PROBLEMAS ELEMENTOS DE MAQUINAS II FNI 1.- En una transmisión de tornillo sin fin se tiene una distancia entre centros
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PROBLEMAS ELEMENTOS DE MAQUINAS II
FNI
1.- En una transmisión de tornillo sin fin se tiene una distancia entre centros de 220[mm], n1=990 [rpm], n2=33[rpm], ηg=87%, z1=2, t=18.85 [mm]. Calcular: a) Los radios primitivos del tornillo y de la rueda respectivamente, b) Angulo , c) Modulo, d) Valor de carga del material de la rueda, e) Potencia perdida en el cojinete. Considere , 15[%]
a0 ≔ 220
z1 ≔ 2
n1 ≔ 990
t ≔ 18.85
n2 ≔ 33
1 smin ≔ ―― 6000
ηg ≔ 0.87
γlub ≔ 0.9 ―― 3 dm
Relacion de transmision
n1 i≔― n2 Numero de dientes de la rueda:
i = 30
z2 ≔ i ⋅ z1
z2 = 60
t m1 ≔ ―
m1 = 6
Modulo
Dimetro primitivo de la rueda: d02 ≔ z2 ⋅ m1 = 360 El radio primitivo sera: d02 r02 ≔ ―― 2 Radio primitivo del tornillo: r01 ≔ a0 − r02
AUX. MAURICIO LAGUE CONDARCO
r02 = 180
SOLUCION 1.5%
r01 = 40
SOLUCION 1.5%
Página 1
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z1 ⋅ m1 d01 = ――― tan ⎛⎝γm⎞⎠ ⎛ z1 ⋅ m1 ⎞ γm ≔ atan ⎜――― ⎟ ⎝ d01 ⎠ kn ≔ 1.155
para
γm = 8.53
kv ≔ 6.044
para
γm = 8.53
m1 = 6
ki ≔ 0.4
FNI
d01 ≔ 2 ⋅ r01
γm = 8.53
SOLUCION 3%
SOLUCION 3%
Para i=30
POTENCIA EN REGINE TRANSMISIBLE Sin ventilador 2
0.7
⎛⎝r01 + r02⎞⎠ ⋅ ⎛⎝n1 + 25⎞⎠ ⋅ ki N1sin = ――――――――― 2940
N1sin = 9.88
Con ventilador 2
⎛⎝r01 + r02⎞⎠ ⋅ ⎛⎝n1 + 100⎞⎠ ⋅ ki N1con = ―――――――― 11450
N1con = 18.43
Potencia de salida SIN VENTILADOR N2sin ≔ ηg ⋅ N1sin = 8.59
AUX. MAURICIO LAGUE CONDARCO
CON VENTILADOR N2con ≔ ηg ⋅ N1con = 16.03
Página 2
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2
FNI
2
2
kn ⋅ ξ ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2 N2sin = ―――――――― 5 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin 5
5
N2sin ⋅ 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin −6 ξsin ≔ ――――――― = 5.02 ⋅ 10 2 2 kn ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2
N2con ⋅ 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin −6 ξcon ≔ ―――――――= 9.36 ⋅ 10 2 2 kn ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2
⎛ −8 6.44 ⎞ ⋅ γlub ⋅ 10 = ξsin ⎜⎝7.42 ⋅ E − ―― ⎟ E ⎠ Esin = 75.13
2
kn ⋅ ξ ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2 N2con = ―――――――― 5 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin
⎛ −8 6.44 ⎞ ⋅ γlub ⋅ 10 = ξcon ⎜⎝7.42 ⋅ E − ―― ⎟ E ⎠
OK
Econ = 140.16
NO
SE ELIGE SIN VENTILADOR N2 ≔ N2sin
N2 = 8.59 N2 Mt2 = 71620 ⋅ ―― n2
Mt2 = 18651.67 3
m1 = 0.43 ⋅
‾‾‾‾‾ Mt2 ―― z2 ⋅ C
Mt2 C ≔ ―――― 3 ⎛ m1 ⎞ z2 ⋅ ⎜―― ⎟ ⎝ 0.43 ⎠
C = 114.42 ―― 2
2 ‾‾‾‾ kv smin Nv ≔ N2 ⋅ ―――⋅ ―― tan ⎛⎝γm⎞⎠ r02
Nv = 1.05
NG ≔ N1sin − N2
NG = 1.28
Nc ≔ NG − Nv
Nc = 0.23
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⋅
SOLUCION 4%
SOLUCION 2%
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2.- Un reductor de tornillo sin fin tiene una relación de transmisión de 10, la potencia que transmite es de 15,719[kW] a 296[rpm], el tornillo tiene 3 entradas y el valor de carga del material de la rueda de aluminio es de 65 [kgf/cm2]. Determine a) Grados Engler, b) potencia de entrada, c) rendimiento del reductor. Considere , 15[%]
i ≔ 10
C ≔ 65 ―― 2
N2 ≔ 15.719
γm ≔ 17
n2 ≔ 296
1 smin ≔ ―― 6000
γlub ≔ 0.9 ―― 3 dm
z1 ≔ 3
El momento de giro en la rueda sera: N2 Mt2 ≔ ―― n2 Numero de dientes de la rueda z2 ≔ i ⋅ z1
Mt2 = 5171.112
⋅
z2 = 30
El modulo sera 3
m' ≔ 0.43 ⋅
‾‾‾‾‾ Mt2 ―― z2 ⋅ C
m' = 5.95
m1 ≔ 6 z1 ⋅ m1 d01 ≔ ――― tan ⎛⎝γm⎞⎠
d01 = 58.88
d02 ≔ m1 ⋅ z2
d02 = 180
AUX. MAURICIO LAGUE CONDARCO
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Las constantes para el angulo de pendiente y relacion de transmison seran:
ki ≔ 0.8
kv ≔ 7.833
kn ≔ 1.06
Los radios primitivos seran d01 r01 ≔ ―― 2
r01 = 2.94
d02 r02 ≔ ―― 2 La velocidad de entrada
r02 = 9
n1 ≔ n2 ⋅ i = 2960 2
2
kn ⋅ ξ ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2 N2 = ―――――――― 5 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin 5
N2 ⋅ 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin ξ ≔ ――――――― 2 2 kn ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2
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ξ = 3.74 ⋅ 10
−6
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La viscocidad en grados Engler sera: ⎛ −8 6.44 ⎞ ⋅ γlub ⋅ 10 = ξ ⎜⎝7.42 ⋅ E − ―― ⎟ E ⎠ E = 56.06
SOLUCION 6%
Sin ventilador 2
0.7
⎛⎝r01 + r02⎞⎠ ⋅ ⎛⎝n1 + 25⎞⎠ ⋅ ki N'1 ≔ ――――――――― ⋅ 2940
N'1 = 11.42
Con ventilador 2
⎛⎝r01 + r02⎞⎠ ⋅ ⎛⎝n1 + 100⎞⎠ ⋅ ki N'1 ≔ ――――――――⋅ 11450
N'1 = 30.5
Por otro lado: N2 = 15.719 N2 = 21.37 Por lo tanto la potencia que se elige es con ventilador 2 ‾‾‾‾ kv smin Nv ≔ N2 ⋅ ――― ⋅ ―― tan ⎛⎝γm⎞⎠ r02
N'1 = 30.5 Nv = 2.36
Nc ≔ 0.02 ⋅ N'1
Nc = 0.61
NG ≔ Nv + Nc
NG = 2.97
N1 ≔ NG + N2
N1 = 24.34
Tambien puede ser expresada en kW: N1 = 17.9 N2 ηg ≔ ―― ⋅ 100 N1
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SOLUCION 6%
ηg = 87.81
SOL.
3%
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3.- Como parte de un sistema de reducción para un molino se tiene una etapa de transmisión por correas trapezoidales que cuenta con correas de sección ‘’C’’ que transmiten 12,2 [kW], el radio de las poleas motora y transmitida son 10[cm] y 25[cm] respectivamente, la velocidad de la correa es de 3.1 [m/s]. Si el factor de servicio es de 1,5 y cada correa transmite 2,493[CV] determine el número de correas, además determine el tiempo de vida útil si se tienen los siguientes datos: c=544.856[mm], W=0,618[kp] kb=1843, kc=3,020, Q=924, x=11,173 , (utilice para el cálculo de vida útil solamente el número de fuerzas máximas de la polea motora). 20[%]
N2 ≔ 12.2
NCC ≔ 2.493
Q ≔ 924
r ≔ 10
C ≔ 544.856
x ≔ 11.173
R ≔ 25
W ≔ 0.618
μ ≔ 0.2
vc ≔ 3.1 ―
kb ≔ 1843
ϕ ≔ 38
fs ≔ 1.5
kc ≔ 3.020
La potencia proyectada sera: NP ≔ N2 ⋅ fs
NP = 18.3
NP #c ≔ ―― NCC
#c = 10
El numero de correas sera SOLUCION 5%
Angulo de la correa en V ⎛R−r⎞ β ≔ asin ⎜――⎟ ⎝ C ⎠ La longitud de la correa sera:
β = 15.98
D ≔ 2 ⋅ R = 500 d ≔ 2 ⋅ r = 200
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⋅β L ≔ 2 ⋅ C ⋅ cos (β) + ―⋅ (D + d) + ――⋅ (D − d) 180 2 L = 2230.83 El peso por unidad de longitud sera W W ≔ ―= 0.277 ―― L Angulo de abrazamiento de la polea motora: α ≔ 180 − 2 ⋅ β
α = 148.04
α = 2.58 Las tensiones en el lado tenso y flojo seran: μ⋅α ――― ⎛ϕ⎞ sin ― ⎜⎝ 2 ⎟⎠
2
W ⋅ vc = 0.2715 Tc ≔ ―――
T1 − Tc =e ――― T2 − Tc
μ⋅α ――― ⎛ϕ⎞ sin ― ⎜⎝ 2 ⎟⎠
= 4.89
⎛⎝T1 − T2⎞⎠ ⋅ vc ――――= NCC 75
EC. (1)
EC. (2)
Resolviendo el sistema de ecuaciones, se tiene
T1 = 76.09 T2 = 15.78 Por otro lado: kb Tb1 ≔ ― d
Tb1 = 92.15
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2
vc Tc = kc ⋅ ―― 100 Tc = 0.2902 La fuerza maxima en la polea motora sera: F1 ≔ T1 + Tb1 + Tc
F1 = 168.53
x
⎛Q⎞ n°1 ≔ ⎜―⎟ = 180627353.11 ⎝ F1 ⎠ n° ≔ n°1 = 180627353.11 Finalmente la vida util sera:
n° ⋅ L VU = ――― 3600 ⋅ vc
VU = 36106.56
SOLUCION 15%
4.‐ La transmisión de una mezcladora de carga es por 6 correas en V que absorbe 25 [CV] de potencia, tiene una relación de transmisión igual a 4. La polea motora tiene una velocidad angular de 101,6 [s-1] y diámetro 150 [mm], si el coeficiente de rozamiento es 0,25 y el ángulo del trapecio es de 38 determine el tiempo de vida útil. Considere peso de una correa 1,5 [kp], c=550[mm], Tb1=1.5*T1, Q=1000, x=10 (utilice para el cálculo de vida útil solamente el número de fuerzas máximas de la polea motora). 20[%]
#c ≔ 6
μ ≔ 0.25
Q ≔ 1000
NP ≔ 25
ϕ ≔ 38
x ≔ 10
i≔4
W ≔ 1.5
1 w1 ≔ 101.61 ⋅ ―
C ≔ 550
d ≔ 150
Tb1 = 1.5 ⋅ T1
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Diametro de la polea transmitida D≔i⋅d
D = 600
Angulo de la correa en V ⎛D−d⎞ β ≔ asin ⎜――⎟ ⎝ 2⋅C ⎠ La longitud de la correa sera:
β = 24.15
⋅β L ≔ 2 ⋅ C ⋅ cos (β) + ―⋅ (D + d) + ――⋅ (D − d) 180 2 L = 2371.5 El peso por unidad de longitud sera W W ≔ ―= 0.633 ―― L La velocidad de la correra sera:
30 ⋅ w1 n1 = ――― π
n1 = 970.3
π ⋅ d ⋅ n1 vc = ――― 60
vc = 7.62 ―
Potencia en cada correa: NP NCC ≔ ―― #c
NCC = 4.17
Angulo de abrazamiento de la polea motora: α ≔ 180 − 2 ⋅ β
α = 131.7
α = 2.3
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Las tensiones en el lado tenso y flojo seran: μ⋅α ――― ⎛ϕ⎞ sin ― ⎜⎝ 2 ⎟⎠
2
W ⋅ vc = 3.7458 Tc ≔ ―――
T1 − Tc =e ――― T2 − Tc
μ⋅α ――― ⎛ϕ⎞ sin ― ⎜⎝ 2 ⎟⎠
= 5.84
⎛⎝T1 − T2⎞⎠ ⋅ vc ――――= NCC 75
EC. (1)
EC. (2)
Resolviendo el sistema de ecuaciones, se tiene T1 = 53.22 T2 = 12.21 Por otro lado: Tb1 ≔ 1.5 ⋅ T1 Tb1 = 79.83 Tc = 3.7458 La fuerza maxima en la polea motora sera: F1 ≔ T1 + Tb1 + Tc
F1 = 136.8
x
⎛Q⎞ n°1 ≔ ⎜―⎟ = 435737026.12 ⎝ F1 ⎠ n° ≔ n°1 = 435737026.12 Finalmente la vida util sera:
n° ⋅ L VU = ――― 3600 ⋅ vc
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VU = 37665.75
SOLUCION 20%
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5.- Una trituradora de minerales utiliza como sistema de transmisión un reductor de dos etapas conformado por un tornillo sin fin y una transmisión por correas trapezoidales. Dimensionar todo el sistema, para el cual es necesario calcular: los diámetros primitivos del tornillo y la rueda helicoidal, distancia entre centros del sin fin, ancho de la rueda helicoidal, grados engler, rendimiento del sin fin, potencia de entrada, potencia de régimen transmisible en el árbol del tornillo, selección del tipo y numero de correas (utilizar catalogo GATES ver fig. 2), dimensiones de las poleas motora y transmitida y la vida útil del sistema. 30[%]
n1 ≔ 3000 z1 ≔ 2 C ≔ 75 ―― 2 γm ≔ 15 1 smin ≔ ―― 6000 γlub ≔ 0.92 ―― 3 dm Nc = 0.02 N'1
n4 ≔ 60 Mt4 ≔ 1664.3
⋅
i2 ≔ 2.5 fs ≔ 1.2 μ ≔ 0.2 ϕ ≔ 38 γc ≔ 1.25 ⋅ 10
−6
―― 3
d ≔ 260
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Relacion de transmision total n1 iT ≔ ― n4
iT = 50
N4 ≔ Mt4 ⋅ n4
N4 = 14.22
Potencia de salida
Relacion de transmision del primer par: iT i1 ≔ ― i2
i1 = 20
Potencia y momento de giro en la rueda 2 N3 ≔ N4 ⋅ fs
N3 = 17.06
N2 ≔ N3
N2 = 12.55
n3 ≔ n4 ⋅ i 2
n3 = 150
n2 ≔ n3
n2 = 150
N2 Mt2 ≔ ―― n2
Mt2 = 8146.15
⋅
Numero de dientes de la rueda z2 ≔ z1 ⋅ i1
z2 = 40
El modulo del tornillo sin fin sera: 3
m' ≔ 0.43 ⋅
‾‾‾‾‾ Mt2 ――= 6 z2 ⋅ C
m1 ≔ 6
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Los diametros primitivos seran z1 ⋅ m1 d01 ≔ ――― tan ⎛⎝γm⎞⎠
d01 = 44.78
SOLUCION 2%
d02 ≔ m1 ⋅ z2
d02 = 240
SOLUCION 2%
d01 + d02 a0 ≔ ――― 2
a0 = 142.39
SOLUCION 1%
t ≔ ⋅ m1
t = 18.85
b2 ≔ 2.5 ⋅ t
b2 = 47.12
Distancia entre centros
Ancho de la rueda
SOLUCION 2%
Los coeficientes para relacion de transmision y angulo de pendiente seran ki ≔ 0.55
para
i1 = 20
kn ≔ 1.09
para
γm = 15
kv ≔ 7.333
para
γm = 15
Calculo de los Grados Engler
2
2
kn ⋅ ξ ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2 N2 = ―――――――― 5 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin 5
N2 ⋅ 6.85 ⋅ 10 ⋅ smin ξ ≔ ――――――― 2 2 kn ⋅ r01 ⋅ r02 ⋅ n1 ⋅ n2
ξ = 5.5 ⋅ 10
⎛ −8 6.44 ⎞ ⋅ γlub ⋅ 10 = ξ ⎜⎝7.42 ⋅ E − ―― ⎟ E ⎠
E = 80.58
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−6
SOLUCION 3%
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POTENCIA EN REGIMEN TRANSMISIBLE Sin ventilador 2
0.7
⎛⎝r01 + r02⎞⎠ ⋅ ⎛⎝n1 + 25⎞⎠ ⋅ ki N'1 ≔ ――――――――― ⋅ 2940
N'1 = 11.25
Con ventilador 2
⎛⎝r01 + r02⎞⎠ ⋅ ⎛⎝n1 + 100⎞⎠ ⋅ ki N'1 ≔ ――――――――⋅ 11450 Como
N'1 > N2
N'1 = 30.19
Se eligira con ventilador N'1 = 22.21
SOLUCION 3%
N2 = 17.06 2 ‾‾‾‾ kv smin Nv ≔ N2 ⋅ ―――⋅ ―― tan ⎛⎝γm⎞⎠ r02
Nv = 1.74
Nc ≔ 0.02 ⋅ N'1
Nc = 0.6
NG ≔ Nv + Nc
NG = 2.34
Finalmente la potencia de entrada sera N1 ≔ NG + N2 N1 = 19.41
SOLUCION
N1 = 14.27
SOLUCION
Tambien se puede expresar en kW 2%
El rendimiento sera N2 ⋅ 100 ηg ≔ ―― N1
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ηg = 87.92
SOLUCION 1%
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Np ≔ N2 = 12.55 n3 = 150
SE ELIGE UNA CORREA C
La velocidad de la correa sera:
π ⋅ d ⋅ n3 vc = ――― 60
vc = 2.04 ―
Este valor es menor a 25[m/s], por lo tanto es aceptable
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Diametro de la polea transmitida: D ≔ d ⋅ i2 D = 650 Distancia entre centros 1 C0 ≔ ―⋅ (D + 3 ⋅ d) 2
C0 = 715
L0 ≔ 1.57 ⋅ (D + d) + 2 ⋅ C0
L0 = 2858.7
Longitud de la correa
L ≔ 2915
C112
Correccion de la distancia entre centros A ≔ L − 1.57 ⋅ (D + d) = 1486.3 D−d ――= 0.26 A
h = 0.136 A − h ⋅ ( D − d) C ≔ ――――― 2
C = 716.59
C − C0 = 1.59
Es menor a 40 OK
Factor de correccion por arco de contacto: D−d ――= 0.54 C G ≔ 0.9212 Factor de correccion por longitud I ≔ 0.95
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Factor de potencia fN ≔ G ⋅ I = 0.875 El diametro equivalente sera: De = fi ⋅ d fi ≔ 1.13 De ≔ fi ⋅ d
De = 293.8
De la tabla 14 se tiene (con De y vc ) N'CC ≔ 2.4821 La potencia en cada correa sera: NCC ≔ fN ⋅ N'CC
NCC = 2.17
Finalmente el numero de correas sera: Np = 17.06 Np Nro ≔ ―― = 7.85 NCC Por lo tanto se tiene: 9 CORREAS GATES C-112
SOLUCION 5%
CALCULO DEL TIEMPO DE VIDA UTIL El area de la seccion transversal de la correa sera: ⎛ϕ⎞ 2 Ac = a ⋅ h − h ⋅ tan ⎜―⎟ ⎝2⎠ Para una correa C
a ≔ 22 h ≔ 14
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⎛ϕ⎞ 2 Ac ≔ a ⋅ h − h ⋅ tan ⎜―⎟ ⎝2⎠
Ac = 240.51
2
El peso especifico de la correa se considera aproximadamente: γc ≔ 1.2 ⋅ 10
−6
―― 3
El peso por unidad de longitud sera: W ≔ γc ⋅ Ac
W = 0.29 ――
Angulo de la correa en V ⎛D−d⎞ β ≔ asin ⎜――⎟ ⎝ 2⋅C ⎠ β = 15.79 Angulo de abrazamiento de la polea motora: α ≔ 180 − 2 ⋅ β
α = 148.42
α = 2.59 Las tensiones en el lado tenso y flojo seran: μ⋅α ――― ⎛ϕ⎞ sin ― ⎜⎝ 2 ⎟⎠
2
W ⋅ vc Tc ≔ ――― = 0.1227
T1 − Tc =e ――― T2 − Tc
μ⋅α ――― ⎛ϕ⎞ sin ― ⎜⎝ 2 ⎟⎠
= 4.91
EC. (1)
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⎛⎝T1 − T2⎞⎠ ⋅ vc ――――= NCC 75
EC. (2)
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Resolviendo el sistema de ecuaciones, se tiene T1 = 100.31 T2 = 20.53 Los factores kb y kc para una correa C son:
kb ≔ 1843
kc ≔ 3.020
kb Tb1 ≔ ― d
kb Tb2 ≔ ― D
Tb1 = 70.88 Tb2 = 28.35 2
vc Tc = kc ⋅ ―― 100 Tc = 0.1259
AUX. MAURICIO LAGUE CONDARCO
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Las fuerzas maximas en las poleas motora y transmitida seran: F1 ≔ T1 + Tb1 + Tc
F1 = 171.32
F2 ≔ T2 + Tb2 + Tc
F2 = 49.01
Las constantes de proyecto seran:
Q ≔ 924 x ≔ 11.173 x
⎛Q⎞ n°1 ≔ ⎜―⎟ = 150387100.26 ⎝ F1 ⎠ x
⎛Q⎞ n°2 ≔ ⎜―⎟ = 177961295250148 ⎝ F2 ⎠ 1 n° ≔ ―――― = 150386973.17 1 1 + ―― ―― n°1 n°2 Finalmente la vida util sera:
n° ⋅ L VU = ――― 3600 ⋅ vc
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VU = 59632.5
SOLUCION 5%
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DIMENSIONES DE LAS POLEAS MOTORA Y TRANSMITIDA [4%] Las siguientes dimensiones son extraidas del catalogo general de correas GATES
Para nuestra correa C tenemos
AUX. MAURICIO LAGUE CONDARCO
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Se tienen las siguientes dimensiones para tamaño de ranuras normales: b1 ≔ 22.7
f ≔ 17
t ≔ 20
g≔2
c ≔ 11.4
r1 ≔ 1
e ≔ 25.5
r2 ≔ 1.5
POLEA MOTORA Diametro primitivo:
dw3 ≔ d
dw3 = 260
Diametro exterior:
de3 ≔ dw3 + 2 ⋅ c
de3 = 282.8
Numero de canales: Longitud de la polea: Longitud del cubo:
z≔9 L3 ≔ e ⋅ (z − 1) + 2 ⋅ f
L3 = 238
LT3 ≔ e ⋅ (z − 1) + 3 ⋅ f
LT3 = 255
Angulo del trapecio:
ϕ = 38
POLEA TRANSMITIDA Diametro primitivo:
dw4 ≔ D
dw4 = 650
Diametro exterior:
de4 ≔ dw4 + 2 ⋅ c
de3 = 282.8
Numero de canales: Longitud de la polea: Longitud del cubo: Angulo del trapecio:
AUX. MAURICIO LAGUE CONDARCO
z=9 L4 ≔ e ⋅ (z − 1) + 2 ⋅ f
L4 = 238
LT4 ≔ e ⋅ (z − 1) + 3 ⋅ f
LT4 = 255 ϕ = 38
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