hacer parte de un verdadero grupo de trabajo,
pertenecer a un verdadero grupo de desarrollo de un proyecto y tomar el papel de verdaderos
ingenieros tanto en la toma de decisiones, como en el diseño y construcción del mismo.
Culminamos el desarrollo del proyecto a cabalidad, desarrollando cada una de las partes para su
ensamble, la presentación para su debida exposición en la feria de maquinas y prototipos, el
informe final del proyecto y el manual de usuario detallado acerca del funcionamiento y
manutención de la maquina. El proyecto se entregó totalmente armado y listo para cualquier ensayo
de la condición de operación de engranes.

24. REFERENCIAS
•Inman J.Daniel. “Engineering vibration”.Editorial Pretice Hall, new Jersey
•Nisbett Keith. Budynas Richard. “Diseño en ingeniería mecánica 8º
edición”. Editorial Mc Graw Hill.
•Robert L Moot. “Diseño de elementos de maquinas”. Editorial Pretice
Hall.
•ANSYS. Version 11.0
•SOLID EDGE. Versión 18. 2005 UGS ©
•Microsoft ® Office Professional Edition. 2007.

25. MUCHAS GRACIAS
Alex Andres Villa Redondo
Alex Andres Villa Redondo
aavillar@unal.edu.co
Oscar Javier Roncancio Valbuena
ojroncanciov@unal.edu.co
Larry Mc.Lean Diaz Ardila
lmdiazar@unal.edu.co