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25/10/2022

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Introducción al Derecho I

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“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS
Trabajo Terminal
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de
escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

Que para obtener título de
“Ingeniero en Mecatrónica”
Presenta:

López Hernández Pedro
Martín del Campo Rodríguez Juan Manuel

Asesores:
Dr. Castañeda Galván Adrián Antonio
Dr. León Ponce Moisés
Ing. Brito Martínez Emilio Nicéforo

Enero 2014
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

Presidente del Jurado

M. en C. Juan Antonio Jaramillo Gómez
Asesores:

Dr. Castañeda Galván Adrián Antonio Dr. León Ponce Moisés

Ing. Brito Martínez Emilio Nicéforo

Presenta:

López Hernández Pedro Martín del Campo Rodríguez
Juan Manuel

Profesor Titular

Dr. Juan Luis Mata Machuca
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS
Trabajo Terminal
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de
escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

Que para obtener título de
“Ingeniero en Mecatrónica”
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

AGRADECIMIENTOS

López Hernández, Pedro

Agradezco y reconozco al Pueblo de México, como una noble nación la cual
permite que jóvenes como yo, cosechemos frutos, espero continúe otorgando estos
apoyos para las generaciones futuras, ya que gracias a ella podremos aplicar
conocimientos siempre para el desarrollo de la nación.

Por otra parte agradezco al Instituto Politécnico Nacional, a la Institución que
me abrió las puertas, a mi Alma Matter, que me enseñó, orientó durante 5 años por el
bello universo de las ciencias exactas, inculcándome siempre la parte humana de
actuar con ética, sin olvidar que mis conocimientos siempre serán para el beneficio de
la patria, “La técnica al servicio de la patria”.

También quiero agradecer a la Unidad Profesional Interdisciplinaria en
ingeniería y tecnologías avanzadas (UPIITA) ya que sin ella esta meta no habría sido
posible, reconozco a esta institución porque fue la que me vio crecer, me cobijó durante
esta etapa de formación, siempre me enseñó que a pesar de las dificultades, debemos
mantenernos firmes, siempre hay un objetivo que alcanzar, mi estancia en UPIITA tal
vez sea un pequeño paso para ella pero para mí fue un gran paso, mismo que dará
como resultado uno nuevo, en verdad gracias.

Y por último y no menos importante quiero agradecer a las personas más
importantes, las que me apoyaron, a los profesores que siempre tuvieron la paciencia
para compartir sus conocimientos, agradezco infinitamente a mis padres, que siempre
estuvieron para apoyarme, por heredarme el mejor patrimonio que los padres le
pueden dar a sus hijos una oportunidad de estudiar, a mis abuelos sus consejos, sus
ánimos, que a pesar de las dificultades que tuvieron para lograrlo nunca dejaron de
apoyarme y encaminarme, a mis hermanos por brindarme su apoyo de igual manera
también quiero agradecer a mis amigos.

Martín del Campo Rodríguez, Juan Manuel

En primer y más importante lugar, quiero agradecer a mis padres por la
oportunidad que me dieron de concluir mis estudios, ya que sin el apoyo de ellos
hubiera sido imposible siquiera imaginar que podía titularme como Ingeniero
Mecatrónico en el IPN. Fueron muchos obstáculos los que a lo largo de estos 5 años se
presentaron en el camino, sin embargo el respaldo y la confianza de ellos me
permitieron librar cada uno de ellos hasta cumplir con esta meta, gracias por todo el
apoyo y el ánimo siempre para realizar mis objetivos

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

Agradezco también al IPN, a UPIITA por brindarme el lugar perfecto donde
adquirir los conocimientos necesarios para desempeñarme exitosamente en la vida y
seguir alcanzando día a día nuevos horizontes y a su vez cumpliendo nuevas metas,
con la firme convicción de fijar después una meta más alta y más importante, tanto en
el ámbito profesional como en el ámbito personal y humano.

Y a los profesores con los cuales tuve la suerte de encontrarme a lo largo de
estos semestres de estudio, agradezco porque cada uno de ellos fue parte importante
de mi formación y del grandísimo conocimiento conseguido aquí.

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

III

ÍNDICE
RESUMEN .................................................................................................................................................................. 1
OBJETIVOS GENERALES ....................................................................................................................................... 2
OBJETIVOS PARTICULARES .................................................................................................................................................... 2
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 3
JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................................................ 4
ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................................................ 5
DISPOSITIVOS COMERCIALES ................................................................................................................................................. 5
TRABAJOS TERMINALES EN LA UPIITA ................................................................................................................................. 7
MARCO TEÓRICO .................................................................................................................................................... 8
TIPOS DE SILLAS DE RUEDAS ................................................................................................................................................. 8
TRANSMISIÓN MECÁNICA .................................................................................................................................................... 13
ACUMULADORES DE ENERGÍA ............................................................................................................................................. 30
PLATAFORMA DE CÓMPUTO ................................................................................................................................................ 37
DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO PROPUESTO ................................................................................................. 39
FUNCIONAMIENTO PARTE MECÁNICA ................................................................................................................................ 40
DESARROLLO Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN ...................................................................................................... 44
MECÁNICA .............................................................................................................................................................................. 44
Análisis dinámico de Desplazamiento [30] ....................................................................................................... 44
Análisis dinámico de Ascenso [31] ..........................................................................................................................45
Análisis dinámico de Descenso. ............................................................................................................................... 46
Análisis de momento del prototipo sobre los escalones:........................................................................... 47
Análisis dinámico del mecanismo de descenso. ........................................................................................... 49
Mecanismo de soporte de la silla ............................................................................................................................. 52
Posibles soluciones para la adquisición de material .................................................................................... 53
Orugas de goma ................................................................................................................................................................. 54
ELECTRÓNICA ........................................................................................................................................................................ 56
Motores propuestos .......................................................................................................................................................... 56
MODIFICACIONES. ................................................................................................................................................................. 60
SELECCIÓN DE ACTUADORES QUE CUMPLEN CON LOS REQUERIMIENTOS. .................................................................. 68
Elección de plataforma ................................................................................................................................................... 74
Sistema de alimentación ................................................................................................................................................ 78
Cargador de batería.......................................................................................................................................................... 81
Sensores .................................................................................................................................................................................. 82
CONCLUSIONES .................................................................................................................................................... 89
CRONOGRAMA ..................................................................................................................................................... 92
REFERENCIAS ....................................................................................................................................................... 93
ANEXO ..................................................................................................................................................................... 97

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Suma de porcentajes mayor a 100% por la población con más de una dificultad [1]. .................. 3
Figura 2. Stairmax [4]. ..................................................................................................................................................................... 5
Figura 3 Stairtrac [5]. ....................................................................................................................................................................... 5
Figura 4 Vimec [6]. ............................................................................................................................................................................. 5
Figura 5 Plataforma asistente [7]. .............................................................................................................................................. 6
Figura 6 Acorn 80 [8]. ....................................................................................................................................................................... 6
Figura 7 Salvaescaleras portátil Scalacombi [9]. ................................................................................................................ 6
Figura 8 Prototipo vista lateral descenso. ............................................................................................................................. 7
Figura 9 Prototipo vista frontal. .................................................................................................................................................. 7
Figura 10 Prototipo vista lateral................................................................................................................................................. 7
Figura 11 Prototipo vista trasera. .............................................................................................................................................. 7
Figura 12 Sillas manuales Standard. ......................................................................................................................................... 8
Figura 13 Sillas manuales ligeras. .............................................................................................................................................. 8
Figura 14 Sillas manuales ulraligeras (1). .............................................................................................................................. 9
Figura 15 Sillas manuales ultraligeras (2). ............................................................................................................................ 9
Figura 16 Sillas manuales pasivas. .......................................................................................................................................... 10
Figura 17 Sillas deportivas. ......................................................................................................................................................... 10
Figura 18 Disposición geométrica del cuerpo humano [11]. ...................................................................................... 11
Figura 19 Medidas del producto [12]. .................................................................................................................................... 11
Figura 20 Transmisión por cadena. ........................................................................................................................................ 14
Figura 21 Transmisión por correa. ......................................................................................................................................... 14
Figura 22 Transmisión por bandas dentadas. ................................................................................................................... 14
Figura 23 Transmisión por bandas poly V. .......................................................................................................................... 15
Figura 24 Transmisión por engranes. .................................................................................................................................... 16
Figura 25 Tren de engranajes.................................................................................................................................................... 16
Figura 26 Tipos de sección de ejes de transmisión........................................................................................................... 17
Figura 27 Dimensiones de Chavetas, cunas y chaveteros según DIN en mm, par torsor admisible [18].
.................................................................................................................................................................................................................. 21
Figura 28 Corona sin fin. ..............................................................................................................................................................22
Figura 29 Reductor fijo. ................................................................................................................................................................ 22
Figura 30 Reductor pendular. .................................................................................................................................................... 22
Figura 31 Motor Brushless. ......................................................................................................................................................... 29
Figura 32 Configuración en serie. ............................................................................................................................................ 36
Figura 33 Configuración en paralelo y serie [27]. ............................................................................................................ 36
Figura 34 Funcionamiento general......................................................................................................................................... 39
Figura 35 Diagrama a bloques del funcionamiento general del prototipo. ......................................................... 39
Figura 36 Segunda etapa. ............................................................................................................................................................ 40
Figura 37 Primera etapa. ............................................................................................................................................................. 40
Figura 38 Motorreductor. ............................................................................................................................................................ 40
Figura 39 Funcionamiento del mecanismo. ........................................................................................................................ 41
Figura 40 Primera etapa. ............................................................................................................................................................. 41
Figura 41 segunda etapa. ............................................................................................................................................................ 41
Figura 42 Primera configuración. ........................................................................................................................................... 42
Figura 43 Segunda configuración. ........................................................................................................................................... 42
Figura 44 Acoplamiento silla-mecanismo ............................................................................................................................ 42
Figura 45 Estructura ensamblada. .......................................................................................................................................... 43
Figura 46 Figura diagrama de cuerpo libre. ...................................................................................................................... 44
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

Figura 47 Análisis dinámico. ...................................................................................................................................................... 45
Figura 48 Análisis de poleas. ...................................................................................................................................................... 45
Figura 49 Diagrama de cuerpo libre ascenso. .................................................................................................................... 45
Figura 50 Diagrama de cuerpo libre descenso. ................................................................................................................. 46
Figura 51 Análisis de equilibrio. ............................................................................................................................................... 47
Figura 52 Grafica de diferentes posiciones del centro de masa. ................................................................................ 48
Figura 53 Resultado seleccionado para la ubicación del centro de masa. ........................................................... 48
Figura 54 diagrama de cuerpo libre, mecanismo de elevación. ................................................................................ 49
Figura 55 Diagrama de cuerpo libre, mecanismo descenso. ....................................................................................... 49
Figura 56 Diseño y análisis en Geogebra (I). ...................................................................................................................... 52
Figura 57 Diseño y análisis en Geogebra (II). ..................................................................................................................... 52
Figura 58 Orugas de goma Stair Climber 2. ........................................................................................................................ 54
Figura 59 Orugas de goma Stair Climber 1. ........................................................................................................................ 54
Figura 60 Orugas de goma Stair Climber 2. ........................................................................................................................ 55
Figura 61 Motor 1 opción 1. ....................................................................................................................................................... 56
Figura 62 Motor 2 opción 2. ....................................................................................................................................................... 56
Figura 63 Motor 1 opción 2. ....................................................................................................................................................... 57
Figura 64 Motor 1 opción 3[34]. ............................................................................................................................................... 57
Figura 65 Especificaciones del motor. ................................................................................................................................... 57
Figura 66 Motor 1 opción 4[35]. ............................................................................................................................................... 58
Figura 67 Riel parte 1. ................................................................................................................................................................... 60
Figura 68 Riel parte 2. ................................................................................................................................................................... 60
Figura 69 Placa de unión. ............................................................................................................................................................ 60
Figura 70 Resultados del desplazamiento. .......................................................................................................................... 61
Figura 71 Resultados de deformaciones. .............................................................................................................................. 61
Figura 72 Riel ensamblado. ........................................................................................................................................................ 62
Figura 73 Primera etapa ensamblada. .................................................................................................................................. 62
Figura 74 Pieza “base eslabones”. ............................................................................................................................................63
Figura 75 Análisis de desplazamientos de pieza modificada. ..................................................................................... 64
Figura 76 Análisis de deformaciones en pieza modificada. ......................................................................................... 64
Figura 77 Vista lateral de la oruga de goma (banda)................................................................................................... 66
Figura 78 Polea y eje delantero. ............................................................................................................................................... 67
Figura 79 Polea y eje trasero. .................................................................................................................................................... 67
Figura 80 Curva característica motor limpiaparabrisas. ............................................................................................. 69
Figura 81 Actuador lineal Duff-Norton serie L. ................................................................................................................. 71
Figura 82 Actuador genérico [38]. .......................................................................................................................................... 71
Figura 83 Motorreductor (Anexo) [39]. ................................................................................................................................ 73
Figura 84 Actuador seleccionado. ............................................................................................................................................ 73
Figura 85 Estructura con modificaciones finales. ............................................................................................................ 73
Figura 86 ATEMEGA 16. ............................................................................................................................................................... 75
Figura 88 Relevador Buster. ....................................................................................................................................................... 77
Figura 89 Batería de GEL (CP12170D) [40]. ...................................................................................................................... 80
Figura 90 Curva característica de la batería. .................................................................................................................... 80
Figura 91 Esquemático cargador de batería. ..................................................................................................................... 81
Figura 92 Sensor y esquemático. .............................................................................................................................................. 82
Figura 93 Configuración. ............................................................................................................................................................. 82
Figura 94 Medición del sensor. .................................................................................................................................................. 82
Figura 95 Configuración del C. I. .............................................................................................................................................. 83
Figura 96 ACS715 Sensor de corriente 0 a 30 A [41]. ..................................................................................................... 84
Figura 97 Rangos de operación. ............................................................................................................................................... 84
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

Figura 98 MMA7361L Acelerómetro 3 ajes analógico [42]. ........................................................................................ 85
Figura 99 Referencia y diagrama de apoyo. ....................................................................................................................... 85
Figura 100 Simulaciones estado batería. ............................................................................................................................. 86
Figura 101Simulación medición de corriente. ................................................................................................................... 87
Figura 102 Simulación de acelerómetro. ............................................................................................................................. 87
Figura 103 Sensor de corriente. ................................................................................................................................................ 88

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

VII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Medidas del producto [13]. ........................................................................................................................................ 11
Tabla 2 Masa de distintos modelos de sillas de ruedas. ................................................................................................. 12
Tabla 3 Dimensiones generales. ................................................................................................................................................ 13
Tabla 4 Matriz de decisión tipo de transmisión. ............................................................................................................... 16
Tabla 5 Coeficiente de seguridad [16]. .................................................................................................................................. 18
Tabla 6 Parámetros de criterio de deformación I. ........................................................................................................... 20
Tabla 7 Parámetros de criterio de deformación II........................................................................................................... 21
Tabla 8 Comparación de acero más usado [22]. ............................................................................................................... 25
Tabla 9 Ventajas y desventajas de motores de imán permanente por tipo de material. ............................... 28
Tabla 10 Tipos de tecnologías en baterías y sus aplicaciones en el mercado. .................................................... 35
Tabla 11 Tabla comparativa de las diferentes baterías de Litio. .............................................................................. 35
Tabla 12 Características generales de diseño. ................................................................................................................... 50
Tabla 13 Análisis de desplazamiento. .................................................................................................................................... 50
Tabla 14 Requerimientos del motor 1. .................................................................................................................................. 51
Tabla 15 características generales de diseño (elevación/descenso). ...................................................................... 51
Tabla 16 Requerimientos del motor 2. .................................................................................................................................. 51
Tabla 17 Propiedades del Aluminio 6063. ........................................................................................................................... 53
Tabla 18 Características de orugas existentes en el mercado. ................................................................................... 54
Tabla 19 Matriz de decisión para orugas. ............................................................................................................................55
Tabla 20 Características motor 1 opción 1. ........................................................................................................................ 56
Tabla 21 características motor 2 opción1. .......................................................................................................................... 56
Tabla 22 Características motor 1 opción 2. ........................................................................................................................ 57
Tabla 23 Motor 1 opción 3. ......................................................................................................................................................... 57
Tabla 24 Características motor 1 opción 2. ........................................................................................................................ 58
Tabla 25 Matriz de decisión para Motor 1. ......................................................................................................................... 59
Tabla 26 Matriz de decisión para Motor 2. ......................................................................................................................... 59
Tabla 27 Tabla estándar con ciertas especificaciones [36]. ........................................................................................ 65
Tabla 28 Cotizaciones de motores y reductores. ............................................................................................................... 68
Tabla 29 Motor y reductor usado............................................................................................................................................. 69
Tabla 30 Motorreductores para levantar la masa. .......................................................................................................... 70
Tabla 31 Matriz de decisión para motor1............................................................................................................................ 72
Tabla 32 Matriz de decisión para actuador. ....................................................................................................................... 72
Tabla 33 Control únicamente de puente H (con pin habilitador en alto). ............................................................ 76
Tabla 34 Comparación de precios de baterías existentes en el mercado [32]. ................................................... 78
Tabla 35 Tabla de selección de baterías 1. .......................................................................................................................... 78
Tabla 36 Matriz de decisión para selección de materias. ............................................................................................. 79

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

RESUMEN

Actualmente existen edificios y establecimientos de varios niveles que no cuentan
con elevadores o mecanismos en las escaleras que permitan ascender a personas con
alguna discapacidad motriz y que utilizan una silla de ruedas. Debido a esta
problemática, es necesario el desarrollo de un mecanismo que sea capaz de auxiliar a
este sector de la población en la tarea habitual de subir y bajar escaleras sin necesitar
asistencia de otra persona. Este proyecto consiste en desarrollar un mecanismo con
cierto grado de automatización el cual se adherirá a una silla de ruedas convencional
para permitirle a una persona de hasta 80 kg de masa ascender o descender
escaleras.

Palabras clave:

Silla de ruedas, escaleras, banda dentada, discapacidad, Mecatrónica, mecanismo

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

OBJETIVOS GENERALES

Diseño y construcción del prototipo de un mecanismo que sea capaz de acoplarse a
una silla de ruedas convencional para permitir al usuario de ésta subir, o bajar por una
escalera con mínima o nula asistencia de terceros.

OBJETIVOS PARTICULARES

1. Desarrollar una estructura mecánica capaz de soportar la masa de todos
los componentes del prototipo y la masa de la persona (hasta 80 kg).

2. Implementar un sistema mecánico-eléctrico para conseguir el desplazamiento
del prototipo.

3. Aplicación de una plataforma de cómputo adecuada para la implementación de
la etapa de control del sistema.

4. Diseño e implementación de la etapa de alimentación eléctrica del sistema.

5. Diseñar y construir un mecanismo seguro de acoplamiento prototipo-silla.

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

INTRODUCCIÓN
De acuerdo con la Clasificación Internacional del Funcionamiento, de la
Discapacidad y de la Salud, presentada en 2001, las personas con discapacidad “son
aquellas que tienen una o más deficiencias físicas, mentales, intelectuales o
sensoriales y que al interactuar con distintos ambientes del entorno social pueden
impedir su participación plena y efectiva en igualdad de condiciones a las demás.” Al
año 2010, el porcentaje de habitantes en México que tenían algún tipo de discapacidad
era del 5.1% de la población total, lo que representa 5 millones 739 mil 270 personas.
[1] Los porcentajes de la población con los distintos tipos de discapacidad se muestran
en la figura siguiente. [2]

Porcentaje de la población con discapacidad según la
dificultad en la actividad (2010)

Figura 1 Suma de porcentajes mayor a 100% por la población con más de una dificultad
[1].

Se puede apreciar que más de la mitad (3 millones 345 mil 994) de las limitaciones
declaradas tiene que ver con dificultades para caminar o moverse, que según el
INEGI(Instituto Nacional de Estadística y Geografía) “hace referencia a la dificultad de
una persona para moverse, caminar, desplazarse o subir escaleras debido a la falta de
toda o una parte de sus piernas; incluyendo también a quienes teniendo sus piernas no
tienen movimiento o presentan restricciones para moverse, de tal forma que necesitan
ayuda de otras personas, silla de ruedas u otro aparato, como andadera o pierna
artificial”.
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

JUSTIFICACIÓN

Del total de personas en el país que presentan una discapacidad asociada con
dificultades para caminar o moverse, el 5.07% [3] (290 mil 896 habitantes) se
encuentran en el Distrito Federal, por lo que fue importante realizar este trabajo de
investigación con la finalidad de construir el prototipo propuesto, que a pesar de que
cada vez un mayor número de edificios y establecimientos se encuentran debidamente
acondicionados para la atención de personas con este tipo de discapacidad, aún hay
una gran cantidad de ellos que no cuentan con las condiciones mínimas necesarias
para el cómodo acceso de este sector de la población.

Este dispositivo es de gran utilidad en edificios relativamente antiguos que no
cuentan con un elevador ni con rampas especiales o en edificaciones amplias y de
pocos niveles, en las cuales resulta poco viable y costosa la construcción de dichas
rampas o elevadores.

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

ESTADO DEL ARTE

DISPOSITIVOS COMERCIALES

Se tiene registro de pocas empresas que fabrican este tipo de mecanismos, dentro
de éstas las más importantes son: Ingeniería Hummel (Argentina), Garaventa Lift
(Estados Unidos de América) y Lehner-Lifttechnik (Austria).

En las figuras 3 y figura 4 se muestran algunos mecanismos comerciales los cuales
necesitan de un acompañante que se encargue de la manipulación del sistema,
mientras que laque se fabrica en Austria es totalmente independiente mostrada en la
figura 2.

A continuación se presentan algunos modelos existentes en el mercado con su
nombre comercial:

Figura 2. Stairmax [4]. Figura 3 Stairtrac [5]. Figura 4 Vimec [6].

En cuanto al precio, el mecanismo fabricado en Italia tiene un costo de U$D 6,000, que
son aproximadamente en $ 78,000 MXN; el mecanismo de Garaventa Lift tiene un
costo de U$S 6,500 + I.V.A., mientras que el mecanismo de Lehner-Lifttechnik puede
adquirirse por € 4,450.00.
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

Por otra parte existen otro tipo de asistentes para personas en sillas de ruedas las
cuales son más comunes, pero tiene la desventaja que únicamente pueden usarse en
un edificio, ya que estas son instaladas sobre barandales, o pasamanos.

Figura 5 Plataforma asistente [7]. Figura 6 Acorn 80 [8].

Figura 7 Salvaescaleras portátil Scalacombi [9].

En la figura 5 se muestra otro tipo de asistente, el cual como se puede observar
requiere de una asistencia de tercero, tiene la ventaja de ser portátil, además de ser
capaz de desplazarse por escaleras curvas.

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

TRABAJOS TERMINALES EN LA UPIITA

Dentro de los proyectos realizados en la Unidad Profesional Interdisciplinaria en
Ingeniería y Tecnologías Avanzadas, sólo existe registro de un mecanismo parecido al
prototipo. Trabajo terminal de ingeniería mecatrónica, “Mecanismo semiautomático
para ascender y descender escaleras” presentado en el año 2011, el cual sólo cumplía
con la tarea de ascenso/descenso de escalones desplazándose por medio de un
sistema de oruga y un tipo de banda dentada diseñada por los responsables del
proyecto [10]. Actualmente no hay empresas mexicanas que fabriquen dispositivos de
este tipo, los distribuidores que pueden encontrarse en el país son solamente
sucursales de compañías extranjeras.

Figura 8 Prototipo vista lateral descenso. Figura 9 Prototipo vista frontal.

Figura 10 Prototipo vista lateral. Figura 11 Prototipo vista trasera.

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

MARCO TEÓRICO
TIPOS DE SILLAS DE RUEDAS

Existen varios tipos de sillas de ruedas manuales, cada categoría está pensada
para un propósito y/o un tipo de usuario específico, a continuación son presentados
algunos de ellos.

SILLA MANUAL STANDARD

Es la opción más económica.
Generalmente se puede encontrar este
tipo de sillas en hospitales; poseen un
chasis robusto y pesado fabricado de
acero o aluminio, en su mayoría son
modelos plegables y/o desmontables.
Son útiles para uso esporádico, para
personas mayores en residencias que
no necesitan moverse demasiado de
forma independiente o en casos en que
un acompañante es el que empuja la silla por el respaldo, convirtiendo la masa en un
factor poco determinante. Es posible encontrarlas con ruedas traseras grandes con aro
de propulsión o ruedas pequeñas en las que la propulsión y dirección queda a cargo
del acompañante, estas últimas reducen un poco el ancho total de la silla.
Según modelos y opciones pueden tener reposabrazos desmontables, reposapiés
extraíbles o elevables, respaldo reclinable, etc. Debido a la masa del material los
modelos que se encuentran construidos de acero son un poco más complicados de
propulsar y manejar para el transporte o guardado.

SILLA MANUAL LIGERA O SEMI-ACTIVA

Son sillas fabricadas mayoritariamente en aluminio, plegables y con las ruedas
traseras equipadas con Quick Release
(desmontaje rápido con sólo apretar un
botón). Estas cualidades en su diseño las
hace fácilmente transportables, ligeras en
comparación con modelos similares de acero
por lo que la fuerza necesaria para
impulsarse es menor.
El perfil de usuarios para el que está
pensado este tipo de sillas es personas
autónomas en distancias medias que
necesitan una silla fácil de propulsar y de transportar sin invertir una cantidad excesiva
de dinero.

Figura 12 Sillas manuales Standard.

Figura 13 Sillas manuales ligeras.
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

También se usa en casos, en los que sin tratarse de un usuario activo, se necesita algo
ligero y que se pliegue bastante.

SILLA MANUAL ULTRALIGERA O ACTIVA

Aquí se encuentra la gama
alta del producto, donde
materiales como el titanio o la
fibra de carbono son bastante
comunes, además de contar con
suspensión central y delantera,
ruedas de alto rendimiento, etc.
Todo es posible si el precio no
supone un problema.

Están diseñadas para un máximo rendimiento, además de una masa y dimensiones
lo más reducidas posibles. El perfil básico de usuario no me Wheelie (caballito) y subir
un escalón, o involuntariamente por una distribución inadecuada de la masa en un
momento dado. Los anti-vuelcos están recomendados aunque en la práctica muy
pocos usuarios los utilizan, no siendo así en sillas semi-activas, en las que su uso está
muy extendido.

La mayoría de las sillas de este tipo son de chasis rígido para aprovechar mejor el
impulso y aun sin poder plegar la silla de manera tradicional se consiguen plegados
realmente compactos gracias a ingeniosos sistemas de respaldo abatible, ruedas
extraíbles, protectores de ropa en lugar de reposabrazos, la propia forma del chasis,
etc. Esto permite que el usuario pueda, por ejemplo, utilizar de forma autónoma su
coche, metiendo por sí mismo la silla por la puerta del conductor una vez se ha sentado
en el asiento del automóvil.

Dentro de la gama alta también
hay disponibles modelos de chasis
plegable, ya sea convencional o de
diseño especial con prestaciones
similares a los rígidos. Las sillas
ultraligeras se configuran para
cada usuario en el momento de la
compra, se debe medir
meticulosamente al usuario y conocer
sus características para escoger
correctamente tanto la talla de la silla
como la altura del respaldo, la profundidad del asiento, el ángulo del chasis, el centro
de gravedad o el tamaño de las ruedas delanteras.

Figura 14 Sillas manuales ulraligeras (1).

Figura 15 Sillas manuales ultraligeras (2).
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

SILLA MANUAL PASIVA

Destinadas a usuarios con movilidad
muy reducida o nula y que precisan de
un control postural eficiente. Para su
diseño se dejan un poco de lado
factores como el tamaño o la masa a
favor de conseguir una postura
correcta. Lo más común es que posean
reclinación de respaldo y
basculación de asiento, por medio
de unas palancas parapara se
accionadas por el acompañante. Si se
necesitan también se pueden adquirir
reposapiés ajustables, controles
adicionales y cabeceros para un control de postura total o directamente sustituir los
acolchados de origen por un módulo de asiento especial tipo “Jay”. El tamaño de la
rueda trasera se puede elegir dependiendo de si el usuario tiene o no capacidad para
auto-propulsarse.

SILLAS DEPORTIVAS

Se engloban en este apartado a
todas las sillas diseñadas para uso
deportivo, ya sea tenis, baloncesto,
atletismo, rugby o incluso baile.
Cada disciplina deportiva tiene su
silla específica con un diseño
propio. Algunas características
comunes son: defensas, centro de
gravedad bajo, ruedas inclinadas,
sistemas antivuelco especiales, etc.

Dentro de las sillas deportivas se tienen los HandBikes de competición, triciclos de
mano con los últimos avances del mundo de la bicicleta incorporados con los cuales se
puede ir realmente rápido.

Figura 16 Sillas manualespasivas.

Figura 17 Sillas deportivas.
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

DIMENSIONES DE LA SILLA DE RUEDAS

Hay un “estándar” de medidas en la fabricación de sillas de ruedas, ya que a pesar
de que las dimensiones de las mismas pueden variar según la complexión de la
persona que usará la silla, existe un promedio del tamaño con el que se fabrican en
general por las distintas marcas. Las dimensiones que resultan importantes para la
fabricación de este dispositivo es la distancia que existe de entre las llantas traseras de
la silla y la altura del respaldo, ya que estas determinan las medidas principales y con
ellas se fabrica el dispositivo que entra por debajo de la misma y la sujeta por la parte
trasera del respaldo.

Aquí se presentan algunas imágenes con medidas de fabricación estándar de
diferentes proveedores:

Figura 18 Disposición geométrica del cuerpo humano [11].

Figura 19 Medidas del producto [12].

Tabla 1 Medidas del producto [13].

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

MASA DE LA SILLA DE RUEDAS

Otro aspecto importante para la fabricación del modelo es la masa, ya que en base
a éste se realiza el cálculo de los requerimientos de potencia de los motores que son
utilizados, sumándose a esta masa la de la persona (que será de hasta 80 kg) y el del
mismo mecanismo, los componentes electrónicos y el sistema de control, dado que en
el ascenso y descenso sobre los escalones, el dispositivo debe ser capaz de mover
toda esta carga (estimada alrededor de 150 kg).

La masa de las diferentes sillas de ruedas utilizadas comúnmente por las personas
con deficiencia para caminar o moverse depende del material con el cual se fabrica la
estructura de la misma. Generalmente son construidas de aluminio o acero, lo cual
representa una diferencia en la masa de unos 4 o 5 kg en el mismo modelo. Para este
diseño se toma en cuenta ambos tipos de sillas, de modo que la masa estimada no
varíe considerablemente y no afecte de manera significativa el funcionamiento
adecuado del dispositivo. La masa de algunos modelos de sillas convencionales se
muestra a continuación [14]:

Tabla 2 Masa de distintos modelos de sillas de ruedas.

Modelo N
Aluminio
50100050 Venetto 13 – 16
70420030 Transit 355 mm 9.2
70430040 Transit 500 mm 10.6 – 10.7
Acero
50100030 Gades 315/600 15.4 – 17.4
50109000 Gades 315/700 16.2 – 18.7

Después del análisis de las principales características de las sillas de ruedas, se
decidió basarse en un diseño de tipo “Manual Standard” y “Manual Ligera”, ya que son
los dos tipos de sillas más comunes y por lo tanto los diseños que más probablemente
se pueden encontrar en un ambiente cotidiano.
En cuanto a la separación entre las estructuras al interior de las 2 ruedas traseras,
se toma una distancia límite de 40-45 cm, que es el ancho máximo que puede tener el
dispositivo para entrar debajo de la silla de ruedas, sin embargo las medidas finales
fueron determinadas por las dimensiones de los componentes electrónicos. La masa
que fue estimada para realizar el diseño del dispositivo es de 17 - 20 kg, tomando en
cuenta los valores presentados en la Tabla 2, este valor quedo establecido desde esta
sección y en base a él se continuó con el diseño de las dos etapas del dispositivo.

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

DIMENSIONES ESTIMADAS

Según los resultados obtenidos y como puede observarse en la Fig. 18, la Fig. 19 y
la Tabla 1, las medidas que más se presentan y que fueron de interés para el desarrollo
de la primera etapa de este proyecto fueron las mostradas en la Tabla 3, donde
también se muestran las dimensiones aproximadas que tendrá el prototipo.
Tabla 3 Dimensiones generales.

Cabe mencionar que estos valores fueron tomados con un margen de tolerancia y
fueron seleccionados, dado que el tamaño real de la primera etapa fue determinado al
realizar la elección final de los componentes del prototipo, buscando con esto reducir lo
más posible las dimensiones del mismo sin poner en riesgo su correcto funcionamiento
y seguridad.

TRANSMISIÓN MECÁNICA

El diseño de la transmisión de potencia juega un papel importante en el desarrollo
de cualquier mecanismo. Una transmisión mecánica, de forma general, es la encargada
de conducir la potencia desde un motor hacia alguna otra parte donde se requiera, ya
sea directamente o incluyendo un ajuste de las características arrojadas por el motor.

Dentro de los métodos de transmisión más usuales se encuentran:

 Con correa.
 Con cadena.
 Por engrane.

Min 44 cm 92 cm 45 cm
Max 50 cm 106 cm 50 cm
Estimado 35-40 85-100 30-35

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TRANSMISIÓN POR CADENA DE RODILLOS

La característica principal es que tiene un esquema de transmisión flexible abierta,
cuentan con unas ruedas dentadas, que por lo general son llamadas rueda de estrella o
simplemente estrella y son movidas por una cadena en lugar de una cinta flexible.

Figura 20 Transmisión por cadena.

TRASMISIÓN POR CORREA

Las transmisiones por banda o correa, constan de una cinta colocada con tensión
en dos poleas. Una motriz y otra móvil, al moverse la motriz transmite energía por
medio de la banda a la polea móvil mediante el rozamiento entre ellas.

Figura 21 Transmisión por correa.

Figura 22 Transmisión por bandas
dentadas.

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Ventajas:

 Posibilidad de unir árbol conductor con poleas a grandes distancia.
 Funcionamiento suave, sin choques, es silencioso.
 Facilidad de ser empleada como un fusible mecánico, debido a que presenta una
carga límite de transmisión, que de ser superado provoca patinaje o ruptura.
 Diseño sencillo.
 Costo de adquisición relativamente bajo.

Desventajas:

 Grandes dimensiones exteriores.
 Inconsistencia de la relación de transmisión cinemática debido al deslizamiento
elástico.
 Vida útil de la banda relativamente baja.

Clasificación de bandas:

 Bandas planas.
 Bandas trapezoidales.
 Bandas redondas.
 Bandas eslabonadas.
 Bandas dentadas.
 Bandas nervadas o poly V.

Figura 23 Transmisión por bandas poly V.

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TRANSMISIÓN POR ENGRANES

La fricción no es suficiente para garantizar la
ausencia de deslizamiento entre banda y poleas;
dotando a cada polea de un número de muescas
determinando surgen los engranes, en los que la
relación de vueltas queda controlada de forma absoluta
porque solo habría lugar a deslizamiento en caso de
rotura de algún diente. Este tipo de transmisión consta
de una rueda motora (piñón) y un engrane o corona
receptor.

Ahora bien, considerando que la
distancia entre centros de los
engranes es pequeña, los engranes
por lo general se configuran en trenes
de engranes para lograr mayor
distancia entre el eje conductor y el
conducido como se muestra a
continuación.

MATRIZ DE DECISION

Tabla 4 Matriz de decisión tipo de transmisión.

En conclusión se obtuvo que la transmisión por cadena y transmisión por banda son
las más eficientes para este sistema.

Figura 24 Transmisión por
engranes.

Figura 25 Tren de engranajes.
Criterio de selección
Correcto
Probable
Incorrecto
Tipo de
transmisión
Peso
Distancia
entrecentros
Par
transmitido
Eficiencia Opción
Peso
(100%)
0.4 0.1 0.25 0.25 1
Cadena
Mediano Largo Alto Alta
0.4 0.2 0.5 0.6 0.455
Banda
Bajo Largo Mediano Alta
0.3 0.1 0.4 0.5 0.355
Engrane
Mucho Corto Alto Alta
0.1 0.05 0.5 0.4 0.27
Tren de
engranes
Mucho Largo Alto Alta
0.05 0.05 0.4 0.1 0.15
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ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN

Son elementos de máquina animados de movimiento de rotación que sirven para
trasmitir un momento de giro (movimientos y potencias), estando sometidos a torsión, o
bien a flexión y torsión simultáneas. También se les llama ejes de transmisión o, por
simplificación ejes, aunque esta última denominación es más correcta para los
elementos que no transmiten momento de giro.

Figura 26 Tipos de sección de ejes de transmisión.

La sección de un árbol de transmisión suele ser circular (maciza o hueca), aunque
en ocasiones tiene otras formas como acanalada o poligonal. La forma circular exige el
uso de algún elemento de retención circunferencial (chaveta, pasador, prisionero, etc.)
para evitar el giro de las poleas o engranajes montados sobre el eje.

Las formas acanalada o poligonal permiten obviar el uso de estos elementos de
retención ya que la proporcionan por su propio diseño. El procedimiento general para el
diseño de ejes y árboles consiste en los siguientes pasos [15]:

1. Para minimizar tanto las deflexiones como los esfuerzos, la longitud del eje debe
mantenerse tan corta como sea posible y tiene que minimizar los voladizos.

2. Una viga en voladizo tiene mayor deflexión que una simplemente soportada con la
misma longitud, carga y sección transversal, por lo que habrá de utilizarse el
montaje sobre silletas a menos que, por requerimientos de diseño, sea obligatorio el
eje en voladizo.

3. Un eje hueco tiene una mejor razón rigidez/masa (rigidez específica), así como
mayores frecuencias naturales que un eje sólido de rigidez o resistencia
comparables, pero será más costoso y de mayor diámetro.

4. Si es posible, intente ubicar los incrementadores de esfuerzos alejados de las
regiones con momentos de flexión altos, luego minimice sus efectos con radios y
alivios generosos.

5. Si la preocupación principal es minimizar la deflexión, entonces el material indica- do
sería un acero al bajo carbono, puesto que su rigidez es tan alta como la del más
costoso de los aceros, mientras un eje diseñado para bajas deflexiones suele tener
bajos esfuerzos.
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6. Las deflexiones en los engranes transportados sobre el eje no deberían exceder
0.005 in aproximadamente, en tanto que la pendiente relativa entre los ejes de los
engranes debería ser menor de 0.03°, aproximadamente.

7. Si se emplean cojinetes de manguito simple, la deflexión del eje a través de la
longitud del cojinete debe ser menor que el espesor de la película de aceite en el
cojinete.

8. Si se utilizan cojinetes con elementos giratorios excéntricos y no de autocierre, la
pendiente del eje en el cojinete deberá mantenerse por debajo de 0.04°,
aproximadamente.

9. Si hay cargas de empuje axial, deberán transferirse a tierra a través de un solo
cojinete de empuje por cada dirección de carga. No divida las cargas axiales entre
varios cojinetes de empuje, ya que la expansión térmica sobre el eje puede sobrecargar
dichos cojinetes.

10. La primera frecuencia natural del eje debería ser por lo menos tres veces la
frecuencia de la mayor fuerza esperada durante el servicio, y preferiblemente mucho
más. (Un factor de 10 o más es preferible, pero con frecuencia es difícil de lograr en
sistemas mecánicos.)

Ecuación código ASME para diámetro [17]:

 Ejes huecos

√[

]
 Ejes macizos

√

Ejes estacionarios
Carga gradual 1.0 1.0
Carga repentina 1.5 – 2 1.5 - 2
Ejes en rotación
Carga gradual 1.5 1.0
Choque menor 1.5 – 2 1.0 – 1.5
Choque mayor 2.0 – 3.0 1.5 – 3.0

Tabla 5 Coeficiente de seguridad [16].

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El código ASME especifica para ejes de hacer comprado con especificaciones
definidas:
(permisible)= 30% del límite elástico sin sobrepasar del 18% del esfuerzo último
en tracción para ejes sin cuñero. Estos valores deben reducirse en 25% si existen
cuñeros.

Rigidez torsional ( ):

Rigidez lateral (Deformación flecha ) - criterio de la doble integral para
determinación de flechas máximas

Velocidad crítica de operación:
√

Algunas recomendaciones que se deben tener en cuenta durante el diseño de ejes
de transmisión [18]:
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Los ejes han de ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones de flexión
elevadas. Con la misma finalidad, os cojinetes y rodamientos de soporte se dispondrán
los más cerca posible de las cargas más elevadas.
 Se evitarán en la medida de lo posible las concentraciones de esfuerzos, para lo
cual se utilizarán radios de acuerdo generosos en los cambios de sección,
especialmente donde los momentos flectores sean grandes, y teniendo en cuenta
siempre los máximos radios de acuerdo permitidos por los elementos apoyados en
dichos hombros.
 Los árboles huecos permiten mejorar el comportamiento frente a vibraciones
(aumento de las frecuencias de resonancia por la disminución de masa), aunque son
más caros de fabricar y de mayor diámetro; ejemplo: los árboles huecos con diámetro
interior 0.5 veces el exterior, sólo pesan un 75% del peso de los macizos, pero su
momento resistente es sólo ligeramente inferior al de los macizos (94%).
 Para evitar problemas de vibraciones, los árboles de giro rápido exigen un buen
equilibrado dinámico. Buena fijación de los soportes y una rígida configuración.
 Dado que la rigidez suele ser el factor más crítico en el diseño de los árboles, se
utilizarán aceros principalmente, dado su elevado módulo elástico ( ), y se
utilizarán de bajo coste, ya que el módulo elástico no varía dependiendo del precio.

La rigidez del eje, tanto a torsión como a flexión, debe asegurar el correcto
funcionamiento de los elementos que van montados sobre él. Para ello debe apegarse
a las especificaciones técnicas de los catálogos comerciales de dichos componentes. A
continuación se presentan valores orientativos de deformaciones aceptables:

Tabla 6 Parámetros de criterio de deformación I.

Parámetro Límite
Deformación radial admisible
(general)

Deformación radial admisible
(árboles con engranajes cónicos)

Deformación radial relativa en punto
de engranaje

Deformación angular relativa en
punto de engranaje

Deformación angular relativa en
cojinete lubricado

Deformación angular relativa en
rodamiento (general)

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Tabla 7 Parámetros de criterio de deformación II.

La chaveta o cuña es un elemento interpuesto entre un árbol de transmisión y una
pieza montadasobre él para evitar el giro relativo entre ambos alrededor del eje de
giro. Las chavetas suele tener forma prismática o semicilíndrica (chaveta Woodruf).
Algunas tienen una cabeza en la parte externa para facilitar el montaje y desmontaje.

Generalmente la cuña es desmontable, para facilitar el montaje y mantenimiento. Se
instala dentro de una ranura axial maquinada en el eje denominada cuñero o
chavetero. La parte externa de la cuña va alojada en otra ranura realizada en el cubo,
denominada asiento de la cuña. Generalmente el montaje se realiza como sigue:
primero se aloja la chaveta en el chavetero del eje, y luego se desliza axialmente el
cubo hasta alinearla con la chaveta [19].

Parámetro Límite
Rigidez Torsional 1° por cada pie de longitud
Rigidez Lateral 1 mm por cada metro
Velocidad Crítica Relativamente alejado de la velocidad de operación

Figura 27 Dimensiones de Chavetas, cunas y chaveteros según DIN en mm, par torsor
admisible [18].

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REDUCTORES DE VELOCIDAD

La mayoría de las maquinas cuyo movimiento sea generado por un motor necesita
que la velocidad de dicho motor se adapte a la velocidad para el buen funcionamiento.
Además de esta adaptación de velocidad, se deben contemplar otros factores como la
potencia mecánica a transmitir.

Esto se realiza generalmente con uno o varios pares
de engranajes que adaptan la velocidad y potencia
mecánica montados en un cuerpo compacto
denominado reductor de velocidad.

Tipos de clasificación:
• Por tipo de engranaje.
• Por disposición del eje lento y rápido.
• Por sistema de fijación.

POR ENGRANAJE

Corona sin-fin:
Es el reductor de velocidad más sencillo, se compone de una corona dentada,
normalmente de bronce en cuyo centro se ha embutido un eje de acero (eje lento), esta
corona está en contacto permanente con un husillo de acero en forma de tornillo sin-fin.
Una vuelta del tornillo sin fin provoca el avance de un diente de la corona y en
consecuencia la reducción de velocidad. La reducción de velocidad de una corona sin
fin se calcula con el producto del número de dientes de la corona por el número de
entradas del tornillo sin fin.

Engranes
Los reductores de engranajes son aquellos en que toda la transmisión mecánica se
realiza por pares de engranajes de cualquier tipo excepto los basados en tornillo sin fin.
Sus ventajas son el mayor rendimiento energético, menor mantenimiento y menor
tamaño.

Planetarios
Son reductores de engranes con la particularidad de que no están compuestos de
pares de engranajes si no de una disposición planetaria respecto a su centro.

Figura 28 Corona sin fin.

Figura 29 Reductor fijo.

Figura 30 Reductor pendular.

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MATERIALES Y SUS CARACTERÍSTICAS.

El material para la elaboración de una estructura es de vital importancia ya que de
ello depende el buen funcionamiento del cualquier sistema mecánico.

Durante los últimos años en la industria de ha incrementado la utilización de
aluminio, debido a sus características de alta resistencia y relativamente poca masa en
comparación con otros materiales usados comúnmente. El aluminio es el elemento más
abundante de la corteza terrestre después del oxígeno y el silicio y además puede ser
reciclado infinitamente. Los campos de aplicación son muy numerosos, por lo que su
demanda se incrementa día a día, además de ser bastante noble con el medio
ambiente. En estado puro tiene muy baja resistencia mecánica, sin embargo esta
puede incrementarse considerablemente al ser aleada con cobre, silicio y magnesio, o
siendo sometido a procesos físicos de templado y estirado en frío. El aluminio posee
1/3 de la rigidez del acero.

El módulo elástico del aluminio es de alrededor de 65 GPa, en comparación, el
módulo elástico del acero, se encuentra en los 200 GPa; la ductilidad es una
característica notable en el aluminio, además de ser un metal blando que puede ser
cortado o rayado con suma facilidad. En cuanto a la conductividad eléctrica, posee una
de las más elevadas entre los metales, por tal razón, se usa en la fabricación de
componentes eléctricos y cables de alta, media y baja tensión.

A continuación se describen características de algunas aleaciones de aluminio [20]:

Grupo 1000
Aluminio casi puro o puro (99% Al).
Aplicación: Se usa en la fabricación de paneles y remates de fachadas; paneles
sándwich; chapas lisas para zócalos; recubrimientos para telas y láminas asfálticas;
chapas plegadas para cubiertas; cierres y defensas; etc.

Grupo 2000
Proporción del 2% al 8% de Cobre (Cu).
Posee alta resistencia mecánica y baja resistencia a la corrosión.
Aplicación: Estructuras de aviones.

Grupo 3000
Proporción del 1,82 de Manganeso (Mn).
Posee moderada resistencia mecánica.
Aplicación: Poco uso en la construcción.

Grupo 4000
Proporción del 1,65% de Silicio (Si).
Posee bajo punto de fusión.
Aplicación: se usa para paneles arquitectónicos de fundición.

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Grupo 5000
Proporción del 10% de Magnesio (Mg).
Rotura a tensión: 120-435 N/mm2; buena soldabilidad y resistente a la corrosión.
Aplicación: La aleación 5005 se emplea para la fabricación de perfiles extruidos
(en ingeniería naval). La aleación 5003 se emplea para perfiles soldables.

Grupo 6000
Proporción del 0,5% Magnesio (Mg) y 0,5% Silicio (Si).
Aplicación: La aleación 6063 se emplea casi exclusivamente para fabricación de
perfiles extruidos para carpinterías de fachadas.

ACERO

Es el principal productor siderúrgico. El acero al carbono es una aleación de
composición química compleja. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva
su resistencia a la tensión, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que
disminuya la tenacidad y la ductilidad. [21]

 Aceros al carbono de alta maquinabilidad (Resulfurados)
Se usa en casos donde se desea una maquinabilidad mejor que la de los aceros al
carbón. Se logran costos más bajos aumentando la producción con mayores
velocidades de maquinado y mejor vida de la herramienta o eliminando operaciones
secundarias a través de una mejoría en la superficie terminada.

 SAE 1110 - 1111 - 1112 – 1113
Tienen excelentes características de maquinabilidad y buena resistencia estirados
en frío. Estos aceros se pueden carburar. La maquinabilidad aumenta en este grupo al
aumentar el azufre, el cual se combina principalmente con el manganeso del acero, lo
cual disminuye la adherencia, provocando que se necesite menos potencia, se mejore
la superficie y la velocidad de maquinado se pueda duplicar en comparación con un
acero no resulfurado.

 SAE 1108 - 1109 - 1116 - 1117 - 1118 - y 1119
Los aceros de este grupo se usan cuando se necesita una combinación de buena
maquinabilidad y respuesta a tratamiento térmico. En variedades de bajo carbono se
usan para partes pequeñas que deben cianurarse o carbonitrurarse.

 SAE 1117 - 1118 y 1119
Tienen más manganeso para mejor templabilidad, permitiendo temple en aceite
después de la carburación.

 SAE 1132 - 1137 - 1140 - 1141 - 1144 - 1145 - 1146 y 1151
Cada tipo tiene características comparables a los aceros al carbono del mismo nivel
del carbón. Se usan para partes donde es necesario una gran cantidad de maquinado,
o donde la presencia de roscas, estrías, u otra operación ofrece problemas especiales
“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

de herramental.

 SAE 1132 -1137 - 1141 – 1144
Ofrecen mayor templabilidad. Los tipos de alto carbono son adecuados para temple
en aceite, para temple por inducción o con llama.Hay muchos tipos de acero
inoxidable, pero en la siguiente tabla se hace la comparación con un tipo 304 por ser el
más común de todos ellos.

Tabla 8 Comparación de acero más usado [22].

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PROPIEDADES MECÁNICAS

Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan
fuerzas sobre ellos. Las más importantes son [23]:

 Elasticidad: Capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma,
una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

 Plasticidad: Habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez
deformado. Es opuesto a la elasticidad.

 Ductilidad: Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por
ejemplo, cobre, oro, aluminio, etcétera).

 Maleabilidad: Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse
(por ejemplo, aluminio, oro, etc.).

 Dureza: Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo
que es igual, la resistencia al desgaste.

 Fragilidad: Es opuesta a la resiliencia. El material se rompe en añicos cuando
una fuerza impacta sobre él.

 Tenacidad: Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a
esfuerzos lentos de deformación.

 Fatiga: Deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a
cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un
número de veces.

 Maquinabilidad: Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de
viruta.

 Acritud: Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como
consecuencia de la deformación en frío.

 Colabilidad: Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

 Resiliencia: Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos
bruscos.

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MOTORES

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas que transforman en energía
mecánica la energía eléctrica. [24]

La diferencia entre un motor y un generador es que el primero transforma la energía
eléctrica en energía mecánica, mientras que un generador realiza el proceso inverso de
transformación.

Clasificación de motores

Tipos de motores:
 Corriente Alterna.
 Monofásicos
 Polifásicos
• Rotativos
 Motores Síncronos
 Motores Asíncronos
- De Jaula
- De Anillos Rasantes
• Lineales

 Corriente Continua
 Excitación Derivación.
 Excitación Serie.
 Excitación Compuesta.
 De imanes permanentes.
 Sin escobillas.

 Motores Especiales
 Motores Paso a Paso.
 Motores de Reluctancia.
 Motores Magnetohidrodinámicos.
 Motor Universal.
 Motores de 400 Hz.

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MOTORES DE ROTOR HUECO DE IMÁN PERMANENTE

El término imán permanente se refiere a la habilidad de un material de retener un
valor de magnetismo remanente luego de ser imanado por algún medio, siendo así
resistente a su desmagnetización.

 Tipos de imán permanente (Dexter Magnetics USA)

Existen cuatro familias de imanes comercialmente disponibles:
 AlNiCo.
 Ferritas Cerámicas.
 Samario Cobalto.
 Neodimio Hierro Boro.

Tabla 9 Ventajas y desventajas de motores de imán permanente por tipo de material.

Material Ventajas Desventajas
Alnico Estabilidad térmica Alta
temperatura de servicio Alta
densidad de flujo Formas
geométricas variadas Fácil
magnetización Bajo costo de
maquinado
Quebradizo Baja fuerza coercitiva
Espesores mínimos requeridos Costo
variable
Ferritas
duras
Bajo costo Alta coercitividad
Fácil magnetización
Quebradizas Formas geométricas
limitadas Tolerancias mecánicas
limitadas Bajo producto energía BH
Comportamiento variable con la
temperatura Altos costos de maquinado
Ferrita
aglutinada
Flexibles fácilmente
moldeables Poco maquinado
Baja energía producto BH Baja
temperatura de servicio
Comportamiento variable con la
temperatura
Sa -Co Alta Energía producto BH Alta
coercitividad Compacto Alta
temperatura de servicio
Resistente a la corrosión
Estabilidad térmica
Quebradizo Alto costo Difícil
magnetización Usa polvos pirofóricos
(de ignición espontánea con el aire)
Ne-Fe-Bo La más alta energía producto
BH Alta coercitividad
Compacto
Bajo costo
Comportamiento variable con la
temperatura Susceptible a la corrosión
Requiere recubrimientos Baja
temperatura de servicio
Difícil magnetización Usa polvos
pirofóricos (de ignición espontánea con
el aire)
Ne-Fe-Bo
aglutinado
Alta energía producto BH Alta
coercitividad Fácilmente
moldeables Bajo costo
Comportamiento variable con la
temperatura Susceptible a la corrosión
Baja temperatura de servicio
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Ventajas:

 Baja inercia (grandes aceleraciones)
 Pérdidas nulas en el estator y en el hierro del rotor.
 Baja saturación→ LINEALIDAD
 Baja constante de tiempo eléctrica (L↑)
 Bajos pares de retención.
 Relación tensión-velocidad LINEAL.
 Relación corriente-par LINEAL.
 Volumen bajo.
 Baja tensión de arranque.
 Menores problemas de mantenimiento del colector.

Desventajas

 Precio elevado.

MOTORES BRUSHLESS

Ventajas:

 Mayor eficiencia (menos perdida por calor).
 Mayor rendimiento (mayor duración de las
baterías para la misma potencia).
 Menor masa para la misma potencia.
 Requieren menos mantenimiento al no tener
escobillas.
 Relación velocidad/par motor es casi constante.
 Mayor potencia para el mismo tamaño.
 Mejor disipación de calor.
 Rango de velocidad elevado al no tener limitación
mecánica.
 Menor ruido electrónico (menos interferencias en
otros circuitos).

Desventajas:

 Mayor costo de construcción.
 El control es mediante un circuito caro y complejo;
requiere de un control electrónico para que su
funcionamiento, el cual puede llegar a duplicar el
costo.

Figura 31 Motor Brushless.

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

ACUMULADORES DE ENERGÍA

Un acumulador es una pila eléctrica reversible que transforma y almacena como
energía química la energía eléctrica que recibe, y que efectúa el proceso inverso
durante la descarga.

Una batería es un dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma
química. Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en
energía eléctrica. Todas las baterías son similares en su construcción y están
compuestas por un número de celdas electroquímicas. Cada una de estas celdas está
compuesta de un electrodo positivo y otro negativo, además de un separador. Cuando
la batería se está descargando un cambio electroquímico se está produciendo entre los
diferentes materiales en los dos electrodos.

Existe un fenómeno dentro de los acumuladores llamado “efecto memoria”, el cual
reduce la capacidad de las baterías con cargas incompletas. Se produce cuando se
carga una batería sin haber sido descargada del todo: se crean unos cristales en el
interior de estas baterías, a causa de una reacción química al calentarse la batería, ya
sea por el uso o por las malas cargas.

BATERÍAS DE PLOMO

Los principios de funcionamiento de la batería.
Las baterías de plomo-ácido están internamente compuestas de una serie de
células. Por ejemplo, una batería de 12 V se compone de 6 células de 2 V conectadas
en serie. Cada célula es a su vez compuesta de un electrodo positivo (barra de dióxido
de