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DISEÑO Y CÁLCULO
DE UNA
ATRACCIÓN MECÁNICA
b) MEMORIA
Tutor: David Sánchez Molina
Autor: Óscar Álvarez Cherta
Especialidad: Mecánica
Primavera 2010
M 2
Índice
1. OBJETO Y ALCANCE DEL PROYECTO 3
1.1.-Objeto 3
1.2. Alcance 4
2. ESPECIFICACIONES BÁSICAS 5
2.1. Descripción del movimiento y características principales 5
3. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA SOLUCIÓN ADOPTADA 8
3.1. Estructura 8
3.2. Motores 12
3.3. Habitáculo 13
3.4. Sistemas de seguridad 14
3.5. Uniones 15
3.6. Diseño 16
4. MÉTODO DE EJECUCIÓN Y MATERIALES UTILIZADOS 17
5. RESUMEN 18
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1. Objeto y alcance del proyecto
1.1.-Objeto
El objetivo del proyecto es diseñar y definir una atracción mecánica para el
entretenimiento de manera que sea posible su construcción a partir de las especificaciones
dadas en esta memoria y los planos adjuntos. Ésta pretende hacer una simulación
aproximada del vuelo de un aparato aéreo, como son el helicóptero, los aviones y las
naves. En concreto el diseño de la cabina es una imitación de un avión de carreras de
vuelo „acrobático‟ y pretende imitar sus movimientos.
(D1)
La atracción se basa en el giro sobre un eje fijo a una velocidad elevada, además cada
cabina para el pasajero está dotada de un giro perpendicular a la trayectoria de 360 grados
a dos velocidades diferentes, a “alta” velocidad simulando con éste un movimiento en
tirabuzón, y a “baja” velocidad representando el movimiento a diferentes inclinaciones.
Para el cálculo será necesario en primer lugar tener una idea de los movimientos y
dimensiones de dicha atracción para posteriormente estudiar los estados críticos de esta y
de cada uno de sus elementos con el fin de dotar a la máquina de las dimensiones y
materiales necesarios.
M 4
1.2. Alcance
En este proyecto se determinaran las dimensiones características de la máquina tales
como: longitudes de brazo, geometría de distintos elementos, perfiles de cada barra, etc.
Definiendo de esta manera la máquina por completo y demostrando su viabilidad.
También se calculan los motores necesarios para el funcionamiento correcto de la
atracción. Se ha buscado los datos técnicos específicos de estos pero no se han encontrado
un motor que cumple con todos los requerimientos en los catálogos.
Se pretendía simular movimientos bruscos de vaivén mediante pistones, para acercarnos
más a la experiencia de montar en un avión acrobático, pero se tuvo que escoger entre el
movimiento de giro del brazo y este movimiento de vaivén, ya que uno debía descartarse
por no ser constructiva la implantación de los dos sistemas. Se escogió el giro porque el
movimiento alternativo del pistón podría resultar demasiado repetitivo.
M 5
2. Especificaciones básicas
2.1. Descripción del movimiento y características principales
(D2)
Velocidad de rotación principal ( ) →
Velocidad 1de giro del brazo ( ) →
Velocidad 2 de giro del brazo ( ) →
Radio de rotación principal (R) →
Longitud del brazo (L) →
M 6
En los primeros 4 segundos se realizará una vuelta en la que únicamente se irá acelerando
la rotación principal hasta alcanzar la velocidad descrita y que se mantendrá constante
durante todo el funcionamiento de la atracción hasta los últimos 4 segundos de
deceleración hasta la parada.
Durante los siguientes 16 segundos se iniciará el giro del brazo a la velocidad 1 dando así
una vuelta completa por 4 de la rotación principal.
Pasarán 4 segundos más en el que el único movimiento es el de rotación principal en los
que se cambiará la velocidad del motor del brazo para que a los 24 segundos se inicie el
giro del brazo a velocidad 2 y de una vuelta completa, al ser un movimiento desfasado en
el que todos los giros comienzan al pasar por el mismo punto, a la conclusión del último
giro transcurrido 32 segundos desde la puesta en marcha.
A partir de este momento comenzará la parada de la atracción anteriormente descrita. De
esta manera la duración del ciclo son 36 segundos en los que se dan 9 vueltas respecto al
eje de giro principal.
Con estos datos podemos describir la posición para cada instante definiendo las
ecuaciones del movimiento para cada eje.
(1)
(2)
(3)
Derivando estas respecto del tiempo obtendremos la velocidad en cada dirección, y
derivando ésta tendremos la aceleración.
Mediante una hoja de cálculo podremos evaluar las ecuaciones para cada instante de
tiempo que queramos considerar. Para el cálculo se han utilizado intervalos de 0,25
segundos, que nos darán una información suficiente para todas las situaciones.
M 7
Podemos comprobar en el anejo de cálculo de fuerzas que las aceleraciones máximas no
sobrepasan los valores soportados por el cuerpo humano indicado en el siguiente dibujo.
(D3)
Determinando las masas indicadas en el anejo de cálculo de fuerzas podremos hallar las
fuerzas generadas. Una vez conocidas las fuerzas que intervienen en el sistema durante
todo su funcionamiento podremos hacer el dimensionado de las barras que componen la
estructura y determinar el par máximo que necesitará nuestro motor.
M 8
3. Descripción detallada de la solución adoptada
3.1. Estructura
Primeramente hemos agrupado las barras como se indica en la siguiente imagen, ya que
todas las incluidas dentro de un grupo sufrirán los mismos esfuerzos. Así trataremos las
barras según en el número de grupo al que pertenezcan.
(D4)
M 9
Se ha optado la configuración geométrica de las barras que se muestra en la imagen:
(D5)
Se han añadido las barras diagonales para reforzar la estructura básica necesaria, así con
el grupo de barras 3 salvamos el voladizo del grupo de barras 2 reduciendo notablemente
el esfuerzo que sufrirán y con el grupo de barras 4 evitamos el vuelco de la atracción.
Además con la incorporación de estos grupos se reducen los momentos flectores sobre el
pilar.
M 10
En la imagen podemos ver el esquema de los perfiles adoptados y su disposición según
los cálculos del anejo II.
(D6)
M 11
En la siguiente imagen podemos el aspecto que tendrá la estructura con los perfiles reales
que necesita para aguantar los esfuerzos solicitados, anteriormente descritos.
(D7)
M 12
3.2. Motores
Motor1
Necesitamos aplicar una reducción importante al eje de salida del motor, para ello
buscamos moto-reductores pero no se encuentran con las características exactas, pero
encontramos un reductor apropiado. Por lo que se usará este para acoplarlo a
directamente a un motor con brida s/NORMA IEC-DIN 42677 como se indica en el
catálogo que aporte las revoluciones por minuto solicitadas en el eje de entrada.
Se ha escogido un reductor del proveedor Pujol Muntalà de la serie tándem modelo
TH de cuatro etapas tipo 20 con las siguientes características:
Vemos que cumple con descrito en el anejo de cálculos III. Escogiendo este reductor
tendremos que acoplarlo a un motor de 1500 rpm en su eje de salida.
Motor2
Se utilizará un motor de dos velocidades de 1500 y 375 rpm, pero ahora la
transmisión debe hacerse con un reductor que funcione con el mecanismo sinfín-
corona con las mismas características del anterior, para variar el eje de giro y poder
acoplarlo a las barras del grupo dos en posición longitudinal y se produzca la rotación
deseada en las barras del grupo uno, tal y como se explica en el anejo III.
M 13
3.3. Habitáculo
En la vista de sección podemos ver el perfil de acero que servirá para unirla a la perfilería
de la atracción en voladizo a una altura aproximada a la que se indica en los planos
ajustándose para permitir la mayor facilidad de montaje, tendrá la misma sección que el
grupo de barras 1 al que está soldado, de modo que aguantará sobradamente los esfuerzos
generados, además se han provisto unos nervios interiores para soportar posibles apoyos
con alguna parte del cuerpo y no flexionar en exceso la base del asiento.
El material pensado para la construcción que constituye parte estética de la cabina es el
PVC por sus propiedades de rigidez y ligereza. La parte del asiento estará acolchada para
evitar golpes con esta.
En los planos se indican las dimensiones consideradas para que se pueda introducir
cualquier tipo de pasajero, el resto de dimensiones no se han indicado por ser puramente
estéticas y por tanto modificables por necesidades constructivas por el fabricante.
(D8)
M 14
3.4. Sistemas de seguridad
El sistema de sujeción está basado en la presión de una barra al cuerpo del pasajero, como
se muestra en la imagen. Dicha presión será ejercida manualmente con un mecanismo de
engranajes dotado de un bloqueo que evite el retorno hasta que se haya parado la
atracción. Otra solución sería utilizar motores o pistones que ajustarán hasta cierta presión
la barra de sujeción.
Debe contener un sistema de seguridad electrónico que permita detectar una posición
mínima de cierre que impida la puesta en marcha en caso de no estar ajustada. También
se puede configurar un desbloqueo automático al finalizar el trayecto. Además el sistema
de seguridad debe comprender un sistema de frenado de emergencia que se ajuste a las
necesidades de par máximo del anejo III.
En los planos se han indicado las dimensiones básicas de la barra de sujeción para que se
ajusten a las dimensiones del habitáculo y el cuerpo del pasajero, pudiendo ser
modificadas siempre que se cumplan las restricciones anteriores.
(D9)
M 15
3.5. Uniones
Todas las soldaduras entre perfiles y de perfiles con otros elementos serán a tope y
continuas en todas las superficies de contacto, ya que son las más recomendables para
cargas dinámicas, además se justifica esta solución ya que al estar expuestas a la
corrosión, la estructura se encuentra a la intemperie, no se deben utilizan soldaduras
discontinuas.
Los grupos de barras 4 estarán unidos a la cimentación mediante pernos. Ésta
cimentación será un bloque de hormigón, dependiendo del emplazamiento de la atracción,
fijo o móvil, se diseñaran un bloque cilíndrico para todo el conjunto o bloques
individuales para cada anclaje. Se precisará de una placa de unión soldada al perfil para
realizar la unión mediante pernos. Los cálculos de esta unión se encuentran en el anejo II.
El pilar está unido a la estructura que se muestra a continuación mediante una placa
intermedia de soldadura que se adecuada según normativa. Ésta se diseña para evitar
sobrecargar el eje del motor con el peso de la estructura, por lo que será esta la que lo
soporte. Así en la parte inferior llevará un acople para el eje del motor de modo que
quede encajado a presión. En los extremos de las patas se incorporan ruedas con el
mínimo coeficiente de fricción para que el eje pueda rotar sin problemas. Los cálculos
necesarios para llevar a cabo esta estructura se encuentran en el anejo II.
(D10)
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3.6. Diseño
En el siguiente dibujo podemos hacernos una idea de cómo quedaría la atracción una vez
construida, se han representado los elementos más significativos.
(D11)
M 17
4. Método de ejecución y materiales utilizados
En función de cada elemento se ha seguido un método de ejecución y cálculo distinto.
En cada capítulo se distingue la metodología seguida, las hipótesis propuestas y las bases
de cálculo prescritas.
En todo momento se ha trabajado acorde al CODIGO TÉCNICO DE LA
EDIFICACIÓN, normas UNE y DIN.
En cuanto a materiales utilizados, todos los elementos metálicos diseñados son de acero y
su composición se detalla para cada uno de ellos.
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5. Resumen
El objetivo del proyecto es diseñar y definir una atracción mecánica para el
entretenimiento de manera que sea posible su construcción a partir de las especificaciones
dadas en esta memoria y los planos adjuntos.
Ésta pretende hacer una simulación aproximada del vuelo de un aparato aéreo, como son
los helicópteros, los aviones y las naves. En concreto el diseño de la cabina es una
imitación de un avión de carreras de vuelo „acrobático‟ y busca imitar sus movimientos y
sensaciones.
Así, la atracción se basa en el giro sobre un eje fijo a una velocidad elevada, además cada
cabina para el pasajero está dotada de un giro perpendicular a la trayectoria de 360 grados
a dos velocidades diferentes, a “alta” velocidad simulando con éste un movimiento en
tirabuzón, y a “baja” velocidad representando el movimiento a diferentes inclinaciones.
Se pretendía también que estos movimientos fueran bruscos como en la realidad, pero no
era constructivo.
Para el cálculo será necesario en primer lugar tener una idea de los movimientos y
dimensiones de dicha atracción para posteriormente estudiar los estados críticos de esta y
de cada uno de sus elementos con el fin de dotar a la máquina de las dimensiones y
materiales necesarios.
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5. Resum
L'objectiu del projecte és dissenyar i definir una atracció mecànica per a l'entreteniment
de manera que sigui possible la seva construcció a partir de les especificacions donades
en aquesta memòria i els plànols adjunts.
Aquesta pretén fer una simulació aproximada del vol d'un aparell aeri, com són els
helicòpters, els avions i les naus. En concret el disseny de la cabina és una imitació d'un
avió de carreres de vol „acrobàtic‟ i busca imitar els seus moviments i sensacions.
Així, l'atracció es basa en el gir sobre un eix fix a una velocitat elevada, a més cada
cabina per al passatger està dotada d'un gir perpendicular a la trajectòria de 360 graus a
dues velocitats diferents, a „alta‟ velocitat simulant amb aquest un moviment en tirabuixó,
i a „baixa‟ velocitat representant el moviment a diferents inclinacions. Es pretenia també
que aquests moviments fossin bruscs com en la realitat, però no era constructiu.
Per al càlcul serà necessari en primer lloc tenir una idea dels moviments i dimensions
d'aquesta atracció per a posteriorment estudiar els estats crítics d'aquesta i de cadascun
dels seus elements amb la finalitat de dotar a la màquina de les dimensions i materials
necessaris.
M 20
5. Abstract
The aim of the project is to design and to define a mechanical attraction for the
entertainment so that his construction is possible from the specifications given in this
memory and the attached planes.
This one tries to do an approximate simulation of the flight of an air device, since they
are the helicopters, the planes and the ships. The design of the cabin it is an imitation of a
plane of careers of 'acrobatic' flight and seeks to imitate his movements and sensations.
This way, the attraction is based on the draft on a fixed axis to a high speed, in addition
every cabin for the passenger is provided with a draft perpendicular to the path of 360
degrees to two different speeds, to „high speed‟ simulating with this one a movement in
corkscrew, and to „low speed‟ representing the movement to different inclinations. There
was claimed also that these movements were sudden as in the reality, but it was not
constructive.
For the calculation it will be necessary first to have an idea of the movements and
dimensions of the above mentioned attraction later study the critical conditions of this one
and of each of his elements in order to provide to the machine of the dimensions and
necessary materials.
