IPIN JORNADA TECNICA ANUAL Diseño Mecánico del Sistema de Gobierno de un Vehículo Subacuático

Transcripción

1 1 IPIN JORNADA TECNICA ANUAL Diseño Mecánico del Sistema de Gobierno de un Vehículo Subacuático Autores: C.F Ing. ELPIDIO PEREZ RIVERO T.Civ Ing. DALILA MENA DíAZ

2 2 1. Introducción: El desarrollo de la construcción naval en sentido general y sobre todo en la esfera turística ha motivado la construcción de pequeñas embarcaciones subacuáticas que naveguen en aguas restringidas, asociado a ello en nuestro centro existía un prototipo de Vehículo de Navegación con sistema de gobierno implementado, el cual no cumplía con las exigencias requeridas para su funcionamiento. Existían problemas mecánicos por errores de la concepción cinemática que provocaban la rotura de las barras de transmisión, problemas de alineación en ejes por el concepto del diseño, que provocaban vía de agua hacia el interior del vehículo a través de los prenses. Fig.1 Vehículo Autónomo Subacuatico. Con el objetivo de resolver estos problemas para no encarecer el proyecto, se planteó la exigencia de utilizar los mismos equipos que ya estaban comprados (Pistón Hidráulico, charnelas), además el pistón hidráulico debía quedar fuera del vehículo, logrando un ángulo de giro de los órganos de gobierno de 35 0 a ambas bandas, esta medida eliminaba una posible penetración de agua através del vástago del pistón. El pistón hidráulico disponible no presentaba mecanismo de retroalimentación hacia el sistema electrónico de gobierno, agregándose este elemento a las exigencias planteadas. Para lograr el funcionamiento del vehículo autónomo subacuático se necesitaba rediseñar el sistema de gobierno, el cual exigía ciertos requerimientos que mostramos a continuación. 1.- Gobierno por los dos planos (Horizontal y Vertical). 2.- Ángulo máximo de inclinación de los órganos de gobierno Empleo del pistón Hidráulico Vetus MTC 30 con carrera de 150 MM. 4.-Ubicación del pistón dentro de los límites de la silueta del casco del vehículo, pero fuera de este.

3 3 Para la ejecución del proyecto nos apoyamos en el diseño asistido por computación, empleando distintos Software de diseño 3D. Para la realización de los cálculos utilizamos el Software EXCEL, SOLIDWORKS Desde el punto de vista cinemático se realizo una modelación física utilizando el Software SOLIDWORKS Posteriormente se realizo un diseño 3D del sistema de gobierno tanto en el plano vertical, como en el plano horizontal, modelando toda la geometría, empleando para esto los software de diseño tridimensional AUTODESK MECHANICAL DESKTOP 2004 y SOLIDWORDS Logrando obtener al final toda la documentación de proyecto para la fabricación del mismo. 2. Concepción, cálculo, diseño y elaboración de la documentación de proyecto del sistema de gobierno. Para la ejecución de este trabajo se realizaron diferentes etapas: 2.1. Concepción Diseño 3D y elaboración de documentación Fabricación y prueba Concepción. En la etapa de concepción se realizó un análisis esquemático y de principio cinemático, con el objetivo de comprobar el cumplimiento de los requerimientos exigidos por el proyecto. Estudio cinemático Se realizó un estudio, cálculos y simulación de la cinemática del funcionamiento del sistema, logrando cumplir en esta etapa con las exigencias planteadas. El sistema elegido del tipo manivela y colisa giratoria básicamente quedó compuesto por las siguientes partes: Fig.2 Esquema del sistema cinemático tipo manivela y colisa giratoria empleado en el proyecto.

4 4 Partes del sistema cinemático 1- Pivote del pistón. 2- Pistón hidráulico VETUS MTC Barra de transmisión. 4- Charnela. 5- Manivela. 6- Pivote. 7- Sistema de retroalimentación. 8- Prense. Principio de funcionamiento del mecanismo Mientras el pistón 2 trabaja, rota alrededor de su pivote 1, la barra de transmisión 3 rígidamente unida al pistón transmite el empuje de este último a través de la charnela 4 a la manivela 5. La manivela 5 al estar rígidamente unida al órgano de gobierno (pala ó tobera) girando alrededor del pivote 6 transmite el movimiento. La charnela 4 asimila errores de montaje durante el ensamblaje del sistema al tener más grados de libertad. Durante el movimiento oscilatorio del pistón el sistema de retroalimentación a través del prense transmite la posición de este ultimo al sistema de adquisición de datos electrónico del vehículo. Posteriormente se realizo un modelo simplificado en 3D con ayuda del Software de diseño SolidWords 2006, donde se modeló la cinemática del mecanismo. Fig.3 Modelación simplificada de la cinematica del mecanismo, en el Software de diseño SolidWords 2006.

5 Diseño 3D y Elaboración de documentación. A partir de los componentes existentes y de la geometría del casco del vehículo modelado en 3D con ayuda del Software Mechanical Desktop se diseñaron el resto de las piezas y partes del mecanismo. En este proceso se realizaron los cálculos de las principales piezas sometidas a los esfuerzos de torsión y empuje. Estos cálculos fueron realizados con la ayuda del Software MechSoft para SolidWorks Fig.4 Modelación en 3D del Sistema de Gobierno en ambos planos. Fig.5 Pistón hidráulico VETUS MTC30. (Componente existente) Fig.6 Barra de transmisión, Charnela, Manivela. ( Componentes diseñados).

6 6 Fig.7 Ventana de presentación del SoftWare Meshsoft para Solidworks, mostrado con la selección del cálculo de chaveta. Fig.8 Ventana para el cálculo de transmición de torque por chaveta.

7 7 Durante esta etapa del diseño tridimencional también se tubo en cuenta la poca disponibilidad en cuanto a la distancia y espacio que requeria el diseño para el funcionamiento de los timones. Un ejemplo de esto se puede apreciar en la transmición del torque de la manivela al cilindro de unión (pivote), elemento este encargado de trasmitir el movimiento giratorio al órgano de gobierno (tobera). Esta transmición de torque se realizó mediante pines de unión, los cuales fuerón diseñados y calculados con el empleo del Software MechSoft para SolidWorks También se puede apreciar que la manivela está compuesta por dos piezas, lo que permitió un ahorro durante su proceso de fabricación. Fig.9 Diseño 3D del timón Horizontal Fig.10 Corte en 2D donde se observa la transmición de torque por los pines de unión de la manivela al cilindro de unión. Fig.11 Ventana de presentación del SoftWare Meshsoft para Solidworks, mostrado con la selección del cálculo de transmición de torque por pines.

8 8 Fig. 12 Ventana especifica con los datos de entrada y resultado final del cálculo. Otro de los requerimientos que se exigía en el proyecto era la ubicación del pistón dentro de los límites de la silueta del casco del vehículo, pero fuera de este. Para cumplir con esta exigencia, teniendo en cuenta la geometría en forma de cono que presentaba el casco, la ubicación de la barra de transmisión y la manivela que le permitieran a los órganos de gobierno alcanzar un ángulo de giro de 35 0 en ambas bandas y la carrera máxima del pistón de 150 MM, se modeló en 3D la intercepción de un túnel de forma cilíndrica con el casco, logrando de esta forma la ubicación exacta del pistón hidráulico, ya que el mismo estaría ubicado dentro de dicho túnel. Para la realización de esta intercepción nos apoyamos en el Software de diseño SolidWorks, donde se obtuvieron las plantillas del desarrollo de los túneles y la del cono con los orificios de intercepción con el túnel. Logrando de esta forma una mejor exactitud a la hora de elaborar los orificios en el casco del vehículo. Ya que de esto dependía la ubicación del pistón y la correcta alineación del sistema.

9 9 Fig. 13 Desarrollo del cono, para crear plantilla, para la elaboración del orificio producto de la intercepción del túnel con el casco. Fig. 14 Diseño 3D de la intercepción del túnel con el casco, ubicación del pistón y alineación de todo el sistema.

10 10 Otro de los retos a alcanzar en este proyecto era el diseño y fabricación de un sistema de retroalimentación, el cual permitiera obtener de forma continua el posicionamiento del timón del vehículo, y como planteamos al inicio el pistón hidráulico con el que se contaba carecía de dicho sistema. Para el diseño de este sistema se empleó un esquema de mecanismo de colisa tangente, logrando el movimiento lineal de la varilla hacia el interior del vehículo, lo que permitió simplificar la tarea de hermetización del casco en el punto de entrada y salida de la varilla. Fig.15 Sistema de retroalimentación. Para evitar la entrada de agua al interior del vehiculo y lograr el funcionaminto del sistema de retroalimentación se diseño un doble prense, teniendo en cuenta que en el proyecto anterior el diseño de prense sencillo mostró dificultades. Fig.16 Corte transversal del doble Prense.

11 11 Elaboración de documentación. Una vez concluida la etapa de simulación y diseño 3D, logrando satisfacer las exigencias del proyecto, se pasó a la etapa de elaboración de la documentación de proyecto, apayondanos para la realización de la misma en el Software Mechanical Desktop, donde se realizarón los planos de piezas y de ensambles. Fig. 17 Plano de Ensamble Timón Horizontal (Tobera). Fig.18 Plano de ensamble Timón Vertical (Pala) Fabricación y Prueba. Al finalizar la etapa de elaboración y revisión de la documentación, se paso a la etapa de fabricación, montaje, alineación del sistema, puesta a punto y pruebas. Se realizaron pruebas de hermeticidad para comprobar la no penetración de agua hacia el interior del vehículo por la unión soldada entre el casco y los túneles donde estaría ubicados los pistones. Se comprobó el funcionamiento del doble prense y la no entrada de agua al interior del vehículo a través del mismo. Se comprobó la alineación y funcionamiento del sistema de gobierno, demostrándose en la práctica que los órganos de gobiernos, tanto en el plano vertical, como en el horizontal obtuvieron una inclinación de 35 0 ambas bandas. Durante la prueba de navegación se pudo comprobar el correcto funcionamiento del sistema de retroalimentación, ya que mediante el mismo se pudo monitorear la velocidad y posición del vehículo.

12 12 Fig. 19 Timón Horizontal (Tobera) en prototipo. Fig. 20 Timón Vertical (Pala) en prototipo. Fig. 21 Vista de los túneles, prense y sistema de retroalimentación desde el interior del vehículo. Fig.22 Vista de la intercepción del túnel con el cuerpo del vehículo y posicionamiento del pistón hidráulico, prense y sistema de retroalimentación. Fig. 23 Botadura al mar del Vehículo Fig.24 Navegación del Vehículo Subacuático

13 Conclusiones: 1.- Se demostró en la práctica que todos los diseños y simulaciones realizados con ayuda de los Software de diseño Mechanical Desktop, MechSoft para SolidWorks 2006 y el propio SolidWorks 2006, permitieron rediseñar el sistema de gobierno, dándole solución de esta forma a todos los problemas mecánicos y de alineación existentes en el proyecto, los cuales evitaban su funcionamiento. 2.- Se utilizaron los mismos equipos que ya estaban comprados (Pistón Hidráulico, charnelas), contribuyendo de esta forma en un ahorro económico de los gastos del proyecto. 3.- Se diseñó y fabricó un sistema de retroalimentación mecánica en el pistón hidráulico (Vetus MTC 30) hacia el sistema electrónico de gobierno, ya que el mismo carecía de esta cualidad, razón por la cual trajo como consecuencia un evidente ahorro económico al no tener que comprar un equipo que tuviese de fabrica dicha cualidad. Bibliografía: 1.- P.A.STIOPIN. Resistencia de Materiales Félix Varela L. RESHETOV. Mecanismos Autolineadores. Mir Moscú, 1988.